Boyleov zakon je temeljni princip u fizici koji opisuje odnos između tlaka i volumena plina pri konstantnoj temperaturi. To je jedan od zakona o plinu koji nam pomaže razumjeti kako se plinovi ponašaju u različitim uvjetima.
Boyleov zakon kaže da je tlak određene količine plina obrnuto proporcionalan njegovom volumenu kada se temperatura održava konstantnom. U matematičkom smislu, ovaj odnos se može izraziti kao:
\( P \propto \frac{1}{V} \)Ili, ekvivalentno:
\( P \cdot V = k \)gdje:
Zakon je prvi formulirao anglo-irski kemičar i fizičar Robert Boyle u 17. stoljeću. Boyle je proveo eksperimente koristeći cijev u obliku slova J, koja je bila zatvorena na jednom kraju. Ulio je živu u cijev s otvorenog kraja, koja je zarobila fiksnu količinu zraka u kratkom, zatvorenom kraku. Dodavanjem više žive i povećanjem pritiska na plin, Boyle je primijetio da se volumen plina smanjio. Ovim pokusima Boyle je otkrio da je tlak plina bio obrnuto proporcionalan njegovom volumenu, pod uvjetom da je temperatura ostala konstantna.
Boyleov zakon ima mnogo praktičnih primjena u svakodnevnom životu i raznim znanstvenim područjima. Evo nekoliko primjera:
Jednostavan eksperiment za demonstraciju Boyleovog zakona uključuje špricu i marshmallow. Stavljanje marshmallowa u štrcaljku i brtvljenje mlaznice štrcaljke omogućuje vam promjenu volumena unutar štrcaljke pomicanjem klipa. Kada se volumen smanji, pritisak u unutrašnjosti se povećava, što komprimira marshmallow. Kad se volumen povećava, tlak pada, a marshmallow se širi. Ova vizualna demonstracija ilustrira obrnuti odnos između tlaka i volumena kako je opisano Boyleovim zakonom.
Kako bismo matematički istražili Boyleov zakon, razmotrimo primjer gdje plin zauzima volumen od \(2 \, \textrm{L}\) pod pritiskom od \(1 \, \textrm{bankomat}\) . Ako se volumen smanji na \(1 \, \textrm{L}\) a temperatura se održava konstantnom, možemo izračunati novi tlak koristeći Boyleov zakon. Koristeći jednadžbu \( P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2 \) , gdje su \(P_1\) i \(V_1\) početni tlak i volumen, a \(P_2\) i \(V_2\) su konačni tlak i volumen, nalazimo:
\( P_2 = \frac{P_1 \cdot V_1}{V_2} \)Zamjena zadanih vrijednosti:
\( P_2 = \frac{1 \, \textrm{bankomat} \cdot 2 \, \textrm{L}}{1 \, \textrm{L}} = 2 \, \textrm{bankomat} \)Ovaj rezultat pokazuje da prepolovljenje volumena plina (uz održavanje konstantne temperature) udvostručuje njegov tlak.
Boyleov zakon se može prikazati i grafički. Kada se nacrta, odnos između tlaka i volumena plina pri konstantnoj temperaturi je hiperbola. Ako se tlak iscrta na y-osi, a volumen na x-osi, krivulja će se spuštati, što pokazuje da se s povećanjem volumena tlak smanjuje i obrnuto.
Slično, ako se nacrta volumen na y-osi u odnosu na obrnutu omjer tlaka na osi x, rezultat je ravna linija, koja prikazuje izravnu proporcionalnost između volumena i obrnute vrijednosti tlaka.
Dok je Boyleov zakon temeljno načelo za razumijevanje ponašanja plinova, dolazi s određenim pretpostavkama:
U stvarnim primjenama plinovi se možda neće uvijek ponašati idealno, osobito u ekstremnim uvjetima tlaka i temperature. Ipak, Boyleov zakon pruža vrijednu aproksimaciju ponašanja plinova u mnogim praktičnim situacijama.
Boyleov zakon kamen je temeljac zakona o plinu, koji daje jasan opis odnosa između tlaka i volumena plina u uvjetima konstantne temperature. Sastavni je dio razumijevanja i predviđanja ponašanja plinova u raznim znanstvenim i stvarnim primjenama. Kroz matematičke jednadžbe, grafičke prikaze i jednostavne pokuse možemo istražiti i cijeniti značaj Boyleovog zakona u fizičkom svijetu.
