Hukum Boyle

Hukum Boyle (kadang kala dirujuk sebagai Hukum Boyle-Mariotte) adalah satu daripada beberapa hukum gas dan kes khusus bagi hukum gas ideal ("ideal gas law). Hukum Boyle menggambarkan hubungkait kadar songsang antara tekanan dan isipadu mutlak gas, jika suhu dikekalkan sekata dalam sistem tertutup.^[1][2] Hukum ini dinamakan sempena ahli kimia dan fizik Robert Boyle, yang menerbitkan hukum asal pada tahun 1662.^[3] Hukum itu boleh dinyatakan seperti berikut:
Bagi jumlah tetap gas ideal dikekalkan pada suhu tetap, P [tekanan - "pressure"] dan V [Isipadu - volume] adalah berkadar songsang (ketika satu meningkat, yang lain menurun).^[2]

Sejarah

Hukum Boyle merupakan salah satu dari hukum gas. Hukum ini pertama kali disarankan dalam tahun 1662 oleh Robert Boyle yang bertindak balas terhadap cadangan oleh penolongnya John Townley, menjelaskan bahawa pada suhu malar, isipadu gas tetap adalah berkadar songsang dengan tekanan. Menurut Hukum Boyle, isoterma untuk gas adalah hiperbola, tetapi gas sahih mempunyai isoterma hiperbola hanya dalam had p menghampiri 0.
Hukum Boyle digunakan untuk meramalkan tekanan gas apabila isipadu berubah (atau sebaliknya).
Pernyataan Hukum Boyle:
pV = malar (n, T malar)
iaitu p ialah tekanan gas dan V ialah isipadu gas.

Hubungkait antara tekanan dan isipadu pertama kali disedari oleh dua ahli sains amateur, Richard Towneley dan Henry Power. Boyle mengesahkan jumpaan mereka melalui ujikaji dan menerbitkan keputusannya. Menurut Robert Gunther dan pihak berkuasa lain, pembantu Boyle, Robert Hooke, yang membina perkakasan ujikaji. Hukum Boyle berasaskan ujikaji dengan udara, yang dia anggap sebagai cecair zarah ketika rehat, berada antara spring halimunan kecil. Pada ketika itu udara masih dianggap satu daripada empat unzur, tetapi Boyle tidak menolaknya. Kemungkinan minat Boyle adalah untuk memahami udara sebagai unsur penting kehidupan ^[4]; dia menerbitkan contoh. pertumbuhan tumbuhan tanpa udara ^[5]. Ahli fizik Perancis Edme Mariotte (1620-1684) menjumpai hukum yang sama bebas dari Boyle pada tahun 1676, tetapi Boyle telahpun menerbitkan mengenainya pada 1662, dengan itu hukum ini boleh, tidak sepatutnya, dirujuk sebagai Mariotte atau hukum Boyle-Mariotte. Kemudian (1687) dalam Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica Newton menunjukkan secara mathematik bahawa sekiranya cecair elestik terdiri daripada jirim pada rehat, antaramana kuasa menolak menyongsang berkadar dengan jaraknya, isipadu akan menurut kadar dengan tekanan ^[6], tetapi treatise mathematik ini bukanlah penjelasan fizikal bagi hubungkait yang diperhatikan. Tetapi menggantikan teori statik, teori kinetik yang diperlukan, yang diberikan dua abad kemudian oleh Maxwell dan Boltzmann.

