Definícia a vzorec Charlesovho zákona. Zákony o plyne

1. Kto a kedy experiment uskutočnil, aký bol jeho účel

Prvý zákon o plyne objavil Robert Boyle a publikoval ho v roku 1660 v New Experiments Concerning the Air Spring. R. Boyle na základe starostlivo zinscenovaného kvantitatívneho experimentu dokázal, že „pružnosť [tlak] plynu je nepriamo úmerná objemom“. V rámci svojho výskumu sa pokúsil kvantitatívne preskúmať závislosť objemu stlačeného plynu od teploty. Presné údaje potvrdzujúce túto závislosť však R. Boyle nedostal.

Výskum expanzie vzduchu pri zahrievaní uskutočnil G. Amonton. Neskôr podobné experimenty uskutočnili A. Volta, D. Dalton, J. Priestley, T. Saussure a ďalší.

Predpokladá sa, že prvé uspokojivé merania v štúdii tepelná rozťažnosť plyny získal v roku 1801 anglický fyzik a chemik John Dalton (1766–1844). Zistil, že kyslík, vodík a oxid uhličitý pri zahriatí sa správali rovnako.

Na základe získaných výsledkov D. Dalton mimoriadne opatrne formuluje záver: „Vo všeobecnosti nevidím dostatočný dôvod, ktorý by nám bránil vyvodiť záver, že všetky „elastické“ plyny sa pri rovnakom tlaku pri zahrievaní rozťahujú rovnako.“

K podobnému záveru dospel J. L. Gay-Lussac v roku 1802. Ale jeho výrok bol určitejší ako výrok D. Daltona. Zrejme sa preto zákon o tepelnej rozťažnosti plynov nenazýva menom D. Daltona, ale menom J. L. Gay-Lussac.

Prístroj používaný spoločnosťou Gay-Lussac je znázornený na obr. 2. Plyn, dôkladne vysušený, je v nádobe. Rúrka obsahuje kvapku ortuti, ktorá blokuje plyn. Rúry sú usporiadané horizontálne, takže nedochádza k zmene tlaku pri expanzii.

Pätnásť rokov pred Gay-Lussacom (v roku 1787) sa tejto problematike venoval bez akejkoľvek publikácie francúzsky fyzik Jacques Charles (1746-1823). Charles zistil, že kyslík, dusík, oxid uhličitý a vzduch expandujú rovnako v teplotnom rozsahu medzi 0 a 100 ºС. Gay-Lussac si bol vedomý práce svojho kolegu a trval na tom, aby bol druhý zákon o plyne pomenovaný po Jacquesovi Alexandrovi Césarovi Charlesovi. Treba poznamenať, že v niektorých krajinách vrátane Ruska je tento zákon stále známy ako zákon Gay-Lussac. V publikáciách o histórii vedy sa zvyčajne nehovorí o priorite objavenia tretieho plynového zákona - zákona o zmene tlaku plynu v závislosti od teploty. Touto závislosťou, ako aj závislosťou objemu plynu od teploty, sa zaoberali mnohí vedci, ktorí študovali vlastnosti plynov v 17.–18. História objavu zákona tepelnej rozťažnosti plynov je spojená s históriou vynálezu a zdokonalenia teplomerov.

Prvým prístrojom na meranie „tepla“ a „chladu“ v tele je vzduchový termoskop od G. Galilea (1597). Podstata experimentu, ktorý slúžil ako podnet na vytvorenie termoskopu, bola nasledovná. Malá fľaša veľkosti vajca, s hrdlom dlhým a tenkým ako stonka pšenice, ponorená do misky s vodou, sa zohrieva ručne. Ak odstránite ruky, voda z misky, keď sa vzduch v banke ochladzuje, začne stúpať do hrdla. Benedetto Castelli, študent G. Galilea, v roku 1638 píše: „Tento efekt použil spomínaný signor Galilei na výrobu prístroja na určenie stupňa tepla a chladu.“

Evangelista Torricelli premenil vzduchový termoskop G. Galilea na kvapalinový (alkoholový) teplomer. Teplomer E. Torricelliho - takzvaný "teplomer z Florencie" - bol veľmi vhodný na používanie, a preto v 17. storočí získal univerzálne uznanie. Teplomery tohto typu zaviedol v Anglicku R. Boyle, rýchlo sa rozšírili do Francúzska.

