Charleso dėsnio apibrėžimas ir formulė. Dujų įstatymai

1. Kas ir kada buvo atliktas eksperimentas, koks buvo jo tikslas

Pirmąjį dujų įstatymą atrado Robertas Boyle'as ir paskelbė 1660 m. savo darbe „New Experiments Concerning an Air Spring“. R. Boyle'as, remdamasis kruopščiai suplanuotu kiekybiniu eksperimentu, įrodė, kad „dujų elastingumas [slėgis] yra atvirkščiai proporcingas jų tūriui“. Tyrimo metu jis bandė kiekybiškai ištirti suslėgtų dujų tūrio priklausomybę nuo temperatūros. Tačiau tikslių šią priklausomybę patvirtinančių duomenų R.Boyle'as negavo.

Oro plėtimosi kaitinant tyrimus atliko G. Amontonas. Vėliau panašius eksperimentus atliko A. Volta, D. Daltonas, J. Priestley, T. Saussure'as ir kt.

Manoma, kad pirmieji patenkinami matavimai tyrime šiluminis plėtimasis dujų 1801 metais gavo anglų fizikas ir chemikas Johnas Daltonas (1766–1844). Jis atrado, kad deguonis, vandenilis ir anglies dvideginio kaitinant elgėsi taip pat.

Remdamasis gautais rezultatais, D. Daltonas išvadą suformuluoja itin atsargiai: „Apskritai nematau pakankamos priežasties, kuri neleistų daryti išvados, kad visos „elastingos“ dujos to paties slėgio kaitinamos vienodai plečiasi.

Panašią išvadą 1802 m. padarė J. L. Gay-Lussac. Tačiau jo teiginys buvo tikslesnis nei D. Daltono. Matyt, dėl to dujų šiluminio plėtimosi įstatymas vadinamas ne D. Daltono, o J. L. Gay-Lussac vardu.

Gay-Lussac naudojamas prietaisas parodytas fig. 2. Kruopščiai išdžiovintos dujos yra skardinėje. Vamzdyje yra gyvsidabrio lašas, kuris sulaiko dujas. Vamzdžiai yra horizontaliai, todėl plėtimosi metu slėgis nesikeičia.

Penkiolika metų anksčiau nei Gay-Lussac (1787 m.), be jokios publikacijos, tyrimą šiuo klausimu ėmėsi prancūzų fizikas Jacques'as Charlesas (1746–1823). Charlesas nustatė, kad deguonis, azotas, anglies dioksidas ir oras vienodai plečiasi temperatūros diapazone nuo 0 iki 100 ºС. Gay-Lussac žinojo apie savo kolegos darbą ir reikalavo, kad antrasis dujų įstatymas būtų pavadintas Jacques'o Alexandre'o Césario Charleso vardu. Reikėtų pažymėti, kad kai kuriose šalyse, įskaitant Rusiją, šis įstatymas vis dar žinomas kaip Gay-Lussac įstatymas. Mokslo istorijos publikacijose trečiojo dujų dėsnio – dujų slėgio kitimo nuo temperatūros dėsnio – atradimo prioritetas dažniausiai neaptariamas. Šios priklausomybės, kaip ir dujų tūrio priklausomybės nuo temperatūros, tyrimą atliko daugelis mokslininkų, tyrusių dujų savybes XVII–XVIII a. Dujų šiluminio plėtimosi dėsnio atradimo istorija yra susijusi su termometrų išradimo ir tobulinimo istorija.

Pirmasis kūno „šilumos“ ir „šalčio“ matavimo prietaisas yra G. Galileo oro termoskopas (1597). Patirties, kuri buvo postūmis sukurti termoskopą, esmė buvo tokia. Nedidelė, kiaušinio dydžio, kolba ilgu ir plonu kaklu kaip kviečių stiebas, nuleista į dubenį su vandeniu, pašildoma rankomis. Jei nuimsite rankas, vanduo iš dubens, kai oras kolboje atvėsta, pradės kilti į kaklą. Benedetto Castelli, G. Galilėjaus mokinys, 1638 m. rašo: „Aukščiau minėtas sinjoras Galilėjus panaudojo šį efektą, kad sukurtų prietaisą karščio ir šalčio laipsniui nustatyti.

