Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Анимация, демонстрирующая взаимосвязь между объемом и температурой
Часть серии по
Механика сплошной среды
Законы
Сохранение
Неравенства
Механика твердого тела
Гидравлическая механика
Жидкости
Жидкости
Газы
Плазма
Реология
  • Вязкоупругость
  • Реометрия
  • Реометр
Умные жидкости
  • Электрореологический
  • Магнитореологический
  • Феррожидкости
Ученые
  • Бернулли
  • Бойл
  • Коши
  • Чарльз
  • Эйлер
  • Гей-Люссак
  • Гук
  • Ньютон
  • Навье
  • Нолл
  • Паскаль
  • Стокса
  • Truesdell
  • v
  • т
  • е
Связь между законами Бойля , Шарля , Гей-Люссака , Авогадро , комбинированного и идеального газа с постоянной Больцмана k B =р/N A знак равно п R/N (в каждом законе свойства, обведенные кружком, являются переменными, а свойства, не обведенные кружком, считаются постоянными)

Закон Чарльза (также известный как закон объемов ) - это экспериментальный газовый закон, который описывает, как газы имеют тенденцию расширяться при нагревании . Современная формулировка закона Чарльза:

Когда давление на образец сухого газа поддерживается постоянным, температура Кельвина и объем будут прямо пропорциональны. [1]

Эта прямая пропорциональная зависимость может быть записана как:

Итак, это означает:

куда:

V - объем газа,

T - температура газа (измеряется в градусах Кельвина ),

а k - ненулевая константа .

Этот закон описывает, как газ расширяется при повышении температуры; наоборот, понижение температуры приведет к уменьшению объема. Для сравнения одного и того же вещества при двух разных наборах условий закон можно записать как:

Уравнение показывает, что с увеличением абсолютной температуры пропорционально увеличивается и объем газа.

История [ править ]

Закон был назван в честь ученого Жака Шарля , который сформулировал первоначальный закон в своей неопубликованной работе 1780-х годов.

В двух из серии из четырех эссе, представленных между 2 и 30 октября 1801 года [2], Джон Дальтон экспериментально продемонстрировал, что все газы и пары, которые он изучал, расширяются на одинаковую величину между двумя фиксированными температурами. Французский естествоиспытатель Жозеф Луи Гей-Люссак подтвердил открытие в презентации французского Национального института 31 января 1802, [3] , хотя он приписывает открытие в неопубликованную работу с 1780 - х по Жаку Шарлю . Основные принципы уже были описаны Гийомом Амонтоном [4] и Фрэнсисом Хоксби [5] столетием ранее.

Дальтон был первым, кто продемонстрировал, что закон применим вообще ко всем газам и к парам летучих жидкостей, если температура была значительно выше точки кипения. Гей-Люссак согласился. [6] С измерениями только в двух термометрических фиксированных точках воды Гей-Люссак не смог показать, что уравнение, связывающее объем с температурой, является линейной функцией. Только по математическим причинам статья Гей-Люссака не допускает назначения какого-либо закона, устанавливающего линейную связь. Основные выводы Дальтона и Гей-Люссака можно математически выразить следующим образом:

где V 100 - объем, занимаемый данной пробой газа при 100 ° C; V 0 - объем, занимаемый той же пробой газа при 0 ° C; и к является константой , которая является одинаковой для всех газов при постоянном давлении. Это уравнение не содержит температуры и поэтому не имеет ничего общего с тем, что стало известно как закон Чарльза. Значение Гей-Люссак для к ( 1 / 2,6666 ), было идентично ранее значение Дальтона для паров и удивительно близко к значению современного из 1 / 2.7315. Гей-Люссак назвал это уравнение неопубликованными заявлениями своего соотечественника, гражданина-республиканца Дж. Чарльза в 1787 году. Ввиду отсутствия твердой записи газовый закон, связывающий объем с температурой, не может быть назван в честь Чарльза. Измерения Дальтона имели гораздо больший охват в отношении температуры, чем измерения Гей-Люссака, не только измерения объема в фиксированных точках воды, но также и в двух промежуточных точках. Не зная о неточностях ртутных термометров в то время, которые были разделены на равные части между фиксированными точками, Дальтон, сделав вывод в эссе II, что в случае паров «любая эластичная жидкость почти равномерно расширяется на 1370 или 1380». частей на 180 градусов тепла », не смог подтвердить это для газов.