Tafsiran

Kaitan teori kinetik dan gas ideal

Hukum Boyle menyatakan bahawa pada suhu kekal bagi jisim tetap, tekanan mutlak dan isipadu gas berkadar secara menyongsang. Hukum ini juga boleh dinyatakan dalam bentuk berlainan sedikit, bahawa hasil tekanan dan isipadu mutlak kekal malar.
Kebanyakan gas bertindak seperti gas ideal pada tekanan dan suhu serdahana. Had teknologi pada abad ke 1600-an tidak mampu menghasilkan tekanan tinggi atau suhu rendah. Dengan itu, hukum ini tidak mungkin memiliki herotan pada masa diterbitkan. Ketika peningkatan dalam teknologi membenarkan tekanan lebih tinggi dan suhu lebih rendah, perbezaan natara kelakuan ideal gas mula menjadi jelas, dan kaitan antara suhu dan isipadu hanya boleh digambarkan dengan tepat menggunakan teori gas sebenar.^[7] Perbezaan digambarkan sebagao faktor boleh dimampat ("compressibility factor").
Robert Boyle (dan Edme Maria) menghasilkan hukum ini semata-mata berasaskan ujikaji. Hukum ini juga boleh dihasilkan secara teori berasaskan anggapan kewujudan atom dan molekul dan andaian mengenai pergerakan dan perlanggaran elestik sempurna (lihat teori kinetik gas). Rumusan ini mendapat tentangan hebat dikalangan masyarakat sains pada masa itu, kerana ia dilihat semata-mata teori ciptaan bagi mana tidak terdapat bukti yang boleh dilihat langsung.
Daniel Bernoulli pada tahun 1738 telah menghasilkan hukum Boyle dengan menggunakan hukum pergerakan Newton dengan penggunaan pada tahap molekul. Ia kekal terbiar sehingga sekitar 1845, apabila John Waterston menerbitkan kertas kerja membina pada aturan utama teori kinetik; ini ditolak oleh Royal Society of England. Kerja berikutnya oleh James Prescott Joule, Rudolf Clausius dan terutamanya oleh Ludwig Boltzmann mengukuhkan kedudukan teori kinetik gas dan membawa perhatian kepada kedua-dua teori Bernoulli dan Waterston.^[8]
Perdebatan antara penyokong Bertenaga ("Energetics") dan Atomik ("Atomism") mendorong kepada Boltzmann untuk menulis buku pada 1898, yang mendapat kritikan sehingga mendorongnya membunuh diri pada 1906.^[8] Albert Einstein pada 1905 menunjukkan bagaimana teori kinetik diguna pakai bagi pergerakan Brownian bagi zarah tergantung-cecair, yang disahkan pada tahun 1908 oleh Jean Perrin.^[8]

Persamaan

Persamaan mathematik bagi hukum Boyle adalah:

di mana:

p mewakili tekanan pada sistem.

V mewakili isipadu gas.

k mewakili nilai malar mewakili tekanan dan isipadu sistem.

Selagi suhu kekal malar jumlah tenaga diberikan kepada sistem tekal sepanjang operasinya dan dengan itu, secara teori, nilai k akan kekal sekata. Bagaimanapun, disebabkan hasilan tekanan ketika kuasa dikenakan secara sudut tepat ("perpendicular") dan kemungkinannya perlanggaran dengan jirim lain melalui teori perlanggaran ("collision theory"), pemberian tenaga pada permukaan mungkin tidak selamanya malar bagi nilai k seperti itu, tetapi akan memiliki had apabila pembezaan ("[[differential calculus") nilai tersebut melalui masa.
Memaksa peningkatan isipadu V pada jumlah tetap gas, mengekalkan gas pada suhu diukur pada awalnya, tekanan p mesti menurun menyongsang. Sama juga, mengurangkan isipadu gas meningkatkan tekanan.
Hukum Boyle digunakan bagi menjangka hasil memperkenalkan perubahan, pada isipadu dan tekanan sahaja, kepada jumlah tetap gas. Isipadu sebelum dan selepas dan tekanan pada jumlah tetap gas, di mana suhu sebelum dan selepas kekal sama (penyejukan dan pemanasan akan diperlukan bagi memenuhi syarat ini), dikaitkan dengan persamaan:

Hukum Boyle, Hukum Charles, dan Hukum Gay-Lussac membentuk gabungan hukum gas. Ketiga-tiga hukum gas bersama gabungan dengan hukum Avogadro boleh secara umum dianggap hukum gas ideal.