Опыт Шарля: газовые законы

1. Кем и когда проводился опыт, в чем состояла его цель

Первый газовый закон был открыт Робертом Бойлем и опубликован в 1660 г. в работе «Новые эксперименты, касающиеся воздушной пружины». Р. Бойль на основе тщательно поставленного количественного эксперимента доказал, что «упругости [давления] газа обратно пропорциональны объемам». В ходе исследований им была предпринята попытка количественно исследовать зависимость объема сжатого газа от температуры. Однако точных данных, подтверждающих эту зависимость, Р. Бойль не получил.

Исследования по расширению воздуха при нагревании проводил Г. Амонтон. Позднее аналогичные опыты ставили А. Вольта, Д. Дальтон, Дж. Пристли, Т. Соссюра и др.

Считается, что первые удовлетворительные измерения при исследовании теплового расширения газов получил в 1801 г. английский физик и химик Джон Дальтон (1766–1844 гг.). Он обнаружил, что кислород, водород и углекислый газ при нагревании вели себя одинаково.

Рис. 1. Схема установки Дальтона

По полученным результатам Д. Дальтон в чрезвычайно осторожной форме формулирует вывод: «В общем, я не вижу достаточной причины, мешающей нам заключить, что все «упругие» газы при одном и том же давлении одинаково расширяются при нагревании».

Аналогичный вывод получил Ж. Л. Гей-Люссак в 1802 г. Но его утверждение было более определенным, чем высказывание Д. Дальтона. Видимо, поэтому закон о тепловом расширении газов называют не именем Д. Дальтона, а именем Ж. Л. Гей-Люссака.

Прибор, которым пользовался Гей-Люссак, показан на Рис. 2. Газ, тщательно осушенный, находится в баллончике. В трубке находится капля ртути, запирающая газ. Трубки расположены горизонтально, поэтому изменения давления при расширении не происходит.

Рис. 2. Схема установки Гей-Люссака

Пятнадцатью годами раньше Гей-Люссака (в 1787 г.) исследования этого вопроса были, без какой бы то ни было публикации, предприняты французским физиком Жаком Шарлем (1746–1823 гг.). Шарль нашел, что кислород, азот, углекислый газ и воздух расширяются одинаково в интервале температур между 0 и 100 ºС. Гей-Люссак знал о работах коллеги и настоял на том, чтобы второй газовый закон носил имя Жака Александра Сезара Шарля. Следует отметить, что в некоторых странах, в том числе и в России, этот закон известен все же как закон Гей-Люссака. В публикациях по истории науки приоритет открытия третьего газового закона – закона изменения давления газа в зависимости от температуры – обычно не обсуждается. Исследованием этой зависимости, как и зависимости объема газа от температуры, занимались многие ученые, изучавшие свойства газов в XVII–XVIII столетиях. История открытия закона теплового расширения газов связана с историей изобретения и усовершенствования термометров.

Первым прибором для измерения «жары» и «холода» в теле является воздушный термоскоп Г. Галилея (1597 г.). Суть опыта, который послужил толчком к созданию термоскопа, состояла в следующем. Небольшую колбу, размером с яйцо, с длинным и тонким, как пшеничный стебель, горлышком, опущенным в чашу с водой, согревают руками. Если убрать руки, то вода из чаши, по мере остывания воздуха в колбе, начнет подниматься в горлышко. Бенедетто Кастелли, ученик Г. Галилея, в 1638 г. пишет: «Этот эффект вышеупомянутый синьор Галилей использовал для изготовления инструмента для определения степени жары и холода».

Эванджелиста Торричелли преобразовал воздушный термоскоп Г. Галилея в жидкостный (спиртовый) термометр. Термометр Э. Торричелли – так называемый «флорентийский термометр» – был очень удобен в использовании и поэтому получил в XVII веке всеобщее признание. Термометры этого типа были введены в Англии Р. Бойлем, они быстро распространились и во Франции.

Усовершенствованием воздушного термометра Г. Галилея занимался Г. Амонтон – французский физик, член Парижской академии наук (1699 г.). В 1702 г. он сконструировал термометр, очень похожий по своей принципиальной схеме на современный газовый. Термометр Г. Амонтона представлял собой U-образную стеклянную трубку, более короткое колено которой заканчивалось резервуаром, содержащим воздух. В длинное колено наливалась ртуть в количестве, необходимом для поддержания постоянства объема воздуха в резервуаре. По высоте столба ртути определялась температура воздуха в резервуаре.

Рис. 3. Термометр Амантона

Интересно отметить, что, работая с этим инструментом, именно Амонтон нашел прямо пропорциональную зависимость между температурой и давлением газа и пришел к понятию абсолютного нуля, который по его данным соответствовал температуре в –239,5 °С (1703 г.).

