กฎของบอยล์ เป็นหลักการพื้นฐานในฟิสิกส์ที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรของก๊าซที่อุณหภูมิคงที่ เป็นหนึ่งในกฎของแก๊สที่ช่วยให้เราเข้าใจว่าก๊าซมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้สภาวะที่ต่างกัน
กฎของบอยล์ระบุว่าความดันของก๊าซในปริมาณที่กำหนดจะแปรผกผันกับปริมาตรของมันเมื่ออุณหภูมิคงที่ ในแง่คณิตศาสตร์ ความสัมพันธ์นี้สามารถแสดงได้เป็น:
\( P \propto \frac{1}{V} \)หรือเทียบเท่า:
\( P \cdot V = k \)ที่ไหน:
กฎหมายนี้คิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวแองโกล-ไอริช โรเบิร์ต บอยล์ ในศตวรรษที่ 17 บอยล์ทำการทดลองโดยใช้ท่อรูปตัว J ซึ่งปิดผนึกไว้ที่ปลายด้านหนึ่ง เขาเทสารปรอทลงในท่อจากปลายเปิด ซึ่งกักอากาศในปริมาณคงที่ไว้ในแขนสั้นที่ปิดสนิท บอยล์สังเกตว่าปริมาตรของแก๊สลดลงโดยการเติมปรอทเข้าไปและทำให้ความดันแก๊สเพิ่มขึ้น จากการทดลองเหล่านี้ บอยล์พบว่าความดันที่กระทำโดยก๊าซนั้นแปรผกผันกับปริมาตร โดยที่อุณหภูมิยังคงที่
กฎของบอยล์มีการนำไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันและในสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ มากมาย นี่คือตัวอย่างบางส่วน:
การทดลองง่ายๆ เพื่อสาธิตกฎของบอยล์ประกอบด้วยเข็มฉีดยาและมาร์ชแมลโลว์ การวางมาร์ชแมลโลว์ไว้ในกระบอกฉีดยาและปิดผนึกหัวฉีดของกระบอกฉีดยาช่วยให้คุณเปลี่ยนปริมาตรภายในกระบอกฉีดยาได้โดยการขยับลูกสูบ เมื่อปริมาตรลดลง ความดันภายในจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะบีบอัดมาร์ชแมลโลว์ เมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น ความดันจะลดลง และมาร์ชแมลโลว์จะขยายตัว การสาธิตด้วยภาพนี้แสดงให้เห็นความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างความดันและปริมาตรตามที่อธิบายไว้ในกฎของบอยล์
ในการสำรวจกฎของบอยล์ในทางคณิตศาสตร์ ลองพิจารณาตัวอย่างที่ก๊าซมีปริมาตร \(2 \, \textrm{ล}\) ภายใต้แรงกดดัน \(1 \, \textrm{ATM}\) ถ้าปริมาตรลดลงเหลือ \(1 \, \textrm{ล}\) ในขณะที่อุณหภูมิคงที่ เราสามารถคำนวณความดันใหม่โดยใช้กฎของบอยล์ ใช้สมการ \( P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2 \) โดยที่ \(P_1\) และ \(V_1\) คือความดันและปริมาตรเริ่มต้น และ \(P_2\) และ \(V_2\) คือ ความดันและปริมาตรสุดท้าย ตามลำดับ เราจะพบว่า:
\( P_2 = \frac{P_1 \cdot V_1}{V_2} \)แทนค่าที่กำหนด:
\( P_2 = \frac{1 \, \textrm{ATM} \cdot 2 \, \textrm{ล}}{1 \, \textrm{ล}} = 2 \, \textrm{ATM} \)ผลลัพธ์นี้บ่งชี้ว่าการลดปริมาตรของก๊าซลงครึ่งหนึ่ง (ในขณะที่รักษาอุณหภูมิให้คงที่) จะเพิ่มความดันเป็นสองเท่า
กฎของบอยล์สามารถแสดงเป็นภาพกราฟิกได้ เมื่อพล็อตแล้ว ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรของก๊าซที่อุณหภูมิคงที่จะเป็นไฮเปอร์โบลา ถ้าความดันถูกพล็อตบนแกน y และปริมาตรบนแกน x เส้นโค้งจะลดลง แสดงให้เห็นว่าเมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น ความดันจะลดลง และในทางกลับกัน
ในทำนองเดียวกัน หากเราพล็อตปริมาตรบนแกน y เทียบกับค่าผกผันของความดันบนแกน x ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นเส้นตรง ซึ่งแสดงสัดส่วนโดยตรงระหว่างปริมาตรกับค่าผกผันของความดัน
แม้ว่ากฎของบอยล์เป็นหลักการพื้นฐานในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของก๊าซ แต่ก็มาพร้อมกับสมมติฐานบางประการ:
ในการใช้งานจริง ก๊าซอาจทำงานได้ไม่ดีนักเสมอไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะความดันและอุณหภูมิที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม กฎของบอยล์ให้ค่าประมาณที่มีคุณค่าสำหรับพฤติกรรมของก๊าซในสถานการณ์จริงหลายๆ สถานการณ์
กฎของบอยล์เป็นรากฐานสำคัญของกฎก๊าซ โดยให้คำอธิบายที่ชัดเจนเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรของก๊าซภายใต้สภาวะอุณหภูมิคงที่ เป็นส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจและทำนายพฤติกรรมของก๊าซในการใช้งานทางวิทยาศาสตร์และในโลกแห่งความเป็นจริงที่หลากหลาย ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ การแสดงภาพกราฟิก และการทดลองง่ายๆ เราสามารถสำรวจและชื่นชมความสำคัญของกฎของบอยล์ในโลกทางกายภาพได้
