Закон шарля определение и формула. 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.

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.

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.

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.).

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.

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.

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 p того 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. Основные результаты опыта

В современной формулировке этот закон звучит следующим образом.

Математически закон Ж. Шарля можно записать в виде:

где P 0 – давление газа при T = T 0 = 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.

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:

где k = 1,38 Дж/К – постоянная Больцмана.

Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.

1. Изохорический процесс . Закон Шарля. V = const.

Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V . Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля :

При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: P/Т = const.

График изохорического процесса на РV -диаграмме называется изохорой . Полезно знать график изохорического процесса на РТ - и VT -диаграммах (рис. 1.6). Уравнение изохоры:

Где Р 0 – давление при 0 °С, α - температурный коэффициент давления газа равный 1/273 град -1 . График такой зависимости на Рt -диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 1.7.

Рис. 1.7

2. Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const.

Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р . Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака :

При постоянном давлении и неизменных значениях массы и газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.

График изобарического процесса на VT -диаграмме называется изобарой . Полезно знать графики изобарического процесса на РV - и РT -диаграммах (рис. 1.8).

Рис. 1.8

Уравнение изобары:

Где α =1/273 град -1 - температурный коэффициент объёмного расширения . График такой зависимости на Vt диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 1.9.

Рис. 1.9

3. Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. T = const.

Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т.

Поведение идеального газа при изотермическом процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта:

При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.

График изотермического процесса на РV -диаграмме называется изотермой . Полезно знать графики изотермического процесса на VT - и РT -диаграммах (рис. 1.10).

Рис. 1.10

Уравнение изотермы:

4. Адиабатический процесс (изоэнтропийный):

Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.

5. Политропический процесс. Процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропический процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов.

6. Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится N A =6,02·10 23 молекул (число Авогадро).

7. Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений Р, входящих в неё газов:

(1.4.6)

Парциальное давление Pn – давление, которое оказывал бы данный газ, если бы он один занимал весь объем.

При , давление смеси газов.

При постоянном давлении объем газа пропорционален его температуре.

Один из пионеров воздухоплавания Жак Александр Сезар Шарль пришел в науку в результате своего увлечения строительством монгольфьеров — больших воздушных шаров, заполненных разогретым воздухом, — которые тогда только-только появились. Я беседовал с современными пилотами воздушных шаров, и они утверждают, что их конструкция с использованием открытой газовой горелки, разработанная Шарлем более двух столетий назад, не претерпела принципиальных изменений и используется до наших дней. Ничего удивительного в том, что научные интересы Шарля лежали в области исследования свойств газов, стало быть, нет. Закон, носящий его имя, Шарль сформулировал в 1787 году после ряда опытов с кислородом, азотом, водородом и углекислым газом.

Чтобы понять смысл закона Шарля, представьте себе газ как скопление быстро движущихся и соударяющихся молекул. Давление газа определяется ударами молекул о стенки сосуда: чем больше ударов, тем выше давление. Например, молекулы воздуха в комнате, где вы находитесь, оказывают на поверхность вашего тела давление 101 325 паскалей (или 1 бар, если речь идет о метеорологии).

Чтобы понять закон Шарля, представьте себе воздух внутри воздушного шарика. При постоянной температуре воздух в шарике будет расширяться или сжиматься, пока давление, производимое его молекулами, не достигнет 101 325 паскалей и не сравняется с атмосферным давлением. Иными словами, пока на каждый удар молекулы воздуха извне, направленный внутрь шарика, не будет приходиться аналогичный удар молекулы воздуха, направленный изнутри шарика вовне. Если понизить температуру воздуха в шарике (например, положив его в большой холодильник), молекулы внутри шарика станут двигаться медленнее, менее энергично ударяя изнутри о стенки шарика. Молекулы наружного воздуха тогда будут сильнее давить на шарик, сжимая его, в результате объем газа внутри шарика будет уменьшаться. Это будет происходить до тех пор, пока увеличение плотности газа не компенсирует понизившуюся температуру, и тогда опять установится равновесие.

Закон Шарля, наряду с другими газовыми законами, лег в основу уравнения состояния идеального газа , описывающего соотношение давления, объема и температуры газа с количеством вещества..

Jacques Alexandre César Charles, 1746-1823

Французский физик, химик, инженер и воздухоплаватель. Родился в Божанси (Beaugency). В молодости служил чиновником в Министерстве финансов в Париже. Заинтересовавшись воздухоплаванием, разработал монгольфьеры современной конструкции, подъемная сила которых обусловлена расширением нагретого горелкой воздуха внутри шара. Он же одним из первых стал наполнять воздушные шары водородом (который во много раз легче воздуха и обеспечивает значительно большую подъемную силу, нежели горячий воздух), установив благодаря этому рекорды высоты подъема (более 3 000 м) и дальности полета (43 км). Именно занятия воздухоплаванием заставили Шарля заинтересоваться исследованиями свойств газов.

Зако́н Ша́рля или второй закон Гей-Люссака - один из основных газовых законов, описывающий соотношение давления и температуры для идеального газа. Экспериментальным путём зависимость давления газа от температуры при постоянном объёме установлена в 1787 году Шарлем и уточнена Гей-Люссаком в 1802 году.