Отношение к абсолютному нулю [ править ]

Закон Чарльза, по-видимому, подразумевает, что объем газа будет уменьшаться до нуля при определенной температуре (−266,66 ° C по данным Гей-Люссака) или −273,15 ° C. Гей-Люссак ясно дал понять, что закон неприменим при низких температурах:

но я могу упомянуть, что этот последний вывод не может быть верным, если только сжатые пары остаются полностью в упругом состоянии; для этого необходимо, чтобы их температура была достаточно высокой, чтобы они могли противостоять давлению, которое заставляет их переходить в жидкое состояние. [3]

При абсолютном нуле температуры газ обладает нулевой энергией и, следовательно, молекулы ограничивают движение. Гей-Люссак не имел опыта работы с жидким воздухом (впервые полученным в 1877 году), хотя он, кажется, полагал (как и Дальтон), что «постоянные газы», ​​такие как воздух и водород, могут быть сжижены. Гей-Люссак также работал с парами летучих жидкостей, демонстрируя закон Чарльза, и знал, что этот закон не применяется чуть выше точки кипения жидкости:

Я могу, однако, заметить, что когда температура эфира лишь немного превышает его точку кипения, его конденсация происходит немного быстрее, чем у атмосферного воздуха. Этот факт связан с явлением, которое проявляется очень многими телами при переходе из жидкости в твердое состояние, но которое больше не ощущается при температурах на несколько градусов выше той, при которой происходит переход. [3]

Первое упоминание о температуре, при которой объем газа может опуститься до нуля, было сделано Уильямом Томсоном (позже известным как лорд Кельвин) в 1848 году: [7]

Это то, что мы можем ожидать, когда размышляем о том, что бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов ниже нуля на воздушном термометре; поскольку, если мы достаточно далеко продвинем строгий принцип градуировки, изложенный выше, мы должны прийти к точке, соответствующей уменьшению объема воздуха до нуля, которая будет отмечена как -273 ° шкалы (-100 / 0,366. , если 0,366 - коэффициент расширения); и поэтому -273 ° воздушного термометра - это точка, которая не может быть достигнута при любой конечной температуре, какой бы низкой она ни была.

Однако «абсолютный ноль» на шкале температур Кельвина был первоначально определен в терминах второго закона термодинамики , который сам Томсон описал в 1852 году. [8] Томсон не предполагал, что это равняется «точке нулевого объема». закона Чарльза просто то, что закон Чарльза предусматривал минимальную температуру, которая могла быть достигнута. Их эквивалентность можно показать с помощью статистического взгляда на энтропию Людвига Больцмана (1870 г.).

Однако Чарльз также заявил:

Объем фиксированной массы сухого газа увеличивается или уменьшается на 1 / 273 - кратный объем при 0 ° С в течение каждого 1 ° C повышения или понижения температуры. Таким образом:
где V T - объем газа при температуре T , V 0 - объем при 0 ° C.

Отношение к кинетической теории [ править ]

Кинетическая теория газов связывает макроскопические свойства газов, такие как давление и объем, на микроскопические свойства молекул, составляющие газ, в частности , массу и скорость молекул. Чтобы вывести закон Чарльза из кинетической теории, необходимо иметь микроскопическое определение температуры: его можно удобно принять как температуру, пропорциональную средней кинетической энергии молекул газа E k :

Согласно этому определению, демонстрация закона Чарльза почти тривиальна. Кинетическая теория, эквивалентная закону идеального газа, связывает PV со средней кинетической энергией:

См. Также [ править ]

