보일 마리오 뜨의 법칙 : 역사, 표현, 예 - 화학 - 2025

보일 - Mariotte 법 이나 가스에 가해지는 압력 사이의 관계를 표현하는 한, 그것이 차지하는 부피이고; 가스의 온도와 그 양 (몰 수)을 일정하게 유지합니다.

이 법칙은 Charles, Gay-Lussac, Charles 및 Avogadro의 법칙과 함께 이상 기체의 행동을 설명합니다. 특히, 기계적 힘에 의해 가해지는 부피 변화를받는 밀폐 된 용기에서.

용기의 부피를 줄여 압력을 높입니다. 출처 : Gabriel Bolívar

위의 이미지는 Boyle-Mariotte 법칙을 간략하게 요약합니다.

보라색 점은 용기의 내벽과 충돌하는 가스 분자 또는 원자를 나타냅니다 (왼쪽). 이 가스가 차지하는 컨테이너에서 사용 가능한 공간이나 부피가 감소함에 따라 충돌이 증가하여 압력이 증가합니다 (오른쪽).

이는 용기가 밀폐 된 경우 가스의 압력 P와 부피 V가 반비례 함을 보여줍니다. 그렇지 않으면 더 높은 압력은 컨테이너의 더 큰 팽창과 동일합니다.

V와 P의 데이터를 각각 Y 축과 X 축에 사용하여 P에 대한 그래프 V를 만들면 점근 곡선이 관찰됩니다. V가 작을수록 P가 증가합니다. 즉, 곡선은 X 축에서 높은 P 값으로 확장됩니다.

물론 온도는 일정하게 유지됩니다. 그러나 동일한 실험을 다른 온도에서 수행하면 이러한 V 대 P 곡선의 ​​상대 위치가 데카르트 축에서 변경됩니다. Z 축에 T 상수를 사용하여 3 차원 축에 플로팅하면 변화가 더욱 분명해질 것입니다.

보일의 법칙의 역사

배경

과학자 갈릴레오 갈릴레이 (Galileo Galilei)가 진공의 존재에 대한 믿음을 표명 한 이후 (1638), 과학자들은 공기와 부분 공극의 특성을 연구하기 시작했습니다.

영국계 아일랜드의 화학자 로버트 보일은 1638 년 독일 엔지니어이자 물리학자인 오토 폰 구 에릭이 공기 펌프를 만들었다는 사실을 알게 된 후 공기의 특성에 대한 연구를 시작했습니다.

수은 실험

기압에 대한 연구를 수행하기 위해 Boyle은 "J"자 모양의 유리관을 사용했는데, 그 구조는 Boyle의 조수인 Robert Hooke가 만든 것입니다. 짧은 팔의 끝은 봉인되었고 튜브의 긴 팔의 끝은 수은을 배치하기 위해 열려있었습니다.

처음부터 Boyle은 공기의 탄력성을 질적, 양적으로 연구하기를 원했습니다. "J"튜브의 열린 끝을 통해 수은을 부음으로써 Boyle은 튜브의 짧은 팔에있는 공기가 수은의 압력 하에서 수축하고 있다고 추론했습니다.

결과

튜브에 첨가되는 수은의 양이 많을수록 공기에 가해지는 압력이 커지고 부피가 작아집니다. 보일은 압력의 함수로서 공기량의 음의 지수 형 플롯을 얻었습니다.

한편, 공기의 양을 압력의 역에 대해 플롯하면 양의 기울기를 갖는 직선이 있습니다.

1662 년 Boyle은 두 변수의 기능적 의존성을 나타내는 방정식 형태로 주어진 최초의 물리 법칙을 발표했습니다. 이 경우 압력과 부피.

보일은 가스에 가해지는 압력과 가스가 차지하는 부피 사이에 역 관계가 있다고 지적했으며,이 관계는 실제 가스에 대해 상대적으로 사실입니다. 대부분의 기체는 적당한 온도와 압력에서 이상 기체처럼 행동합니다.

더 높은 압력과 더 낮은 온도가 발생함에 따라 실제 기체의 이상과 행동의 편차가 더욱 두드러졌습니다.

에드 메 마리오 트

프랑스의 물리학자인 Edme Mariotte (1620-1684)는 1679 년에 같은 법칙을 독자적으로 발견했습니다. 그러나 체적이 온도에 따라 변한다는 것을 보여주는 장점이있었습니다. 그것이 마리오 트의 법칙 또는 보일과 마리오 트의 법칙이라고 불리는 이유입니다.

법의 강화

Daniel Bernoulli (1737)는 가스의 압력이 가스가 들어있는 용기의 벽에 가스 입자의 충격이 가해지면 가스의 압력이 생성된다는 점을 지적함으로써 보일의 법칙을 강화했습니다.

1845 년 John Waterston은 기체 운동 이론의 주요 원리에 초점을 맞춘 과학 기사를 발표했습니다.

나중에 Rudolf Clausius, James Maxwell 및 Ludqwig Boltzmann은 기체의 운동 이론을 통합하여 기체가 가하는 압력을 기체 입자의 속도와 연관 시켰습니다.

기체를 포함하는 용기의 부피가 작을수록 용기 벽에 기체를 형성하는 입자의 충격 빈도가 커집니다. 따라서 가스에 의해 가해지는 압력이 커집니다.

이 법은 무엇에 관한 것입니까?