Evangelista Torricelli G. Galileo oro termoskopą pavertė skysčio (alkoholio) termometru. E. Torricelli termometras – vadinamasis „Florentino termometras“ – buvo labai patogus naudoti, todėl sulaukė visuotinio pripažinimo XVII a. Tokio tipo termometrus Anglijoje pristatė R. Boyle, jie greitai paplito Prancūzijoje.

G. Galilėjaus oro termometro tobulinimą atliko prancūzų fizikas, Paryžiaus mokslų akademijos narys G. Amontonas (1699 m.). 1702 m. jis sukūrė termometrą, savo koncepcija labai panašų į šiuolaikinį dujų termometrą. G. Amontono termometras buvo U formos stiklinis vamzdelis, kurio trumpesnė alkūnė baigėsi rezervuare, kurioje buvo oras. Gyvsidabrio buvo pilamas į ilgą alkūnę tiek, kiek reikia palaikyti pastovų oro kiekį bake. Oro temperatūra bake buvo nustatyta pagal gyvsidabrio stulpelio aukštį.

Įdomu pastebėti, kad dirbdamas su šiuo įrankiu Amontonas rado tiesiogiai proporcinga priklausomybė tarp temperatūros ir dujų slėgio ir priėjo prie koncepcijos absoliutus nulis, kuri jo duomenimis atitiko –239,5 °C temperatūrą (1703 m.).

2. Eksperimentui būtinos priemonės ir medžiagos, grandinės schema bandomoji gamykla

Eksperimentų, skirtų ištirti dujų slėgio priklausomybę nuo temperatūros esant pastoviam tūriui, sąranka buvo gana sudėtinga.

Pažiūrėkime į grandinės schemą eksperimentinė sąranka ištirti dujų slėgio priklausomybę nuo temperatūros esant pastoviam tūriui.

Pagrindinė tokio įrenginio dalis yra didelė kolba, kurioje buvo dujos. Kolba dedama į indą su vandeniu. Apie dujų slėgio pokytį galima spręsti pagal prie kolbos prijungto gyvsidabrio manometro rodmenis. Dujų temperatūra matuojama naudojant gyvsidabrio termometrą.

J. Charlesas ištyrė slėgio priklausomybę nuo temperatūros šioms dujoms: deguoniui, azotui, anglies dioksidui ir orui.

3. Eksperimento atlikimo tvarka

Pripildęs kolbą tirpstančio ledo, Charlesas išmatavo slėgį, atitinkantį 0 ºС temperatūrą. Tada pasikeitė vandens temperatūra dideliame inde, todėl pasikeitė gyvsidabrio stulpelio aukštis manometre. Šildydamas vandenį inde, supančiame kolbą, Charlesas pažymėjo dujų temperatūrą termometru ir atitinkamą slėgį manometru. Eksperimento metu daugelio veiksnių įtaka iškreipė eksperimento eigą. Pirma, dėl šildymo kolba su dujomis atitinkamai iš dalies pakeitė savo tūrį, nebuvo užtikrintas griežtas tiriamų dujų tūrio pastovumas. Antra, dujos, esančios vadinamojoje „kenksmingoje erdvėje“ (ploname vamzdelyje, vedančiame į manometrą), nebuvo šildomos taip, kaip kolboje. Trečia, priemaišų buvimas dujose (ypač kondensuojančių garų) lėmė tai, kad dalis komponentų, sudarančių dujas, virto skysta būsena

. Taip pat turėjo įtakos kiti veiksniai. Mokslininkų bandymai atmesti žalingas poveikisšalutinis poveikis

eksperimento eigoje ir, kaip taisyklė, sukėlė įrenginio projektavimo komplikacijų.

4. Pagrindiniai eksperimento rezultatai

J. Charleso eksperimentai parodė tokius rezultatus. Tam tikros masės dujų slėgio padidėjimas kaitinant 1 ºС buvo tam tikra dalis

Reikšmė α p vadinama slėgio temperatūros koeficientu. Ištyręs daugybę dujų, Charlesas jas gavo apytiksliai ta pati vertė temperatūros slėgio koeficientas, ty vertė, lygi maždaug 1/273 ºС –1.