G. Amonton, francúzsky fyzik, člen parížskej akadémie vied (1699), sa zaoberal zdokonalením vzduchového teplomera G. Galilea. V roku 1702 navrhol teplomer, svojou koncepciou veľmi podobný modernému plynovému. Teplomer G. Amontona bola sklenená trubica v tvare písmena U, ktorej kratšie koleno končilo v zásobníku s obsahom vzduchu. Ortuť sa naliala do dlhého lakťa v množstve potrebnom na udržanie konštantného objemu vzduchu v nádrži. Na určenie teploty vzduchu v nádrži sa použila výška ortuťového stĺpca.

Je zaujímavé poznamenať, že pri práci s týmto nástrojom to bol priamo Amonton proporcionálna závislosť medzi teplotou a tlakom plynu a prišiel ku konceptu absolútna nula, čo podľa jeho údajov zodpovedalo teplote –239,5 °С (1703).

2. Nástroje a materiály potrebné na usporiadanie experimentu, schému zapojenia pilotný závod

Zariadenia na experimenty na štúdium závislosti tlaku plynu na teplote pri konštantnom objeme boli pomerne zložité.

Zvážte schému zapojenia experimentálne nastavenieštudovať závislosť tlaku plynu od teploty pri konštantnom objeme. Hlavnou časťou takejto inštalácie je veľká banka, v ktorej sa nachádzal plyn. Banka sa umiestni do nádoby s vodou. Zmenu tlaku plynu možno posúdiť na základe údajov ortuťového manometra pripojeného k banke. Teplota plynu sa meria ortuťovým teplomerom.

J. Charles skúmal závislosť tlaku od teploty pre tieto plyny: kyslík, dusík, oxid uhličitý a vzduch.

3. Poradie experimentu

Charles naplnil banku topiacim sa ľadom a zmeral tlak zodpovedajúci teplote 0 °C. Potom sa zmenila teplota vody vo veľkej nádobe, čo viedlo k zmene výšky ortuťového stĺpca v manometri. Charles zahrieval vodu v nádobe obklopujúcej banku a zaznamenával teplotu plynu pomocou teplomera a zodpovedajúci tlak pomocou manometra.

Počas experimentu vplyv množstva faktorov skresľoval priebeh experimentu. Po prvé, kvôli zahrievaniu banka s plynom čiastočne zmenila svoj objem, preto nebola zabezpečená prísna stálosť objemu študovaného plynu. Po druhé, plyn nachádzajúci sa v takzvanom „škodlivom priestore“ (v tenkej trubici vedúcej k manometru) sa nezohrieval tak ako v banke. Po tretie, prítomnosť nečistôt v plyne (najmä kondenzovateľných pár) viedla k tomu, že časť zložiek plynu sa so zvyšujúcim sa tlakom zmenila na tekutom stave. Úlohou boli aj ďalšie faktory.

Pokusy vedcov vylúčiť škodlivý účinok vedľajšie účinky na priebehu experimentu a viedla spravidla k zložitosti návrhu inštalácie.

4. Hlavné výsledky experimentu

Experimenty J. Charlesa ukázali nasledujúce výsledky.

Zvýšenie tlaku plynu určitej hmoty pri zahriatí o 1 ºС bolo určitú časťα p tlaku, ktorý mal plyn pri teplote 0 ºС. Ukázalo sa teda, že zvýšenie tlaku je úmerné zvýšeniu teploty.

Hodnota α p sa nazýva teplotný koeficient tlaku. Po preskúmaní niekoľkých plynov pre nich Charles získal približne rovnakú hodnotu teplotný koeficient tlaku, konkrétne hodnota rovnajúca sa približne 1/273 ºС -1.

Tlak určitej hmotnosti plynu pri zahriatí o 1 °C pri konštantnom objeme sa teda zvýši o 1/273 tlaku, ktorý mala táto hmotnosť plynu pri 0 °C.

5. Hlavné výsledky experimentu

IN moderné znenie tento zákon je nasledovný.

Matematicky možno zákon J. Charlesa zapísať ako:

kde P0 je tlak plynu pri T \u003d T0 \u003d 273,15 K (to znamená pri teplote 0 ° C). Koeficient rovný 1/273,15 K -1 sa nazýva teplotný koeficient tlaku.

