![]() |
![]() |
|
![]() | ![]() |
Исследования законов идеального газа: Р. Бойль, Ж. Шарль, Ж.Л. Гей‑Люссак, Дж. Дальтон Современный взгляд термодинамики на идеальный неквантовый газ как термодинамическую систему описывается, пожалуй, двумя уравнениями, а именно термическим и калорическим уравнениями состояния: Первое выражение задает давление газа как функцию его
молярного объема
Закон Бойля–Мариотта, как обычно считается, был открыт
ирландским ученым Робертом Бойлем (1627–1691) в 1662 году и независимо от
него французским исследователем Эдме Мариоттом (1620–1684) четырьмя годами
позже. Этот закон утверждает, что давление идеального газа в изотермическом
процессе обратно пропорционально объему,
В своем классическом эксперименте Бойль использовал
J-образную трубку, запаянную с одного из концов. Если в такую трубку
налить ртуть, то в запаянном конце останется некоторое количество воздуха,
которое будет противостоять окончательному заполнению трубки ртутью
(см. рис. выше, слева). Бойль заметил, что высота этого столбика
уменьшается вдвое, если в результате доливания ртути ее уровень в правом колене
трубки увеличили на высоту атмосферного столба. Действительно, если вначале
ртути было достаточно мало, то в обоих коленах ее уровень был примерно
одинаковым, так что в силу закона Паскаля в воздушном закутке слева было
давление, близкое к атмосферному В другом опыте Бойля запаянная с одного конца трубка,
нагретая на огне, открытым концом вводилась в вертикальную колбу с ртутью
(см. рис. выше, справа). Когда трубка начинала охлаждаться, давление
воздуха в ней падало, и часть ртути засасывалось внутрь. Теперь, опуская
открытый конец трубки в колбу на разную глубину, можно было варьировать высоту
избыточного столба ртути Бойль выяснил, что это давление обратно пропорционально
высоте промежутка где поэтому вопрос остается в неизвестной зависимости
температуры где мы записали плотность через массу газа и его объем. Таким образом, Шарлем была получена прямая пропорциональность между объемом и температурой при заданном давлении (1787). Сам Шарль также сравнивал изменение объема (т.е расширение) различных газов при их нагревании при постоянном давлении и заключил, что коэффициент теплового расширения не зависит от природы газа и (фиксированного при нагреве)
давления. Последнее выражение позволяет сделать универсальный газовый
термометр, измеряющий абсолютную температуру напрямую. Действительно, при
увеличении температуры на Поскольку тепловое расширение газов активно изучалось различными учеными, закон Шарля был независимо от него открыт Жозефом Луи Гей–Люссаком (1778–1850) и Джоном Дальтоном (1766–1844). Более того, результаты Шарля 1787 года не были опубликованы, а стали известны благодаря тому, что Гей‑Люссак в своей работе 1802 года упомянул их, отдав приоритет открытия закона изобарного расширения Шарлю. Тем не менее, в русскоязычной литературе данный закон обычно называют законом Гей‑Люссака.
Зависимость давления от температуры при постоянном объеме была получена Гильомом Амонтоном (1663–1705) — изобретателем усовершенствованного газового термометра (1695). Впоследствии эта зависимость исследовалась Гей‑Люссаком и Шарлем, поэтому закон, описывающий изохорный процесс, также в разных работах называется по-разному (в русскоязычной литературе — законом Шарля). Амонтон также изучал законы теплового расширения, поэтому внес вклад и в установление законов изобарного процесса. Во многом благодаря его вкладу в термометрию стали возможны точные исследования в рамках термодинамики как таковые. Закон Шарля гласит, что при заданном объеме давление газа пропорционально температуре: Этот закон имеет важное значение в рамках кинетической теории газа. Действительно, в этой теории давление газа создается его молекулами, ударяющимися о стенки сосуда и отдающими им часть своего импульса. Считая, что движение молекул беспорядочно и изотропно, можно получить основное уравнение молекулярно-кинетической теории, связывающее давление газа с плотностью и среднеквадратичой скоростью его молекул: Иначе говоря, в правой части стоит плотность кинетической энергии, умноженная на две трети. В итоге из закона Шарля мы делаем вывод, что температура пропорциональна плотности кинетической энергии! Это объясняет, куда уходит энергия, затраченная на нагревание тела при постоянном объеме: в кинетическую энергию беспорядочного движения молекул! Таким образом, для идеального газа пробрасывается мостик между термическим и калорическим уравнениями состояни <<К предыдущему эксперименту | Молекулярная и статистическая физика | К следующему эксперименту>> |
|
![]() |
![]() |
![]() |