Taigi, tam tikros dujų masės slėgis, kaitinant 1 ºС esant pastoviam tūriui, padidėja 1/273 slėgio, kurį ši dujų masė turėjo esant 0 ºС.

5. Pagrindiniai eksperimento rezultatai

IN moderni formuluotėŠis įstatymas yra toks.

Matematiškai J. Charleso dėsnį galima parašyti taip:

čia P 0 yra dujų slėgis esant T = T 0 = 273,15 K (ty esant 0 ° C temperatūrai). Koeficientas, lygus 1/273,15 K –1, vadinamas temperatūros slėgio koeficientu.

Paveiksle parodyta tam tikros dujų masės slėgio priklausomybė nuo jos temperatūros. Už skirtingos temperatūros dujų vieta priklausomybės kreivė nuo koordinačių plokštumaįvairių. Izochoros, vaizduojančios P ​​priklausomybę nuo T dujų, kurios paklūsta Charleso dėsniui, yra tiesios linijos, esančios aukščiau grafike, tuo mažesnis tūris.

Charleso įstatymas galioja tik idealios dujos. Jis taikomas su tam tikru mastu tikslumas iki tikrų dujų žemas slėgis ir žema temperatūra (pvz. atmosferos oras, degimo produktai dujiniuose varikliuose ir kt.)

Charleso nustatyto dėsnio paaiškinimas gali būti pateiktas molekulinių kinetinių materijos sandaros sampratų požiūriu.

Iš požiūrio taško molekulinė teorija Galimos dvi tam tikrų dujų slėgio padidėjimo priežastys: pirma, gali padidėti molekulių smūgių skaičius per laiko vienetą ploto vienete; antra, galima padidinti perduodamą impulsą, kai viena molekulė atsitrenkia į kraujagyslės sienelę. Dėl abiejų priežasčių reikia padidinti molekulių greitį (nors tam tikros dujų masės tūris išlieka nepakitęs). Iš čia tampa aišku, kad dujų temperatūros padidėjimas kaip makrocharakteristika atitinka molekulių atsitiktinio judėjimo greičio padidėjimą kaip mikrokosmoso charakteristiką.

Labai aukšto slėgio didėja sąveika tarp dujų molekulių ir stebimi nukrypimai nuo tiesinio Charleso dėsnio.

Charleso dėsnis išvestas kaip ypatingas atvejis Iš Mendelejevo-Clapeyrono lygties:

kur k = 1,38 J/K yra Boltzmanno konstanta.

Idealūs dujų izoprocesai– procesai, kuriuose vienas iš parametrų išlieka nepakitęs.

1. Izochorinis procesas . Charleso įstatymas. V = konst.

Izochorinis procesas vadinamas procesu, kuris vyksta, kai pastovus tūris V. Dujų elgesys šiame izochoriniame procese paklūsta Charleso įstatymas :

Esant pastoviam tūriui ir pastovioms dujų masės ir jos vertėms molinė masė, dujų slėgio ir absoliučios jų temperatūros santykis išlieka pastovus: P/T= konst.

Izochorinio proceso grafikas ant PV- vadinama diagrama izochoras . Naudinga žinoti izochorinio proceso grafiką RT- Ir VT-schemos (1.6 pav.).

Izochoro lygtis: Kur P 0 yra slėgis esant 0 °C, α yra dujų slėgio temperatūros koeficientas, lygus 1/273 laipsnių -1. Tokios priklausomybės grafikas nuoРt

-diagrama turi tokią formą, kaip parodyta 1.7 pav.

2. Ryžiai. 1.7 Izobarinis procesas. Gay-Lussac dėsnis. R

= konst. Izobarinis procesas yra procesas, kuris vyksta pastovus slėgis R . Dujų elgesys izobarinio proceso metu paklūsta:

Gay-Lussac dėsnis Esant pastoviam slėgiui ir pastovioms dujų masės bei jų molinės masės vertėms, dujų tūrio ir absoliučios temperatūros santykis išlieka pastovus:= konst.