Na obrázku je znázornená závislosť tlaku daného množstva plynu od jeho teploty. Pre rozdielne teploty plyn umiestnenie krivky závislosti na súradnicová rovina rôzne. Izochory, ktoré predstavujú závislosť P od T pre plyn, ktorý sa riadi Charlesovým zákonom, sú priame čiary, ktoré sú na grafe vyššie, čím menší je objem.

Charlesov zákon platí len pre ideálny plyn. Je použiteľný s nejaký stupeň presnosť na skutočné plyny pri nízke tlaky a nízke teploty (napr. atmosférický vzduch produkty spaľovania v plynových motoroch atď.)

Vysvetlenie zákona stanoveného Charlesom môže byť podané z hľadiska molekulárno-kinetických predstáv o štruktúre hmoty.

Z pohľadu molekulárnej teórie Existujú dva možné dôvody pre zvýšenie tlaku daného plynu: po prvé, počet molekulárnych dopadov za jednotku času na jednotku plochy sa môže zvýšiť; po druhé, je možné zvýšiť prenášanú hybnosť, keď na stenu cievy zasiahne jedna molekula. Obe príčiny vyžadujú zvýšenie rýchlosti molekúl (pričom objem danej hmotnosti plynu zostáva nezmenený). Je teda zrejmé, že zvýšenie teploty plynu ako makrocharakteristiky zodpovedá zvýšeniu rýchlosti náhodného pohybu molekúl ako charakteristike mikrosveta.

Vo veľmi vysoké tlaky zvyšuje sa interakcia medzi molekulami plynu a pozorujú sa odchýlky od lineárneho Charlesovho zákona.

Karolov zákon je odvodený ako špeciálny prípad z Mendelejevovej-Clapeyronovej rovnice:

kde k = 1,38 J/K je Boltzmannova konštanta.

Ideálne plynové izoprocesy- procesy, v ktorých jeden z parametrov zostáva nezmenený.

1. Izochorický proces . Charlesov zákon. V = konšt.

Izochorický proces nazývaný proces, ktorý prebieha konštantný objem V. Správanie plynu v tomto izochorickom procese sa riadi Karolov zákon :

Pri konštantnom objeme a konštantných hodnotách hmotnosti plynu a jeho molárna hmota, pomer tlaku plynu k jeho absolútnej teplote zostáva konštantný: P/T= konšt.

Graf izochorického procesu na PV-schéma tzv izochóra . Je užitočné poznať graf izochorického procesu na RT- A VT-diagramy (obr. 1.6). Rovnica izochór:

Kde Р 0 - tlak pri 0 ° С, α - teplotný koeficient tlaku plynu rovný 1/273 deg -1. Graf takejto závislosti na Pt-diagram má tvar znázornený na obrázku 1.7.

Ryža. 1.7

2. izobarický proces. Gay-Lussacov zákon. R= konšt.

Izobarický proces je proces, ktorý sa vyskytuje pri konštantný tlak R . Správanie plynu v izobarickom procese sa riadi Gay-Lussacov zákon:

Pri konštantnom tlaku a konštantných hodnotách hmotnosti plynu a jeho molárnej hmotnosti zostáva pomer objemu plynu k jeho absolútnej teplote konštantný: V/T= konšt.

Graf izobarického procesu na VT-schéma tzv izobara . Je užitočné poznať grafy izobarického procesu na PV- A RT-diagramy (obr. 1.8).

Ryža. 1.8

Izobarová rovnica:

Kde α \u003d 1/273 stupňa -1 - teplotný koeficient objemová expanzia . Graf takejto závislosti na Vt diagram má podobu znázornenú na obrázku 1.9.

Ryža. 1.9

3. izotermický proces. Boyleov zákon - Mariotte. T= konšt.

Izotermický proces je proces, ktorý sa odohráva vtedy konštantná teplota T.

Správanie ideálneho plynu v izotermickom procese sa riadi Boyle-Mariottov zákon:

Pri konštantnej teplote a konštantných hodnotách hmotnosti plynu a jeho molárnej hmotnosti zostáva súčin objemu plynu a jeho tlaku konštantný: PV= konšt.

Rozvrh izotermický proces na PV-schéma tzv izoterma . Je užitočné poznať grafy izotermického procesu na VT- A RT-diagramy (obr. 1.10).

