Tekanan gas dan hukum Boyle

Pada 1662 Robert Boyle memampatkan udara yang terkurung sampai volumenya tinggal seperempat, dan mendapati tekanannya naik sekitar empat kali.

Tutup ujung alat suntik dengan jarimu lalu tekan pendorongnya. Pendorong bergerak sedikit, lalu terdorong balik makin lama makin kuat. Lepaskan, dan pendorong melompat keluar lagi. Jumlah dan suhu udara di dalamnya tidak berubah; hanya volumenya yang berubah. Dorongan balik ini adalah tekanan gas, yaitu gaya yang dikerjakan gas pada setiap meter persegi dinding. Satuannya pascal; tekanan udara normal di permukaan laut, 1 atm, adalah 101.325 kPa.

Dari mana tekanan berasal

Molekul gas melesat dalam garis lurus dan memantul dari dinding wadahnya. Setiap pantulan memberi dorongan kecil pada dinding. Miliaran miliar pantulan setiap detik terkumpul menjadi tekanan yang tetap. Jika gas dimampatkan ke setengah volumenya, setiap bagian dinding ditumbuk dua kali lebih sering, sehingga tekanannya menjadi dua kali. Jika gas dipanaskan, molekul menumbuk lebih keras dan lebih sering, sehingga tekanannya juga naik. Gambaran partikel ini menjelaskan hukum-hukum gas, yang mula-mula ditemukan lewat percobaan.

Hukum Boyle

Untuk sejumlah gas tertentu pada suhu tetap, tekanan dan volume berbanding terbalik: P × V tetap sama. Jadi P₁V₁ = P₂V₂. Jika tekanan dijadikan dua kali, volumenya menjadi setengah; jika tiga kali, volumenya tinggal sepertiga. Pada grafik P terhadap V, titik-titiknya terletak pada lengkungan yang disebut hiperbola. Jika yang digambar P terhadap 1/V, titik-titiknya membentuk garis lurus yang lebih mudah dibaca dan diperiksa. Ganti grafik pada model di atas untuk melihat keduanya.

Robert Boyle menerbitkan hubungan ini pada 1662. Ia mengurung udara di ujung pendek yang tertutup pada tabung kaca berbentuk J, lalu menuangkan raksa ke ujung panjang yang terbuka, sehingga berat raksa memampatkan udara itu. Dalam tabelnya, udara dimampatkan dari 48 ruas tabung yang sama panjang menjadi 12, sementara tekanan total padanya naik dari 29 2/16 menjadi 117 9/16 inci raksa. Seperempat volume, sekitar empat kali tekanan. Fisikawan Prancis Edme Mariotte menemukan hubungan yang sama secara terpisah pada 1676.

Hukum Boyle di dalam tubuh dan di bawah air

Bernapas memakai hukum Boyle sekitar 20 kali per menit. Saat menarik napas, diafragma dan otot di antara tulang rusuk mengencang, rongga dada membesar, dan volume paru-paru bertambah. Tekanan di dalamnya turun sedikit di bawah tekanan udara luar, dan udara mengalir masuk. Saat mengembuskan napas, kebalikannya terjadi. Setiap 33 kaki (sekitar 10 m) air laut menambah sekitar 1 atm. Untuk jumlah udara tetap pada suhu tetap, tekanan 2 atm memampatkannya menjadi setengah volume pada 1 atm. Regulator selam memasok udara pada tekanan sekitar, sehingga paru-paru penyelam yang bernapas tidak sekadar menyusut menjadi setengah volume di permukaan. Ini contoh hukum gas, bukan panduan menyelam.