V/T VT- vadinama diagrama Izobarinio proceso grafikas ant izobaras PV- Ir . Naudinga žinoti izobarinio proceso grafikus RT

-schemos (1.8 pav.).

Ryžiai. 1.8

Izobarų lygtis: kur α = 1/273 laipsniai -1 - temperatūros koeficientas tūrinis plėtimasis . Tokios priklausomybės grafikas nuo Vt

diagrama turi tokią formą, kaip parodyta 1.9 pav.

3. Ryžiai. 1.9 Izoterminis procesas. Boyle-Mariotte dėsnis.= konst.

T Izoterminis procesas yra procesas, kuris įvyksta, kai pastovi temperatūra

T. Idealių dujų elgesys izoterminio proceso metu paklūsta

Boyle-Mariotte įstatymas: Esant pastoviai temperatūrai ir pastovioms dujų masės bei jų molinės masės vertėms, dujų tūrio ir jų slėgio sandauga išlieka pastovi:= konst.

PV Tvarkaraštis izoterminis procesas PV- vadinama diagrama įjungta izoterma VT- Ir . Naudinga žinoti izobarinio proceso grafikus. Naudinga žinoti izoterminio proceso grafikus

-schemos (1.10 pav.).

Ryžiai. 1.10

4. Izoterminė lygtis: Adiabatinis procesas

(isentropinis):

5. Adiabatinis procesas yra termodinaminis procesas, vykstantis be šilumos mainų su aplinka. Politropinis procesas. Procesas, kurio metu dujų šiluminė talpa išlieka pastovi. Politropinis procesas - bendras atvejis

6. visi pirmiau minėti procesai. Avogadro dėsnis. Esant tokiam pačiam slėgiui ir toms pačioms temperatūroms, in vienodos apimties yra įvairių idealių dujų tas pats numeris molekulių. Viename prekybos centreįvairių medžiagų yra N A =6,02·10 23

7. molekulės (Avogadro skaičius). Daltono dėsnis.

(1.4.6)

Dalinis slėgis Pn yra slėgis, kurį sukurtų tam tikros dujos, jei jos vienos užimtų visą tūrį.

At , dujų mišinio slėgis.

Esant pastoviam slėgiui, dujų tūris yra proporcingas jų temperatūrai.

Vienas iš aeronautikos pradininkų Jacques'as Alexandre'as Césaras Charlesas į mokslą atėjo dėl savo aistros statyti karšto oro balionus – didelius. balionai, pripildytas įkaitusio oro, kuris tik tada pasirodė. Kalbėjausi su šiuolaikiniais oro balionų pilotais, ir jie tvirtina, kad jų atviro dujų degiklio konstrukcija, kurią Charlesas sukūrė daugiau nei prieš du šimtmečius, esminių pokyčių nepatyrė ir yra naudojama iki šiol. Nenuostabu, kad mokslinių interesų Charlesas tyrinėjo dujų savybes, todėl ne. Charlesas suformulavo įstatymą, pavadintą jo vardu, 1787 m. po daugybės eksperimentų su deguonimi, azotu, vandeniliu ir anglies dioksidu.

Norėdami suprasti Charleso dėsnio prasmę, įsivaizduokite dujas kaip greitai judančių ir susiduriančių molekulių rinkinį. Dujų slėgį lemia molekulių poveikis talpyklos sienelėms: kuo daugiau smūgių, tuo didesnis slėgis. Pavyzdžiui, oro molekulės patalpoje, kurioje esate, daro 101 325 paskalių slėgį (arba 1 barą, jei mes kalbame apie apie meteorologiją).

Norėdami suprasti Charleso dėsnį, įsivaizduokite orą viduje balionas. Esant pastoviai temperatūrai, oras balione plėsis arba susitrauks, kol jo molekulių sukuriamas slėgis pasieks 101 325 paskalius ir bus lygus. atmosferos slėgis. Kitaip tariant, kol kiekvienas oro molekulės smūgis iš išorės, nukreiptas į rutulio vidų, bus panašus oro molekulės smūgis, nukreiptas iš rutulio vidaus į išorę. Jei sumažinsite oro temperatūrą kamuoliuke (pavyzdžiui, padėdami jį į didelį šaldytuvą), molekulės kamuoliuko viduje pradės judėti lėčiau, ne taip energingai atsitrenkdamos į kamuoliuko sieneles iš vidaus. Tada lauko oro molekulės darys didesnį spaudimą rutuliui, jį suspausdamos, todėl rutulio viduje sumažės dujų tūris. Taip bus tol, kol dujų tankio padidėjimas kompensuos sumažėjusią temperatūrą, o tada vėl nusistovi pusiausvyra.