Ryža. 1.10

Rovnica izotermy:

4. adiabatický proces(izoentropický):

Adiabatický proces je termodynamický proces, ktorý prebieha bez výmeny tepla s prostredím.

5. polytropný proces. Proces, pri ktorom tepelná kapacita plynu zostáva konštantná. Polytropný proces všeobecný prípad všetky vyššie uvedené procesy.

6. Avogadrov zákon. Pri rovnakých tlakoch a rovnakých teplotách, rovnaké objemy obsahujú rôzne ideálne plyny rovnaké číslo molekuly. V jednom krtkovi rôzne látky obsahuje N A\u003d 6,02 10 23 molekuly (Avogadro číslo).

7. Daltonov zákon. Tlak zmesi ideálnych plynov sa rovná súčtu parciálnych tlakov P plynov, ktoré sú v nej obsiahnuté:

(1.4.6)

Parciálny tlak Pn je tlak, ktorý by daný plyn vyvinul, keby sám zaberal celý objem.

O , tlak zmesi plynov.

Pri konštantnom tlaku je objem plynu úmerný jeho teplote.

Jeden z priekopníkov letectva, Jacques Alexandre Cesar Charles, prišiel k vede ako výsledok svojej vášne pre stavbu teplovzdušných balónov - veľkých balóny naplnené ohriatym vzduchom - ktorý sa potom len objavil. Hovoril som s modernými pilotmi balónov a tí tvrdia, že ich konštrukcia otvoreného plynového horáka, ktorú vyvinul Charles pred viac ako dvoma storočiami, sa zásadne nezmenila a dodnes sa používa. Niet sa čomu čudovať vedecké záujmy Charles ležal v oblasti štúdia vlastností plynov, preto nie. Zákon nesúci jeho meno sformuloval Charles v roku 1787 po sérii experimentov s kyslíkom, dusíkom, vodíkom a oxidom uhličitým.

Aby ste pochopili význam Charlesovho zákona, predstavte si plyn ako súbor rýchlo sa pohybujúcich a zrážajúcich sa molekúl. Tlak plynu je určený dopadmi molekúl na steny nádoby: čím viac nárazov, tým vyšší je tlak. Napríklad molekuly vzduchu v miestnosti, v ktorej sa nachádzate, vyvíjajú na povrch vášho tela tlak 101 325 pascalov (alebo 1 bar, ak rozprávame sa o meteorológii).

Aby ste pochopili Charlesov zákon, predstavte si vzduch vo vnútri balón. Pri konštantnej teplote sa bude vzduch v balóne rozpínať alebo zmršťovať, až kým tlak vytvorený jeho molekulami nedosiahne 101 325 pascalov, čo sa rovná atmosferický tlak. Inými slovami, kým každý náraz molekuly vzduchu zvonku, nasmerovaný dovnútra lopty, dôjde k podobnému nárazu molekuly vzduchu, nasmerovaný z vnútra lopty von. Ak znížite teplotu vzduchu v balóne (napríklad tým, že ho vložíte do veľkej chladničky), molekuly vo vnútri balóna sa budú pohybovať pomalšie a menej rázne narážajú zvnútra na steny balóna. Molekuly vonkajšieho vzduchu potom vyvinú väčší tlak na loptu, stlačia ju, v dôsledku čoho sa objem plynu vo vnútri lopty zníži. Toto bude pokračovať, kým zvýšenie hustoty plynu nevykompenzuje nižšiu teplotu a potom sa opäť vytvorí rovnováha.

Charlesov zákon spolu s ďalšími zákonmi o plyne tvoril základ stavovej rovnice ideálneho plynu, ktorá popisuje pomer tlaku, objemu a teploty plynu k množstvu hmoty.

Jacques Alexandre Cesar Charles, 1746-1823

Francúzsky fyzik, chemik, inžinier a balonista. Narodil sa v Beaugency. V mladosti pôsobil ako úradník na ministerstve financií v Paríži. Keď sa začal zaujímať o letectvo, vyvinul teplovzdušné balóny moderného dizajnu, ktorých zdvíhacia sila je spôsobená expanziou vzduchu ohrievaného horákom vo vnútri lopty. Bol jedným z prvých, ktorí naplnili Balóny vodík (ktorý je mnohonásobne ľahší ako vzduch a poskytuje oveľa väčší vztlak ako horúci vzduch), stanovenie rekordov pre nadmorskú výšku (viac ako 3 000 m) a dolet (43 km). Bola to práve aeronautika, ktorá prinútila Charlesa študovať vlastnosti plynov.

