edubun
Русский

Давление газа и закон Бойля

В 1662 году Роберт Бойль сжал запертый воздух до четверти его объёма и обнаружил, что давление выросло примерно в четыре раза.

Загрузка

Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.

Один литр воздуха при 101.3 кПа в цилиндре. Уменьши объём вдвое и посмотри, как давление удвоится.

Закрой пальцем кончик шприца и надави на поршень. Он немного сдвинется, а потом начнёт давить в ответ всё сильнее. Отпусти, и он отскочит обратно. Количество воздуха внутри и его температура не изменились; изменился только объём. Это сопротивление и есть давление газа, сила, с которой газ действует на каждый квадратный метр стенок. Его измеряют в паскалях; нормальное атмосферное давление на уровне моря, 1 атм, равно 101.325 кПа.

Откуда берётся давление

Молекулы газа летят по прямым и отскакивают от стенок сосуда. Каждый удар слегка толкает стенку. Миллиарды миллиардов ударов в секунду складываются в постоянное давление. Сожми газ до половины объёма, и каждый участок стенки будет получать удары вдвое чаще, поэтому давление удвоится. Нагрей газ, и молекулы будут ударять сильнее и чаще, так что давление тоже вырастет. Модель частиц объясняет газовые законы, которые сначала были открыты на опыте.

Закон Бойля

Для постоянного количества газа при постоянной температуре давление и объём обратно пропорциональны: произведение P × V не меняется. Значит, P₁V₁ = P₂V₂. Увеличь давление вдвое, и объём уменьшится вдвое; втрое, и объём станет втрое меньше. На графике зависимости P от V точки ложатся на кривую, которую называют гиперболой. Если построить P в зависимости от 1/V, они лягут на прямую, которую проще читать и проверять. Переключи график в модели выше, чтобы увидеть оба варианта.

Роберт Бойль опубликовал эту зависимость в 1662 году. Он запер воздух в коротком закрытом колене J-образной стеклянной трубки и наливал ртуть в длинное открытое колено, чтобы вес ртути сжимал воздух. По его таблице воздух сжался с 48 равных делений трубки до 12, а общее давление на него выросло с 29 2/16 до 117 9/16 дюйма ртутного столба. Четверть объёма и примерно вчетверо большее давление. Французский физик Эдм Мариотт независимо открыл ту же зависимость в 1676 году.

Закон Бойля в теле человека и под водой

Дыхание использует закон Бойля примерно 20 раз в минуту. При вдохе диафрагма и межрёберные мышцы сокращаются, грудная клетка расширяется, и объём лёгких увеличивается. Давление внутри становится чуть ниже наружного, и воздух входит. При выдохе всё идёт в обратную сторону. Каждые 33 фута (около 10 м) морской воды добавляют примерно 1 атм. При постоянных количестве воздуха и температуре давление 2 атм сжимает воздух до половины его объёма при 1 атм. Регулятор подаёт воздух под окружающим давлением, поэтому лёгкие дышащего аквалангиста не просто уменьшаются вдвое относительно объёма на поверхности. Это пример газового закона, а не руководство по погружению.

Закон Бойля не одинок. Амонтон (около 1700 года) и Гей-Люссак (около 1800 года) обнаружили, что при постоянном объёме давление растёт пропорционально температуре в кельвинах, а Шарль установил, что так же ведёт себя объём при постоянном давлении. Вместе они дают уравнение состояния идеального газа PV = nRT.
Закон БойляP₁V₁ = P₂V₂ при постоянных температуре и количестве газа
1 атм101.325 кПа
P в зависимости от 1/VПрямая для газа, подчиняющегося закону Бойля
Уравнение состояния идеального газаPV = nRT
  1. Газ занимает 2.0 л при 100 кПа. При той же температуре его сжимают до 0.50 л. Каким станет давление?
  2. В шприце 15.0 мл воздуха при 13.0 psi (фунтов на квадратный дюйм). Каким будет давление при 7.5 мл?
  3. Тот же воздух при 6.5 psi занимает 30.0 мл. Какой объём он займёт при 11.0 psi? Округли до 1 десятичного знака.
  4. Какие две величины в законе Бойля должны оставаться постоянными?
    • Количество газа и температура
    • Давление и объём
    • Объём и температура
  5. График зависимости P от V для закона Бойля представляет собой…
    • кривую (гиперболу)
    • прямую, проходящую через начало координат
    • горизонтальную прямую
  6. Почему, с точки зрения частиц, при сжатии газа растёт давление?
    • Молекулы чаще ударяются о каждый участок стенки
    • Молекулы становятся больше
    • Молекулы перестают двигаться
  7. По таблице Бойля воздух при 48 делениях был под давлением 29 2/16 дюйма ртутного столба. Используя P₁V₁ = P₂V₂, найди, каким должно быть давление при 12 делениях. Округли до 2 десятичных знаков.
  8. Водолаз на глубине 33 фута находится под давлением 2 атм. Воздушный шарик, в котором на поверхности (1 атм) было 4.0 л, опускают на эту глубину. Каким станет его объём?
  9. При вдохе объём лёгких увеличивается. Давление в них…
    • падает ниже наружного, и воздух входит
    • растёт и вталкивает воздух
    • не меняется
  10. Кто опубликовал закон о связи давления и объёма в 1662 году?
    • Роберт Бойль
    • Жак Шарль
    • Амедео Авогадро
Главное
  • Давление газа создают удары молекул о стенки; 1 атм = 101.325 кПа.
  • Закон Бойля: P₁V₁ = P₂V₂ при постоянных количестве газа и температуре.
  • P от V даёт кривую; P от 1/V даёт прямую.
  • И дыхание, и погружение подчиняются закону Бойля; каждые 33 фута морской воды добавляют 1 атм.
Источники курса (8)
  • OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
  • 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
  • 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
  • 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
  • NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
  • USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
  • Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
  • Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.

Проверено: 2026-10-17