Hukum Boyle, P₁V₁ = P₂V₂, adalah hukum gas klasik tertua dan paling sederhana untuk digambarkan: memasukkan sejumlah gas ke dalam ruang yang lebih kecil, pada suhu yang sama, dan tekanannya naik dengan faktor yang sama persis dengan penyusutan volume. Artikel ini menjelaskan dari mana hubungan tersebut berasal, mengapa hubungan tersebut hanya bertahan pada suhu konstan, dan di mana hubungan tersebut muncul dalam kehidupan sehari-hari.
Dimana P₁V₁ = P₂V₂ berasal
Robert Boyle menggambarkan hubungan ini pada tahun 1662 setelah mengompresi udara yang terperangkap dalam tabung berbentuk J: menggandakan tekanan pada sejumlah gas akan mengurangi separuh volumenya, melipatgandakan tekanan akan mengurangi volume menjadi sepertiga, dan seterusnya. Pada tingkat molekuler, tekanan gas berasal dari molekul yang bertabrakan dengan dinding wadah. Pada suhu konstan, kecepatan rata-rata molekul tidak berubah, sehingga menekannya menjadi volume yang lebih kecil hanya akan menyebabkan lebih banyak tumbukan pada luas dinding yang sama per detik – tekanan meningkat sebanding dengan seberapa besar penyusutan volume. Itu sebabnya hasil kali P × V tetap konstan: ini adalah hukum Boyle, dan ini juga merupakan kasus khusus dari hukum gas ideal PV = nRT ketika jumlah gas (n) dan suhu (T) dijaga tetap, sehingga nRT menjadi konstanta tunggal k.
Mengapa suhu harus tetap konstan
Hukum Boyle bersifat isotermal. Jika suhu berubah seiring dengan perubahan tekanan dan volume, hubungan terbalik sederhana akan terputus — Anda memerlukan hukum gas gabungan (P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂) atau hukum gas ideal lengkap. Dalam praktiknya, hukum Boyle adalah perkiraan yang baik ketika gas dikompresi atau diperluas dengan cukup cepat, atau dalam ruang yang cukup kecil, sehingga panas tidak mempunyai waktu untuk keluar atau suhu lingkungan tetap stabil — piston digerakkan dengan tangan, jarum suntik, atau paru-paru penyelam mendekati suhu tubuh yang konstan. Jika ragu, periksa apakah prosesnya benar-benar isotermal sebelum menerapkan P₁V₁ = P₂V₂ sendiri.
Menjaga unit tetap konsisten
Hukum Boyle hanya membandingkan rasio, jadi satuan tekanan apa pun akan berfungsi selama P₁ dan P₂ menggunakannya, dan satuan volume apa pun akan berfungsi selama V₁ dan V₂ menggunakannya — Anda tidak memerlukan satuan SI seperti yang Anda lakukan untuk hukum gas ideal penuh. Kalkulator ini masih mengonversi semuanya ke satuan internal umum secara otomatis, jadi Anda bebas memasukkan P₁ dalam atm dan P₂ dalam psi, atau V₁ dalam liter dan membaca kembali V₂ dalam galon, dan mendapatkan jawaban yang benar.
Contoh dunia nyata
Hukum Boyle muncul di mana pun kantong gas mengalami perubahan volume. Pompa sepeda memampatkan udara untuk menggembungkan ban — semakin kecil volume langkah, semakin tinggi tekanannya. Paru-paru penyelam scuba dan ruang udara mana pun akan merasakan tekanan yang meningkat saat mereka turun, itulah sebabnya penyelam harus menyamakan telinga mereka dan tidak pernah menahan napas saat naik: saat tekanan turun saat naik, udara yang terperangkap akan mengembang dan dapat melukai paru-paru jika tidak dapat keluar. Balon cuaca melakukan hal sebaliknya, mengembang saat naik ke atmosfer atas yang bertekanan rendah hingga akhirnya meledak. Bahkan pernapasan sendiri bekerja dengan prinsip yang sama: melebarkan tulang rusuk akan menurunkan tekanan di dalam paru-paru relatif terhadap udara luar, sehingga menarik udara masuk.
Batasan: gas nyata dan hukum gas ideal
Hukum Boyle menggambarkan gas ideal — gas yang molekulnya diperlakukan sebagai partikel titik yang tidak saling tarik menarik satu sama lain. Gas nyata menyimpang dari tekanan ini pada tekanan yang sangat tinggi (di mana molekul-molekulnya tersusun cukup rapat sehingga volumenya menjadi penting) atau pada suhu di mana molekul-molekul tersebut mulai mengembun menjadi cairan. Untuk tekanan dan suhu sehari-hari, deviasinya cukup kecil untuk diabaikan. Dan karena hukum Boyle hanyalah potongan suhu konstan dari PV = nRT, hukum ini terhubung langsung ke kalkulator hukum gas ideal saat Anda juga perlu melacak perubahan jumlah atau suhu.