Charleso dėsnis, kartu su kitais dujų dėsniais, sudarė idealių dujų būsenos lygties, kuri apibūdina dujų slėgio, tūrio ir temperatūros ryšį su medžiagos kiekiu, pagrindą.

Jacques'as Alexandre'as Cezaris Charlesas, 1746-1823 m

Prancūzų fizikas, chemikas, inžinierius ir aeronautas. Gimė Beaugency mieste. Jaunystėje jis dirbo Paryžiaus finansų ministerijos pareigūnu. Pradėjęs domėtis aeronautika, jis sukūrė modernaus dizaino oro balionus, kurių keliamąją jėgą lemia rutulio viduje esančio degiklio šildomo oro plėtimasis. Jis buvo vienas iš pirmųjų, kurie užpildė balionai vandenilio (kuris yra daug kartų lengvesnis už orą ir užtikrina žymiai didesnį pakėlimą nei karštas oras), taip užfiksuodamas kėlimo aukščio (daugiau nei 3000 m) ir skrydžio nuotolio (43 km) rekordus. Būtent aeronautika paskatino Charlesą domėtis dujų savybių tyrimu.

Charleso įstatymas arba antrasis Gay-Lussac dėsnis – vienas pagrindinių dujų dėsnių, apibūdinančių ryšį tarp slėgio ir temperatūros idealioms dujoms. Eksperimentiškai dujų slėgio priklausomybę nuo temperatūros esant pastoviam tūriui 1787 m. nustatė Charlesas, o Gay-Lussac patobulino 1802 m.

Terminologijos dviprasmiškumas[ | ]

Rusų ir anglų kalbomis mokslinė literatūra Yra tam tikrų skirtumų tarp įstatymų, susijusių su Gay-Lussac vardu, pavadinimai. Šie skirtumai pateikti šioje lentelėje:

Įstatymo pareiškimas[ | ]

Charleso dėsnio formuluotė yra tokia:

Fiksuotos masės ir fiksuoto tūrio dujų slėgis yra tiesiogiai proporcingas absoliučiai dujų temperatūrai.

Paprasčiau tariant, jei padidėja dujų temperatūra, didėja ir jų slėgis, jei dujų masė ir tūris išlieka nepakitę matematinė forma, jei temperatūra matuojama pagal absoliuti skalė, pavyzdžiui, kelvinais. Matematiškai įstatymas parašytas taip:

Šis dėsnis galioja, nes temperatūra yra medžiagos vidutinės kinetinės energijos matas. Jeigu kinetinė energija padaugėja dujų, jų dalelės greičiau susiduria su indo sienelėmis, taip sukurdamos didesnį slėgį.

Palyginti tą pačią medžiagą dviem skirtingos sąlygos, įstatymas gali būti parašytas taip:

(\displaystyle (\frac (P_(1))(T_(1)))=(\frac (P_(2))(T_(2)))\qquad \mathrm (arba) \qquad (P_(1) )(T_(2))=(P_(2))(T_(1)).) Amontono slėgio ir temperatūros dėsnis: aukščiau aprašytas slėgio dėsnis iš tikrųjų turėtų būti priskiriamas Guillaume'ui Amontonui, kuris 2010 m XVIII pradžia

amžiuje (tiksliau 1700–1702 m.) atrado, kad pastovaus tūrio fiksuotos dujų masės slėgis yra proporcingas jų temperatūrai. Amontonas tai atrado statydamas „oro termometrą“. Vadinti šį dėsnį Gay-Lussac dėsniu yra tiesiog neteisinga, nes Gay-Lussac tyrinėjo ryšį tarp tūrio ir temperatūros, o ne slėgio ir temperatūros.

