La legge di Boyle è una legge fondamentale della chimica che descrive il comportamento di un gas tenuto a temperatura costante. La legge, scoperta da Robert Boyle nel 1662, afferma che a una temperatura fissa, il volume del gas è inversamente proporzionale alla pressione esercitata dal gas. In altre parole, quando un gas viene pompato in uno spazio chiuso, si restringerà per adattarsi a quello spazio, ma la pressione che il gas esercita sul contenitore aumenterà. La legge di Boyle può essere scritta matematicamente:
P x V = costante
In questa equazione, P = pressione e V = volume.
L’esperimento di Boyle
Per dimostrare la legge, Boyle ha pompato ossigeno (un gas) in un tubo di vetro a forma di J che era sigillato a un’estremità. Usando un bruciatore per mantenere l’ossigeno a una temperatura costante, ha poi versato diverse quantità di mercurio nel tubo, che ha variato la pressione sull’ossigeno. Scoprì che più pressione applicava, minore era il volume dell’ossigeno e questa riduzione avveniva a una velocità costante.
La legge di Boyle si riferisce specificamente a un gas ideale, ovvero un gas teorico composto da particelle casuali che non interagiscono. Sebbene nessun gas reale sia un gas ideale, la maggior parte mostra queste caratteristiche ideali in condizioni normali.
Esempi del mondo reale
Un esempio della legge di Boyle in azione può essere visto in un pallone. L’aria viene soffiata nel pallone; la pressione di quell’aria – un gas – spinge sulla gomma, facendo espandere il pallone. Se un’estremità del palloncino viene schiacciata, riducendo il volume, la pressione all’interno aumenta, facendo espandere la parte non schiacciata del palloncino. C’è un limite a quanto il gas può essere compresso, tuttavia, perché alla fine la pressione diventa così grande da causare la rottura del palloncino (o di qualsiasi contenitore).
Un esempio diverso è una siringa per prelevare il sangue. Una siringa vuota contiene una quantità fissa di gas (aria); se lo stantuffo viene tirato indietro senza che l’estremità dell’ago sia inserita in qualcosa, il volume del tubo aumenterà e la pressione diminuirà, facendo entrare più aria nel tubo per equalizzare la pressione. Se la siringa viene inserita in una vena e lo stantuffo tirato indietro, il sangue scorrerà nel tubo poiché la pressione nella vena è superiore alla pressione nella siringa.
Un altro modo per descrivere la legge di Boyle è che quando viene spinto, un gas tende a respingere. Senza l’enorme quantità di gravità che li tiene insieme, i pianeti gassosi del sistema solare si diffonderebbero rapidamente in tutte le direzioni, depressurizzandosi rapidamente. In questo caso, la pressione di gravità regola il volume dei gas attorno a questi pianeti.
La legge di Charles e Guy-Lussac
L’inverso della legge di Boyle è la legge di Charles e Gay-Lussac, dal nome dei due scienziati francesi che la scoprirono. La legge di Charles e Gay-Lussac mostra che il volume di un gas aumenta o diminuisce in base alla temperatura. Scritta matematicamente, la legge si presenta così:
V = costante x T
In questa equazione, V = volume e T = temperatura. Mentre la legge di Boyle si concentra sulla temperatura costante e sul cambiamento della pressione, la legge di Charles e Gay-Lussac si concentra sul cambiamento della temperatura.