Неоднозначность терминологии [ | ]

В русско- и англоязычной научной литературе существуют некоторые различия в наименовании законов, связанных с именем Гей-Люссака. Эти различия представлены в следующей таблице:

Формулировка закона [ | ]

Формулировка закона Шарля следующая:

Давление газа фиксированной массы и фиксированного объёма прямо пропорционально абсолютной температуре газа.

Проще говоря, если температура газа увеличивается, то и его давление тоже увеличивается, если при этом масса и объём газа остаются неизменными.Закон имеет особенно простой математический вид, если температура измеряется по абсолютной шкале, например, в кельвинах . Математически закон записывают так:

Этот закон справедлив, поскольку температура является мерой средней кинетической энергии вещества. Если кинетическая энергия газа увеличивается, его частицы сталкиваются со стенками сосуда быстрее, тем самым создавая более высокое давление.

Для сравнения того же вещества при двух различных условиях, закон можно записать в виде:

Закон Амонтона о давлении и температуре: закон давления, описанный выше, должен быть на самом деле приписан Гильому Амонтону , который в начале XVIII века (точнее между 1700 и 1702 годом ) обнаружил, что давление фиксированной массы газа, поддерживаемого при постоянном объёме, пропорционально его температуре. Амонтон обнаружил это при постройке «воздушного термометра». Называть этот закон законом Гей-Люссака просто некорректно, поскольку Гей-Люссак исследовал взаимосвязь между объёмом и температурой, а не давлением и температурой.

Закон Шарля был известен как закон Шарля и Гей-Люссака, поскольку Гей-Люссак опубликовал его в 1802 году с использованием по большей части неопубликованных с 1787 года данных Шарля. Закон Гей-Люссака, закон Шарля и закон Бойля - Мариотта все вместе образуют объединённый газовый закон. В сочетании с

Неоднозначность терминологии

В русско- и англоязычной научной литературе существуют некоторые различия в наименовании законов, связанных с именем Гей-Люссака. Эти различия представлены в следующей таблице.

Формулировка закона

Формулировка закона Шарля следующая:

Давление газа фиксированной массы и фиксированного объёма прямо пропорционально абсолютной температуре газа.

Проще говоря, если температура газа увеличивается, то и его давление тоже увеличивается, если при этом масса и объём газа остаются неизменными.Закон имеет особенно простой математический вид, если температура измеряется по абсолютной шкале, например, в градусах Кельвина . Математически закон записывают так:

См. также

Примечания

Ссылки

Литература

• Castka, Joseph F.; Metcalfe, H. Clark; Davis, Raymond E.; Williams, John E. Modern Chemistry. - Holt, Rinehart and Winston, 2002. - ISBN 0-03-056537-5
• Guch, Ian The Complete Idiot"s Guide to Chemistry. - Alpha, Penguin Group Inc., 2003. - ISBN 1-59257-101-8
• Mascetta, Joseph A. How to Prepare for the SAT II Chemistry. - Barron"s, 1998. - ISBN 0-7641-0331-8

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Закон Шарля" в других словарях:

ЗАКОН ШАРЛЯ, объем газа при постоянном давлении прямо пропорционален его абсолютной температуре. Эта зависимость была впервые выведена Жаком ШАРЛЕМ в 1787 г. Закон представляет собой частный случай ЗАКОНА ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА. Его иногда называют… …

ЗАКОН ШАРЛЯ - один из основных газовых законов, согласно которому давление р данной массы идеального газа при постоянном объёме изменяется пропорционально изменению термодинамической (абсолютной) температуры Т: Реальные газы подчиняются этому закону при… … Большая политехническая энциклопедия

закон Шарля - Šarlio dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Charles’ law vok. Charlessches Gesetz, n rus. закон Шарля, m pranc. loi de Charles, f … Fizikos terminų žodynas

Закон Бойля Мариотта один из основных газовых законов. Закон назван в честь ирландского физика, химика и философа Роберта Бойля (1627 1691), открывшего его в 1662, а также в честь французского физика Эдма Мариотта (1620 1684), который открыл… … Википедия

Воздух (или инертный газ), находящийся в запечатанном пакете с печеньем расширяется, когда продукт поднят на значительную высоту над уровнем моря (ок 2000 м) Закон Бойля Мариотта один из основных газовых з … Википедия

ЗАКОН ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА, закон, определяющий соотношение давления, температуры и объема идеального газа: pV = nRT, где п количество молекул газа, a R универсальная ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ; закон гласит, что при постоянной температуре (Т) произведение… … Научно-технический энциклопедический словарь

Анимация, представляющая зависимость объёма газа от температуры (закон Гей Люссака) Закон … Википедия

Давление pt идеального газа неизменной массы и объёма возрастает при нагревании линейно: рt = р0(1 + αt), где рt и р0 давление газа при температурах t и 0°C, α = 1/273К 1. Открыт в 1787 французским учёным Ж. Шарлем, уточнён Ж. Гей Люссаком… … Энциклопедический словарь

Уравнение состояния Статья является частью серии «Термодинамика». Уравнение состояния идеального газа Уравнение Ван дер Ваальса Уравнение Дитеричи Разделы термодинамики Начала термодинамики Уравнен … Википедия