  • Закон Бойля  - соотношение между давлением и объемом в газе при постоянной температуре
  • Комбинированный газовый закон  - комбинация газовых законов Шарля, Бойля и Гей-Люссака
  • Закон Гей-Люссака  - взаимосвязь между давлением и температурой газа при постоянном объеме.
  • Закон Авогадро  - соотношение между объемом и числом молей газа при постоянной температуре и давлении.
  • Закон идеального газа  - Уравнение состояния гипотетического идеального газа.
  • Ручной бойлер
  • Тепловое расширение  - тенденция вещества к изменению объема в ответ на изменение температуры.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Фуллик, P. (1994), физика , Heinemann, стр. 141-42, ISBN 978-0-435-57078-1.
  2. ^ Дж. Далтон (1802), «Эссе II. О силе пара или пара в воде и различных других жидкостях, как в вакууме, так и в воздухе» и Эссе IV. «О расширении упругих жидкостей под действием тепла», Мемуары Литературно-философского общества Манчестера , т. 8, пт. 2. С. 550–74, 595–602.
  3. ^ a b c Гей-Люссак, JL (1802), "Recherches sur la dilatation des gaz et des vapeurs" [Исследования по расширению газов и паров], Annales de Chimie , 43 : 137–75. Английский перевод (отрывок).
    На странице 157 Гей-Люссак упоминает неопубликованные находки Шарля: « Avant d'aller plus loin, je dois prévenir que quoique j'eusse reconnu un grand nombre de fois que les gaz oxigène, azote, hydrogène et acide carbonique, et l 'air atmosphérique se dilatent également depuis 0 ° jusqu'a 80 °, le cit. Charles avait remarqué depuis 15 ans la même propriété dans ces gaz; mais n'avant jamais publié ses résultats, c'est par le plus grand hasard que je je les ai connus. »(Прежде чем продолжить, я должен сообщить [вам], что, хотя я много раз осознавал, что газы кислород, азот, водород и углекислота [т.е. углекислый газ] и атмосферный воздух также расширяются от 0 ° до 80 ° Гражданин Чарльз 15 лет назад заметил то же свойство в этих газах; но, так и не опубликовав свои результаты, я по чистой случайности знал о них.)
  4. ^ См .:
    • Amontons, G. (представлен в 1699 г., опубликован в 1732 г.) "Moyens de substituer product l'action du feu à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines" (Способы удобной замены действия огня на силу людей и лошадей. приводить в действие машины), Mémoires de l'Académie des Sciences de Paris (представлено в 1699 г., опубликовано в 1732 г.), 112–26; см. особенно стр. 113–17.
    • Амонтонс, Г. (представлен в 1702 г., опубликован в 1743 г.) "Discours sur quelques propriétés de l'Air, & le moyen d'en connoître la température dans tous les climats de la Terre" (Рассуждения о некоторых свойствах воздуха и о способах его использования). зная температуру во всех климатах Земли), Mémoires de l'Académie des Sciences de Paris , 155–74.
    • Обзор результатов Амонтона: «Sur une nouvelle proprieté de l'air, et une nouvelle construction de Thermométre» (О новом свойстве воздуха и новой конструкции термометра), Histoire de l'Academie royale des Sciences , 1– 8 (подано: 1702; опубликовано: 1743).
  5. ^ * Англичанин Хоксби (1660-1713) независимо другдруга также обнаружил закон Чарльза: Хоксби (1708) «Учет эксперимента касаясь различными плотностями воздуха, от наибольшего природного тепла в максимально естественный холод в этом климате,» архивация 2015-12-14 в Философских трудах Wayback Machine Лондонского королевского общества 26 (315): 93–96.
  6. ↑ Гей-Люссак (1802), со стр. 166 :
    " Si l'on divise l'augmentation totale de volume par le nombre de degrés qui l'ont produite ou par 80, on Trouvera, en faisant le volume à la température 0 égal à l'unité, que l'augmentation de volume pour chaque degré est de 1 / 223.33 ou bien de 1 / 266.66 pour chaque degré du thermomètre centrigrade. "
    Если разделить общее увеличение объема на количество градусов, которые его производят, или на 80, можно будет найти, сделав объем при температуре 0 равен единице (1), то увеличение объема на каждый градус составляет 1 / 223,33 или 1 / 266,66 для каждого градуса термометра по Цельсию.
    С п. 174 :
    "… Elle nous porte, par conséquent, à conclure que tous les gaz et toutes les vapeurs se расширяющаяся игра с помощью mêmes degrés de chaleur. «
    … Это приводит нас, следовательно, к выводу, что все газы и все пары расширяются одинаково [под воздействием] одинаковой степени тепла.
  7. ^ Томсон, Уильям (1848), «На абсолютной термометрической шкале, основанной на теории движущей силы тепла Карно и рассчитанной на основе наблюдений Реньо» , Philosophical Magazine : 100–06.
  8. ^ Томсон, Уильям (1852), "О динамической теории тепла, с численными результатами, выведенными из эквивалента тепловой единицы мистера Джоуля и наблюдений М. Реньо над паром", Philosophical Magazine , 4. Извлекать.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Крёниг, А. (1856), "Grundzüge einer Theorie der Gase" , Annalen der Physik , 99 (10): 315–22, Bibcode : 1856AnP ... 175..315K , doi : 10.1002 / andp.18561751008. Факсимиле в Национальной библиотеке Франции (стр. 315–22).
  • Клаузиус, Р. (1857), «Ueber die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen» , Annalen der Physik und Chemie , 176 (3): 353–79, Bibcode : 1857AnP ... 176..353C , doi : 10.1002 /andp.18571760302. Факсимиле в Национальной библиотеке Франции (стр. 353–79).
  • Жозеф Луи Гей-Люссак - Лист сообщений , заархивированный с оригинала 23 октября 2005 г.. (На французском)

Внешние ссылки [ править ]

  • Моделирование закона Чарльза из колледжа Дэвидсона, Дэвидсон, Северная Каролина
  • Демонстрация закона Чарльза, проведенная профессором Робертом Бурком, Карлтонский университет , Оттава, Канада
  • Анимация закона Чарльза из проекта Леонардо (GTEP / CCHS , Великобритания)