Das Boyle-Gesetz ist ein Grundgesetz der Chemie, das das Verhalten eines Gases bei konstanter Temperatur beschreibt. Das 1662 von Robert Boyle entdeckte Gesetz besagt, dass das Gasvolumen bei einer festen Temperatur umgekehrt proportional zum vom Gas ausgeübten Druck ist. Mit anderen Worten, wenn ein Gas in einen geschlossenen Raum gepumpt wird, schrumpft es, um in diesen Raum zu passen, aber der Druck, den das Gas auf den Behälter ausübt, steigt. Das Boylesche Gesetz lässt sich mathematisch ausschreiben:
P x V = konstant
In dieser Gleichung ist P = Druck und V = Volumen.
Boyles Experiment
Um das Gesetz zu beweisen, pumpte Boyle Sauerstoff (ein Gas) in eine J-förmige Glasröhre, die an einem Ende verschlossen war. Er benutzte einen Brenner, um den Sauerstoff auf einer konstanten Temperatur zu halten, und goss dann verschiedene Mengen Quecksilber in das Rohr, wodurch der Druck auf den Sauerstoff variierte. Er stellte fest, dass das Sauerstoffvolumen umso kleiner wurde, je mehr Druck er ausübte, und diese Verringerung geschah mit konstanter Geschwindigkeit.
Das Boyle-Gesetz bezieht sich speziell auf ein ideales Gas – dh ein theoretisches Gas, das aus zufälligen Teilchen besteht, die nicht wechselwirken. Obwohl keine echten Gase ideale Gase sind, zeigen die meisten diese idealen Eigenschaften unter normalen Bedingungen.
Beispiele aus der Praxis
Ein Beispiel für das Gesetz von Boyle in Aktion ist in einem Ballon zu sehen. Luft wird in den Ballon geblasen; Der Druck dieser Luft – ein Gas – drückt auf das Gummi, wodurch sich der Ballon ausdehnt. Wenn ein Ende des Ballons zusammengedrückt wird, wodurch das Volumen kleiner wird, erhöht sich der Druck im Inneren, wodurch sich der nicht zusammengedrückte Teil des Ballons ausdehnt. Es gibt jedoch eine Grenze, wie stark das Gas komprimiert werden kann, da der Druck schließlich so groß wird, dass der Ballon (oder ein beliebiger Behälter) zerbricht.
Ein anderes Beispiel ist eine Spritze zur Blutentnahme. Eine leere Spritze enthält eine feste Menge an Gas (Luft); Wenn der Kolben zurückgezogen wird, ohne dass das Nadelende in etwas eingeführt wurde, erhöht sich das Volumen des Röhrchens und der Druck sinkt, wodurch mehr Luft in das Röhrchen strömt, um den Druck auszugleichen. Wird die Spritze in eine Vene eingeführt und der Kolben zurückgezogen, fließt Blut in den Schlauch, da der Druck in der Vene höher ist als der Druck in der Spritze.
Eine andere Art, das Gesetz von Boyle zu beschreiben, ist, dass ein Gas, wenn es gedrückt wird, dazu neigt, zurückzustoßen. Ohne die massive Schwerkraft, die sie zusammenhält, würden die Gasplaneten des Sonnensystems schnell in alle Richtungen diffundieren und den Druck schnell verringern. In diesem Fall reguliert der Schwerkraftdruck das Volumen der Gase um diese Planeten.
Das Gesetz von Charles und Guy-Lussac
Die Umkehrung des Boyleschen Gesetzes ist das Gesetz von Charles und Gay-Lussac, benannt nach den beiden französischen Wissenschaftlern, die es entdeckt haben. Das Gesetz von Charles und Gay-Lussac zeigt, dass das Volumen eines Gases mit der Temperatur zu- oder abnimmt. Mathematisch formuliert sieht das Gesetz so aus:
V = konstant x T
In dieser Gleichung ist V = Volumen und T = Temperatur. Während sich das Gesetz von Boyle auf die konstante Temperatur und den sich ändernden Druck konzentriert, konzentriert sich das Gesetz von Charles und Gay-Lussac auf die sich ändernde Temperatur.