قانون بویل چیست و چه کسی آن را کشف کرد؟

قانون بویل در سال 1650 توسط رابرت بویل اRobert Boyle بداع شد. این کشف می‌گوید که  حجم گاز نسبت معکوس دارد با نیرویی که به آن فشار وارد می‌کند.

مفهومی که رابرت بویل کشف کرد (اکنون قانون بویل خوانده می‌شود) مبنای تمام اطلاعات کمی و تجزیه و تحلیل‌های شیمیایی گازهاست. این کشف نخستین فرمول کمی بود که رفتار گازها را شرح می‌داد. قانون بویل چنان در فهم شیمی موثر است که به هر دانش‌آموز مقدماتی علم شیمی یاد داده می‌شود.

بویل که محققی نابغه بود ثابت کرد که گازها از اتم‌ها تشکیل شده‌اند. درست مثل جامدات. اما در گاز، اتم‌ها از یکدیگر دور هستند و می‌توان آن‌ها را به هم فشرد. بویل از طریق آزمایش دنیای علم را متوجه وجود اتم‌ها کرد. نخستین بار این موضوع را دموکریتوس Democritus در 44 ق.م عنوان کرده بود.

رابرت بویل فرزند یکی از اعیان انگلیسی بود که عضو انجمن علمی محسوب می‌شد. در ۱6۶۲ و هنگام شرکت او در یکی از جلسات انجمن علمی، شخصی مقاله‌ای خواند که در آن به شرح آزمایشی در فرانسه می‌پرداخت که درباره فشار هوا بود. در قرن هفدهم بررسی و مطالعه درباره هوا متداول شده بود.

دانشمندان فرانسوی یک سیلندر برنجی ساخته بودند و روی آن پیستونی را محکم چفت کرده بودند. چند نفر با فشار، پیستون را به جلو هل داده و هوای درون آن را فشرده کرده بودند؛ بعد آن را رها ساخته بودند. پیستون به عقب بازگشته بود، اما نه به طور کامل. این آزمایش بارها تکرار شده بود اما پیستون هیچ‌گاه به طور کامل سر جای خود بازنگشته بود.

فرانسوی‌ها مدعی بودند که هوا به طور کامل فنری نیست و جهشی عمل نمی‌کند. هنگامی که آن را فشرده کنیم و بعد فشار را برداریم کاملاً به حالت اول باز نمی‌گردد.

رابرت بویل اعلام کرد که آزمایش فرانسوی‌ها هیچ چیز را ثابت نمی‌کند. پیستونی که آن‌ها درست کردند گویا زیادی محکم و خشک بوده و نمی‌توانسته به حالت اول باز گردد. (از طرفی این احتمال وجود داشت که اگر پیستون را شل می‌ساختند هوا از آن به بیرون نشت می‌کرد و آزمایش خراب می‌شد!)

بویل مدعی شد که می‌تواند پیستون بدون عیبی بسازد که نه زیادی محکم و نه زیادی شل باشد. او مدعی بود که این پیستون ثابت می‌کند که فرانسوی‌ها در اشتباه هستند.

دو هفته بعد بویل با لوله بزرگ شیشه‌ای در برابر انجمن ایستاد. لوله او به شکل U بود که یک طرف این U حدود ۹۰ سانت ارتفاع داشت و باریک بود. طرف دیگر کوتاه بود و بالای آن مهر و موم شده بود. طرف باریک باز بود.

بویل جیوه مایع را در لوله ریخت به طوری که از دو طرف کمی بالا آمد. اکنون حجم زیادی از هوا در طرف گشاد و پهن لوله قرار گرفته بود. بویل توضیح داد که وسیله او یک پیستون است و پیستون هر وسیله‌ای است که هوا را فشرده کند و هوای بالا قسمت پهن و بسته‌شده لوله اکنون در حالت فشرده قرار گرفته است. از آن‌جا که از جیوه برای فشردن هوا استفاده کرده بود. هیچ اصطکاکی – آن‌طور که در سیلندرهای فلزی فرانسوی‌ها ممکن وجود داشته باشد – وجود نداشت.

بویل وزن پیستون شیشه‌ای را اندازه گرفت و جایی که سطح جیوه زیر هوا ایستاده بود خطی کشید. بعد جیوه مایع را به لوله دراز و باریک اضافه کرد و لوله را پر نمود. سطح جیوه در قسمت لوله پهن بالا رفت. هوا در قسمت پهن فشرده شد تا حجم آن بر اثر فشار جیوه به نصف رسید.

در این حالت بویل خط دومی روی سطح شیشه کشید و حجم هوای فشرده شده را مشخص کرد.

سپس جیوه را از طریق شیری در انتهای لوله U خارج کرد تا پیستون جیوه به سطح قبلی رسید. وزن این جیوه برابر با مقدار جیوه اولیه بود. حجم هوا هم به اندازه قبلی رسید. معلوم شد که فرانسوی‌ها اشتباه کرده‌اند هوا خاصیت فنروار و جهشی دارد.

رابرت بویل آزمایش‌های خود را تکرار کرد و متوجه موضوع مهمی شد. هنگامی که فشار (وزن جیوه را) بر روی هوای محبوس در لوله پهن را دو برابر می‌کرد، حجم هوا نصف می‌شد. هنگامی که فشار را سه برابر کرد، حجم هوا به یک سوم کاهش پیدا کرد. تغییر در حجم هوا بر اثر فشرده شدن، همیشه متناسب بود با فشار وارده. یعنی هرگاه حجم فشار دو برابر شود حجم هوا نصف می‌شود؛ اگر فشار سه برابر شود حجم هوا یک سوم می‌گردد و الی آخر. این قانون به «قانون بویل» معروف شد. هیچ مفهوم دیگری به این اندازه برای بشر کاربرد نداشته است.