В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.

2. Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема опытной установки

Установки для опытов по исследованию зависимости давления газа от температуры при постоянном объеме были достаточно сложными.

Рис. 4. А – газовый термометр постоянного давления (Regnault). Б – газовый пирометр

Рассмотрим принципиальную схему экспериментальной установки для исследования зависимости давления газа от температуры при постоянном объеме. Основной частью такой установки является большая колба, в которой находился газ. Колба помещается в сосуд с водой. Об изменении давления газа можно судить по показаниям ртутного манометра, соединенного с колбой. Температура газа измеряется с помощью ртутного термометра.

Рис. 5. Современная установка для проверки закона Ж. Гей-Люссака в условиях школьной лаборатории

Ж. Шарль исследовал зависимость давления от температуры для следующих газов: кислород, азот, углекислый газ и воздух.

3. Порядок проведения опыта

Наполнив колбу тающим льдом, Шарль измерял давление, соответствующее температуре 0 ºС. Затем температура воды в большом сосуде менялась, что приводило к изменению высоты столба ртути в манометре. Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, Шарль отмечал температуру газа по термометру, а соответствующее давление – по манометру.

При проведении опыта влияние ряда факторов искажало ход эксперимента. Во-первых, вследствие нагревания, колба с газом частично меняла свой объем, соответственно строгое постоянство объема исследуемого газа не обеспечивалось. Во-вторых, газ, находящийся в так называемом «вредном пространстве» (в тонкой подводящей к манометру трубке), не нагревался так же, как в колбе. В-третьих, наличие в газе примесей (в частности, конденсирующихся паров) приводило к тому, что часть составляющих газ компонентов при повышении давления переходило в жидкое состояние. Действовали и другие факторы.

Попытки ученых исключить вредное воздействие побочных эффектов на ход эксперимента и приводили, как правило, к усложнению конструкции установки.

4. Основные результаты опыта

Опыты Ж. Шарля показали следующие результаты.

Приращение давления газа некоторой массы при нагревании на 1 ºС составило определенную часть α_pтого давления, которое имел газ при температуре 0 ºС. Таким образом, приращение давления оказалось пропорциональным приращению температуры.
Величину α_p называют температурным коэффициентом давления. Исследовав ряд газов, Шарль получил для них примерно одинаковое значение температурного коэффициента давления, а именно величину, равную примерно 1/273 ºС^–1.

Таким образом, давление некоторой массы газа при нагревании на 1 ºС при неизменном объеме увеличивается на 1/273 часть давления, которое эта масса газа имела при 0 ºС.

5. Объяснение результатов опыта

В современной формулировке этот закон звучит следующим образом:

При неизменном объеме отношение давления данной массы газа к его абсолютной температуре есть величина постоянная.

Математически закон Ж. Шарля можно записать в виде:

Закон Шарля может быть записан в виде:

где P₀ – давление газа при T = T₀ = 273,15 К (то есть при температуре 0 °С). Коэффициент, равный 1/273,15 К^–1, называют температурным коэффициентом давления.

На рисунке представлена зависимость давления данной массы газа от его температуры. Для различных температур газа расположение кривой зависимости на координатной плоскости различно. Изохоры, изображающие зависимость P от T для газа, который подчиняется закону Шарля, представляют собой прямые линии, располагающиеся на графике тем выше, чем меньше объем.

Рис. 6. Зависимость объема данной массы газа от его температуры для различных значений давления газа при изобарном процессе

Закон Шарля справедлив только для идеального газа. Он применим с определенной степенью точности к реальным газам при низких давлениях и невысоких температурах (например, атмосферный воздух, продукты сгорания в газовых двигателях и пр.)

Объяснение закону, установленному Шарлем, может быть дано с позиций молекулярно-кинетических представлений о строении вещества.

С точки зрения молекулярной теории возможны две причины увеличения давления данного газа: во-первых, может увеличиться число ударов молекул за единицу времени на единицу площади; во-вторых, возможно увеличение импульса, передаваемого при ударе стенки сосуда одной молекулой. И та, и другая причина требуют увеличения скорости молекул (при этом объем данной массы газа остается неизменным). Отсюда становится ясным, что повышение температуры газа как макрохарактеристики соответствует увеличению скорости беспорядочного движения молекул как характеристики микромира.

При очень высоких давлениях увеличивается взаимодействие между молекулами газа и наблюдаются отклонения от линейного закона Шарля.

Закон Шарля выводится как частный случай из уравнения Менделеева–Клапейрона: