La loi de Boyle est une loi fondamentale en chimie décrivant le comportement d’un gaz maintenu à une température constante. La loi, découverte par Robert Boyle en 1662, stipule qu’à une température fixe, le volume de gaz est inversement proportionnel à la pression exercée par le gaz. En d’autres termes, lorsqu’un gaz est pompé dans un espace clos, il rétrécira pour s’adapter à cet espace, mais la pression que le gaz exerce sur le conteneur augmentera. La loi de Boyle peut s’écrire mathématiquement :
P x V = constante
Dans cette équation, P = pression et V = volume.
L’expérience de Boyle
Pour prouver la loi, Boyle a pompé de l’oxygène (un gaz) dans un tube de verre en forme de J scellé à une extrémité. À l’aide d’un brûleur pour maintenir l’oxygène à une température constante, il a ensuite versé différentes quantités de mercure dans le tube, ce qui a fait varier la pression sur l’oxygène. Il a constaté que plus il appliquait de pression, plus le volume d’oxygène était petit, et cette réduction se produisait à un taux constant.
La loi de Boyle concerne spécifiquement un gaz parfait, c’est-à-dire un gaz théorique composé de particules aléatoires qui n’interagissent pas. Bien qu’aucun gaz réel ne soit un gaz idéal, la plupart présentent ces caractéristiques idéales dans des conditions normales.
Exemples du monde réel
Un exemple de la loi de Boyle en action peut être vu dans un ballon. L’air est soufflé dans le ballon ; la pression de cet air – un gaz – pousse sur le caoutchouc, faisant gonfler le ballon. Si une extrémité du ballon est comprimée, ce qui réduit le volume, la pression à l’intérieur augmente, ce qui fait que la partie non comprimée du ballon se dilate. Cependant, il y a une limite à la quantité de gaz pouvant être comprimée, car finalement la pression devient si forte qu’elle provoque la rupture du ballon (ou de tout récipient).
Un autre exemple est une seringue pour prélever du sang. Une seringue vide contient une quantité fixe de gaz (air); si le piston est tiré en arrière sans que l’extrémité de l’aiguille ne soit insérée dans quoi que ce soit, le volume du tube augmentera et la pression diminuera, faisant entrer plus d’air dans le tube pour égaliser la pression. Si la seringue est insérée dans une veine et que le piston est retiré, le sang s’écoulera dans le tube car la pression dans la veine est supérieure à la pression dans la seringue.
Une autre façon de décrire la loi de Boyle est que lorsqu’il est poussé, un gaz a tendance à repousser. Sans l’énorme quantité de gravité qui les maintient ensemble, les planètes gazeuses du système solaire se diffuseraient rapidement dans toutes les directions, se dépressurisant rapidement. Dans ce cas, la pression de gravité régule le volume des gaz autour de ces planètes.
La loi de Charles et Guy-Lussac
L’inverse de la loi de Boyle est la loi de Charles et Gay-Lussac, du nom des deux scientifiques français qui l’ont découverte. La loi de Charles et Gay-Lussac montre que le volume d’un gaz augmente ou diminue en fonction de la température. Écrit mathématiquement, la loi ressemble à ceci :
V = constante x T
Dans cette équation, V = volume et T = température. Alors que la loi de Boyle se concentre sur la température constante et les changements de pression, la loi de Charles et Gay-Lussac se concentre sur les changements de température.