Terminologijos dviprasmiškumas

Charleso įstatymas buvo žinomas kaip Charleso ir Gay-Lussac įstatymas, nes Gay-Lussac paskelbė jį 1802 m., naudodamasis Charleso duomenimis, kurie iš esmės neskelbti nuo 1787 m. Gay-Lussac įstatymas, Charleso įstatymas ir Boyle'o įstatymas – Mariotte visi kartu sudaro vieningą dujų įstatymą. Kartu su

Įstatymo pareiškimas

Charleso dėsnio formuluotė yra tokia:

Fiksuotos masės ir fiksuoto tūrio dujų slėgis yra tiesiogiai proporcingas absoliučiai dujų temperatūrai.

Gėjų Lussaco dėsnis

Paprasčiau tariant, jei didėja dujų temperatūra, didėja ir jų slėgis, jei dujų masė ir tūris išlieka nepakitę Dėsnis turi ypač paprastą matematinę formą, jei temperatūra matuojama absoliučia skale, pvz Kelvino laipsnių. Matematiškai įstatymas parašytas taip:

Taip pat žr

Pastabos

Nuorodos

• Literatūra Castka, Joseph F.; Metcalfe, H. Clark; Davisas, Raymondas E.; Williamsas, Johnas E.
• Šiuolaikinė chemija. – Holtas, Rinehartas ir Vinstonas, 2002 m. – ISBN 0-03-056537-5 Guchas, Ianas
• Išsamus idioto chemijos vadovas – Alpha, Penguin Group Inc., 2003. – ISBN 1-59257-101-8. Mascetta, Joseph A. Kaip pasiruošti už

SAT II Chemija. - Barron's, 1998. - ISBN 0-7641-0331-8

Wikimedia fondas.

2010 m.

KARLOŽO ĮSTATYMAS- vienas iš pagrindinių dujų dėsnių, pagal kurį idealių dujų tam tikros masės slėgis p esant pastoviam tūriui kinta proporcingai termodinaminės (absoliučios) temperatūros pokyčiui T: Tikros dujos laikytis šio įstatymo, kai... Didžioji politechnikos enciklopedija

Charleso įstatymas- Šarlio dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Karolio įstatymas vok. Charlessches Gesetz, n rus. Charleso įstatymas, m pranc. loi de Charles, f … Fizikos terminų žodynas

Boyle'o Marriott dėsnis yra vienas iš pagrindinių dujų įstatymų. Įstatymas pavadintas airių fiziko, chemiko ir filosofo Roberto Boyle'o (1627–1691), kuris jį atrado 1662 m., vardu, taip pat garbei. prancūzų fizikas Edma Mariotta (1620 1684), atradusi... ... Vikipediją

Oras (arba inertinės dujos), esantis sandariame maišelyje su sausainiais, išsiplečia gaminį pakėlus į reikšmingą aukštį virš jūros lygio (apie 2000 m) Boyle Mariot dėsnis yra vienas pagrindinių dujų dėsnių ... Vikipedija

IDEALIŲJŲ DUJŲ DĖSNIS, dėsnis, nustatantis ryšį tarp idealių dujų slėgio, temperatūros ir tūrio: pV = nRT, čia n – dujų molekulių skaičius, o R – universali DUJŲ KONSTANTA; įstatymas teigia, kad esant pastoviai temperatūrai (T) gaminys... ... Mokslinis ir techninis enciklopedinis žodynas

Animacija, vaizduojanti dujų tūrio priklausomybę nuo temperatūros (Gėjaus Lussaco dėsnis) ... Wikipedia

Idealus dujų slėgis pt pastovi masė o tūris didėja tiesiškai kaitinant: рt = р0(1 + αt), kur рt ir р0 – dujų slėgis esant t ir 0°C temperatūroms, α = 1/273K 1. 1787 m. atrado prancūzų mokslininkas J. Charlesas. patobulino J. Gay Lussac... ... Enciklopedinis žodynas

Būsenos lygtis Šis straipsnis yra termodinamikos serijos dalis. Idealiųjų dujų būsenos lygtis Van der Waalso lygtis Diterici lygtis Termodinamikos skyriai Termodinamikos principai Lygtis ... Wikipedia