قانون بویل یک اصل اساسی در فیزیک است که رابطه بین فشار و حجم گاز را در دمای ثابت توصیف می کند. این یکی از قوانین گاز است که به ما کمک می کند بفهمیم گازها در شرایط مختلف چگونه رفتار می کنند.
قانون بویل بیان می کند که فشار یک مقدار معین گاز با حجم آن نسبت معکوس دارد وقتی دما ثابت نگه داشته شود. از نظر ریاضی، این رابطه را می توان به صورت زیر بیان کرد:
\( P \propto \frac{1}{V} \)یا به طور معادل:
\( P \cdot V = k \)جایی که:
این قانون اولین بار توسط رابرت بویل شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی-ایرلندی در قرن هفدهم تدوین شد. بویل آزمایشاتی را با استفاده از یک لوله J شکل انجام داد که در یک سر آن مهر و موم شده بود. او جیوه را از انتهای باز داخل لوله ریخت که مقدار ثابتی از هوا را در بازوی کوتاه و مهر و موم شده محبوس کرد. بویل با افزودن جیوه بیشتر و در نتیجه افزایش فشار روی گاز، مشاهده کرد که حجم گاز کاهش می یابد. بویل از طریق این آزمایشات دریافت که فشار اعمال شده توسط گاز با حجم آن نسبت معکوس دارد، مشروط بر اینکه دما ثابت بماند.
قانون بویل کاربردهای عملی زیادی در زندگی روزمره و زمینه های مختلف علمی دارد. در اینجا چند نمونه آورده شده است:
یک آزمایش ساده برای نشان دادن قانون بویل شامل یک سرنگ و یک گل ختمی است. قرار دادن گل ختمی در داخل سرنگ و آب بندی نازل سرنگ به شما این امکان را می دهد که با حرکت دادن پیستون، حجم داخل سرنگ را تغییر دهید. هنگامی که حجم کاهش می یابد، فشار داخل افزایش می یابد که مارشمالو را فشرده می کند. با افزایش حجم، فشار کاهش می یابد و گل ختمی منبسط می شود. این نمایش بصری رابطه معکوس بین فشار و حجم را همانطور که توسط قانون بویل توضیح داده شده است را نشان می دهد.
برای بررسی ریاضی قانون بویل، مثالی را در نظر بگیرید که در آن یک گاز حجم \(2 \, \textrm{L}\) را تحت فشار \(1 \, \textrm{دستگاه خودپرداز}\) اشغال می‌کند. اگر حجم به \(1 \, \textrm{L}\) کاهش یابد در حالی که دما ثابت بماند، می‌توانیم فشار جدید را با استفاده از قانون بویل محاسبه کنیم. با استفاده از معادله \( P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2 \) که \(P_1\) و \(V_1\) فشار و حجم اولیه هستند و \(P_2\) و \(V_2\) مقادیر فشار و حجم نهایی، به ترتیب، در می یابیم:
\( P_2 = \frac{P_1 \cdot V_1}{V_2} \)جایگزینی مقادیر داده شده:
\( P_2 = \frac{1 \, \textrm{دستگاه خودپرداز} \cdot 2 \, \textrm{L}}{1 \, \textrm{L}} = 2 \, \textrm{دستگاه خودپرداز} \)این نتیجه نشان می دهد که نصف شدن حجم گاز (با ثابت نگه داشتن دما) فشار آن را دو برابر می کند.
قانون بویل را می توان به صورت گرافیکی نیز تجسم کرد. وقتی رسم می شود، رابطه بین فشار و حجم گاز در دمای ثابت یک هذلولی است. اگر فشار روی محور y و حجم روی محور x رسم شود، منحنی پایین می‌آید و نشان می‌دهد که با افزایش حجم، فشار کاهش می‌یابد و بالعکس.
به طور مشابه، اگر حجم روی محور y را در برابر معکوس فشار روی محور x رسم کنیم، نتیجه یک خط مستقیم است که تناسب مستقیم بین حجم و معکوس فشار را نشان می‌دهد.
در حالی که قانون بویل یک اصل اساسی برای درک رفتار گازها است، با مفروضات خاصی همراه است:
در کاربردهای دنیای واقعی، گازها ممکن است همیشه رفتار ایده آل نداشته باشند، به خصوص در شرایط شدید فشار و دما. با این وجود، قانون بویل یک تقریب ارزشمند برای رفتار گازها در بسیاری از موقعیت های عملی ارائه می دهد.
قانون بویل سنگ بنای قوانین گاز است که توصیف روشنی از رابطه بین فشار و حجم گاز در شرایط دمای ثابت ارائه می دهد. برای درک و پیش‌بینی رفتار گازها در انواع کاربردهای علمی و دنیای واقعی ضروری است. از طریق معادلات ریاضی، نمایش‌های گرافیکی و آزمایش‌های ساده، می‌توانیم اهمیت قانون بویل را در دنیای فیزیکی کشف و درک کنیم.