Boyle이 수행 한 실험은 가스가 차지하는 부피와 가스에 가해지는 압력 사이에 반비례 관계가 있음을 나타냅니다. 그러나 표시된 관계는 보일에 기인 한 압력의 함수로 체적 변화 그래프로 표시된 것처럼 완전히 선형이 아닙니다.

보일의 법칙은 가스가 차지하는 부피가 압력에 반비례 함을 나타냅니다. 또한 가스 압력과 부피의 곱이 일정하다는 것을 나타냅니다.

수학 표현

Boyle-Mariotte 법칙의 수학적 표현에 도달하기 위해 다음에서 시작합니다.

V ∝ 1 / P

가스가 차지하는 부피가 압력에 반비례 함을 나타내는 곳입니다. 그러나이 관계가 얼마나 반비례 하는지를 나타내는 상수가 있습니다.

V = k / P

여기서 k는 비례 상수입니다. k를 구하면 다음과 같습니다.

VP = k

가스 압력과 부피의 곱은 일정합니다. 그래서:

V ₁ P ₁ = k 및 V ₂ P ₂ = k

그리고 이것으로부터 추론 할 수 있습니다 :

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

후자는 보일의 법칙에 대한 최종 표현 또는 방정식입니다.

그것은 무엇입니까? 보일의 법칙은 어떤 문제를 해결합니까?

증기 기관

증기 기관차. 출처 : Pixabay.

보일-마리오 트 법은 증기 기관의 작동에 적용됩니다. 다량의 물의 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 외연 기관입니다.

물은 밀폐 된 보일러에서 가열되고 생성 된 증기는 피스톤을 밀어 실린더의 부피 팽창을 생성하는 보일-마리오 테 법칙에 따라 압력을가합니다.

피스톤의 선형 운동은 기관차의 바퀴 또는 발전기의 로터를 구동 할 수있는 커넥팅로드 및 크랭크 시스템을 사용하여 회전 운동으로 변환됩니다.

현재 대체 증기 기관은 수송 차량의 전기 모터와 내연 기관에 의해 대체 되었기 때문에 거의 사용되지 않는 엔진입니다.

음료수

플라스틱 튜브를 통해 병에서 청량 음료 또는 주스를 빨아들이는 행위는 보일-마리오 트 법칙과 관련이 있습니다. 입을 사용하여 튜브에서 공기를 흡입하면 튜브 내부의 압력이 감소합니다.

이 압력 강하는 튜브에서 액체의 위쪽 이동을 촉진하여 섭취를 허용합니다. 이 원리는 주사기를 사용하여 혈액을 채취하는 데에도 적용됩니다.

호흡기 체계

호흡기 체계. 출처 : Pixabay

Boyle-Mariotte 법칙은 호흡기 기능과 밀접한 관련이 있습니다. 영감 단계에서 횡경막과 다른 근육이 수축합니다. 예를 들어, 흉곽의 확장을 생성하는 외부 늑간.

이것은 흉막 내 압력을 감소시켜 폐 부피를 증가시키는 폐 확장을 일으 킵니다. 따라서 Boyle-Mariotte 법칙에 따라 폐 내압이 감소합니다.

폐내 압력이 대기압 이하가되면 대기 공기가 폐로 유입되어 폐의 압력이 증가합니다. 따라서 압력을 대기압과 동일시하고 영감 단계를 마무리합니다.

결과적으로 흡기 근육이 이완되고 호기 근육이 수축합니다. 또한 Boyle-Mariotte 법칙에 의해 설명 된 바와 같이, 폐 부피가 감소하여 결과적으로 폐 내압이 증가하는 현상 인 탄성 폐 수축이 있습니다.

폐 내압이 증가하고 대기압보다 높아짐에 따라 공기가 폐 내부에서 대기로 흐릅니다. 이것은 압력이 균등해질 때까지 발생하여 호기 단계가 끝납니다.

예 (실험)

실험 1

플런저를 빼낸 주사기 내부에 약 20ml의 작은 밀폐형 풍선을 배치하여 입에 매듭을 만듭니다. 주사기의 플런저는 주사기의 중앙쪽으로 배치되고 바늘은 빼내고 공기 흡입구는 차단됩니다.

관측

인젝터의 플런저를 천천히 당기면 풍선이 팽창하는 것이 관찰됩니다.

설명

풍선의 벽에는 두 가지 압력이 가해집니다. 하나는 내부면에 대한 압력, 풍선 내부에 포함 된 공기의 산물이고, 다른 하나는 주사기에 포함 된 공기에 의해 가해지는 풍선의 외부면에 대한 압력입니다.

인젝터의 플런저를 당기면 내부에 반 진공이 생성됩니다. 따라서 펌프 벽 외부면의 공기압이 감소하여 펌프 내부에 가해지는 압력이 상대적으로 높아집니다.

보일-마리오 테 법칙에 따르면이 순 압력은 풍선 벽의 팽창과 풍선의 부피 증가를 초래합니다.

실험 2

플라스틱 병은 가능한 한 수평이되도록 약 반으로 자릅니다. 꽉 끼는 풍선이 병 입구에 배치되고 동시에 일정한 양의 물이 깊은 접시에 배치됩니다.

관측

풍선이있는 병 바닥을 접시의 물 위에 놓으면 풍선이 적당히 팽창합니다.

설명

물은 일정량의 공기를 대체하여 병 벽과 풍선 내부의 공기압을 증가시킵니다. 이것은 보일-마리오 트 법칙에 따라 풍선의 팽창에 의해 시각화되는 풍선의 부피를 증가시킵니다.

참고 문헌

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