同學是否有把未開封的洋芋片 帶到高山上或是飛機上的經驗呢？ 你會發現在高山或飛機上的 洋芋片包裝變得鼓鼓的 你可能會覺得奇怪 說好的熱脹冷縮呢？ 高山或飛機上的氣溫 明明就比平地來得低 那包裝袋中的氣體為什麼會膨脹呢 由此 我們可以推測 除了溫度 一定還有其他因素 會影響氣體的體積大小 說到氣體的研究 一定要提到 英國科學家羅伯特·波以耳 波以耳出生在富裕的貴族家庭 從小就展現出 對各種知識的興趣與求知慾 他以系統性的量化實驗 推翻當時 人們認為萬物皆由風、火、水、土 四種元素所構成的「四元素說」 開創了化學這門學科 因而被後世稱為近代化學之父 他也提出了 人類史上第一個被發現的定律 也就是影片的主題：波以耳定律 在17世紀時 法國科學家製造了一個 中間裝有活塞的黃銅氣缸 發現壓下活塞使氣缸內的空氣壓縮 再鬆開活塞時 活塞總是無法彈回原本的位置 因此科學家們聲稱空氣不存在彈性 波以耳則認為活塞 之所以無法彈回原本的位置 是因為他們使用的活塞太緊了 為了證明自己的說法是正確的 波以耳製造了一根J型玻璃管 短的一端頂端密封 長的一端頂端開口 將水銀倒入J型管中 利用水銀堵住封閉短管中的空氣 也就是以水銀當做活塞 再加入更多水銀 壓縮封閉短管中的空氣 之後再將水銀抽出回到原本的量 結果發現封閉短管中的空氣 會回到原本的體積 由此證明了 法國科學家的想法是錯誤的 在剛才的內容中 同學是否覺得這根J型玻璃管 有些似曾相識呢? 沒錯 其實它類似之前 【觀念】氣體壓力的測量 影片中所提到的開口式壓力計 我們先用一個簡單的例題 讓同學複習一下 如何判讀開口式壓力計 左端空氣柱的氣體壓力值 假設大氣壓力為1 atm 封閉端的水銀面 比開口端的水銀面高10 cm 請問左端空氣的壓力為多少cmHg? 你算對了嗎？ 答案是66 cmHg 空氣壓力+10 cmHg=76 cmHg 空氣壓力=66 cmHg 波以耳使用他的得意實驗工具 J型玻璃管進行了更多實驗 波以耳在他的J型玻璃管中 加入水銀 直到玻璃管兩端的水銀面等高 並記下此時的氣體體積和壓力 接著繼續加入水銀 並逐步計下實驗數據 直到封閉端的空氣體積壓縮到 原本的一半 結果發現此時開口端的水銀面 比封閉端的水銀面高出76 cmHg 「76 cmHg!?」 這個數字聽起來有點耳熟啊 是的 這就是托里切利測得一大氣壓的數值 這代表當空氣的體積變為一半 氣體的壓力由 原本的1 atm變為2 atm 也就是變為兩倍 他繼續以兩端水銀面 不同的高度差值作為操縱變因 做了數十次實驗 發現實驗數據與溫度固定時 氣體的壓力與體積成反比的 假設相當一致 根據上面的實驗數據 波以耳發現： 如果以P 為縱軸 mmHg為單位、 V 為橫軸作圖 立方公分為單位 可得到畫面中的反比曲線 若是以P分之一為縱軸、 V為橫軸作圖 可得到畫面中的通過原點的 正比斜直線 並發現P和V相乘 所得的乘積會呈現定值 顯示氣體的壓力P與體積V 會呈現反比關係 根據實驗結果 波以耳在 1662 年提出： 「密閉容器中的定量氣體 在恆溫下 氣體的壓力與體積成反比關係 現在我們稱之為波以耳定律 這是第一個描述氣體運動的定律 為氣體的定量研究 與化學分析奠定了基礎 現在同學已經了解波以耳定律的內容 讓我們試著回答以下這個例題 定溫J型玻璃管以及水銀的高度 如畫面所示 假設大氣壓力為1 atm 封閉端的空氣柱體積為10立方公分 此時封閉端的水銀面 與開口端的水銀面等高 若繼續加入水銀 直到封閉端的空氣柱體積變為8立方公分 請問此時封閉端的氣體壓力為多少？ 你算對了嗎？ 答案是95 cmHg 利用波以耳定律 定溫下 定量氣體的壓力與體積乘積為定值 初始的氣體壓力為76 cmHg 體積為10立方公分高 後來的體積為8立方公分高 因此76×10 會等於 P×8 可算出 P=95 cmHg 接著更挑戰一點 請問此時封閉端的水銀面 與開口端的水銀面高度 相差多少cm? 答案是開口端會比封閉端高19 cm 前一個問題我們求出封閉端的 氣體壓力為95 cmHg 扣掉大氣壓力76 cmHg 可求得開口端的水銀面 會比封閉端的水銀面高出19 cm 還記得我們在最前面提到 未開封的洋芋片 帶到高山上或飛機上時 會發現洋芋片的包裝變得鼓鼓的 這個現象可以根據波以耳定律來解釋 氣壓與體積成反比 因此洋芋片包裝中的空氣 在氣壓較低的高山或飛機上 體積會增加 所以就變得鼓鼓的啦 生活中還有一些其他的現象 也與波以耳定律有關 例如將針頭堵住 用手壓針筒到一定程度後 便會無法繼續壓下去 這是因為針筒中的空氣體積減少 造成壓力增加 手施加的壓力比不過 針筒內氣體壓力時 便無法繼續壓縮針筒 人體的呼吸作用 也與波以耳定律有關 吸氣時 身體肌肉先將橫隔膜下降使胸腔擴大 造成胸腔內氣體壓力變小 因此空氣得以進入肺部 呼氣時則讓橫隔膜上升胸腔縮小 造成胸腔內氣體壓力變大 使氣體得以從肺部排出 我們一起來複習今天所學到的 1. 波以耳定律： 在定溫下 定量氣體的壓力與體積成反比 也就是壓力越大則體積越小 以數學式可表示為PV = K 2.常見可用波以耳定律 說明的例子包括： 呼吸作用時 橫膈膜的位置改變、 壓縮針筒時 針筒內壓力上升和飛機上升時 未開封零食包裝的體積變大等 最後讓我們一起動動腦 將氣球從地面施放到高空 結果會在高空變大漲破 請問為什麼會發生這種現象呢？ 歡迎在影片下方留言區 告訴我們你的答案 我們下次見