Robert Boyle, um químico irlandês que viveu de 1627 a 1691, foi a primeira pessoa a relacionar o volume de um gás em um espaço confinado com o volume que ocupa. Ele descobriu que se você aumentar a pressão (P) em uma quantidade fixa de gás a uma temperatura constante, o volume (V) diminui de tal forma que o produto de pressão e volume permanece constante. Se você diminuir a pressão, o volume aumenta. Em termos matemáticos: PV = C, onde C é uma constante. Essa relação, conhecida como Lei de Boyle, é um dos pilares da química. Por que isso acontece? A resposta usual para essa pergunta envolve a conceituação de um gás como uma coleção de partículas microscópicas de movimento livre.

TL; DR (muito longo; não leu)

A pressão de um gás varia inversamente com o volume porque as partículas de gás têm uma quantidade constante de energia cinética a uma temperatura fixa.

Um gás ideal

A Lei de Boyle é um dos precursores da lei dos gases ideais, que afirma que PV = nRT, onde n é a massa do gás, T é a temperatura e R é a constante do gás. A lei dos gases ideais, como a Lei de Boyle, tecnicamente só é verdadeira para um gás ideal, embora ambos os relacionamentos forneçam boas aproximações a situações reais. Um gás ideal tem duas características que nunca ocorrem na vida real. A primeira é que as partículas de gás são 100% elásticas e, quando batem umas nas outras ou nas paredes do recipiente, não perdem energia. A segunda característica é que as partículas de gás ideais não ocupam espaço. Eles são essencialmente pontos matemáticos sem extensão. Os átomos e moléculas reais são infinitesimamente pequenos, mas ocupam o espaço.

O que cria pressão?

Você pode entender como um gás exerce pressão sobre as paredes de um recipiente somente se você não usa Assuma que eles não têm extensão no espaço. Uma partícula de gás real não tem apenas massa, tem energia de movimento ou energia cinética. Quando você coloca um grande número dessas partículas juntas em um recipiente, a energia que elas transmitem às paredes do recipiente cria pressão nas paredes, e essa é a pressão a que se refere a Lei de Boyle. Supondo que as partículas sejam de outra forma ideais, elas continuarão a exercer a mesma quantidade de pressão nas paredes, desde que a temperatura e o número total de partículas permaneçam constantes, e você não modifique o recipiente. Em outras palavras, se T, n e V são constantes, então a lei dos gases ideais (PV = nRT) nos diz que P é constante.

Altera Volume e Você Altera Pressão

Agora suponha você permite que o volume do contêiner aumente. As partículas precisam ir mais longe em sua jornada até as paredes do contêiner e, antes de alcançá-las, provavelmente sofrerão mais colisões com outras partículas. O resultado geral é que menos partículas atingem as paredes do contêiner e aquelas que o produzem têm menos energia cinética. Embora seja impossível rastrear partículas individuais em um contêiner, porque elas são numeradas na ordem de 10 ^{23, podemos observar o efeito geral. Esse efeito, como registrado por Boyle e milhares de pesquisadores depois dele, é que a pressão nas paredes diminui.}

Na situação inversa, as partículas se amontoam quando você diminui o volume. Enquanto a temperatura permanece constante, eles têm a mesma energia cinética, e mais deles atingem as paredes com mais freqüência, então a pressão aumenta.