Charlesov zákon alebo Gay-Lussacov druhý zákon - jeden zo základných plynových zákonov, ktorý popisuje vzťah medzi tlakom a teplotou pre ideálny plyn. Experimentálne závislosť tlaku plynu od teploty pri konštantnom objeme stanovil v roku 1787 Charles a spresnil Gay-Lussac v roku 1802.

Nejednoznačnosť terminológie[ | ]

V ruštine a angličtine vedeckej literatúry existujú určité rozdiely v názve zákonov spojených s menom Gay-Lussac. Tieto rozdiely sú uvedené v nasledujúcej tabuľke:

Znenie zákona[ | ]

Formulácia Charlesovho zákona je nasledovná:

Tlak plynu s pevnou hmotnosťou a pevným objemom je priamo úmerný absolútnej teplote plynu.

Jednoducho povedané, ak sa zvýši teplota plynu, zvýši sa aj jeho tlak, ak hmotnosť a objem plynu zostanú nezmenené. Zákon má obzvlášť jednoduchý matematická forma ak sa teplota meria podľa absolútna mierka napríklad v kelvinoch. Matematicky je zákon napísaný takto:

Tento zákon platí, pretože teplota je mierou priemernej kinetickej energie látky. Ak Kinetická energia plynu pribúda, jeho častice sa rýchlejšie zrážajú so stenami nádoby, čím vzniká vyšší tlak.

Porovnať tú istú látku s dvoma rôzne podmienky, zákon možno napísať takto:

Amontonov zákon tlaku a teploty: vyššie popísaný zákon nátlaku treba v skutočnosti pripísať Guillaumeovi Amontonovi, ktorý v r začiatkom XVIII storočí (presnejšie medzi rokmi 1700 a 1702) zistili, že tlak stálej hmoty plynu, udržiavanej na konštantnom objeme, je úmerný jeho teplote. Amonton to zistil pri stavbe „teplomeru vzduchu“. Nazvať tento zákon Gay-Lussacovým zákonom je jednoducho nesprávne, pretože Gay-Lussac skúmal vzťah medzi objemom a teplotou, nie tlakom a teplotou.

Charlesov zákon bol známy ako zákon Charlesa a Gay-Lussaca, pretože ho Gay-Lussac publikoval v roku 1802 s použitím väčšiny Charlesových údajov, ktoré neboli publikované od roku 1787. Gay-Lussacov zákon, Charlesov zákon a Boyleov zákon – Mariotte spolu tvoria kombinovaný zákon o plyne. V kombinácii s

Nejednoznačnosť terminológie

V ruskej a anglickej vedeckej literatúre existujú určité rozdiely v pomenovaní zákonov spojených s menom Gay-Lussac. Tieto rozdiely sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Znenie zákona

Formulácia Charlesovho zákona je nasledovná:

Tlak plynu s pevnou hmotnosťou a pevným objemom je priamo úmerný absolútnej teplote plynu.

Zjednodušene povedané, ak sa zvýši teplota plynu, zvýši sa aj jeho tlak, ak hmotnosť a objem plynu zostanú nezmenené.Zákon má obzvlášť jednoduchú matematickú podobu, ak sa teplota meria v absolútnej mierke, napríklad v stupňoch Kelvina. Matematicky je zákon napísaný takto:

pozri tiež

Poznámky

Odkazy

Literatúra

• Častka, Jozef F.; Metcalfe, H. Clark; Davis, Raymond E.; Williams, John E. Moderná chémia. - Holt, Rinehart a 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. Ako sa pripraviť pre SAT II Chémia. - Barron's, 1998. - ISBN 0-7641-0331-8

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „Karlov zákon“ v iných slovníkoch:

KARLOV ZÁKON, objem plynu pri konštantnom tlaku je priamo úmerný jeho absolútnej teplote. Tento vzťah prvýkrát odvodil Jacques CHARLES v roku 1787. Zákon je špeciálnym prípadom ZÁKONA IDEÁLNEHO PLYNU. Niekedy sa tomu hovorí......

KARLOV ZÁKON- jeden z hlavných plynových zákonov, podľa ktorého sa tlak p danej hmotnosti ideálneho plynu pri konštantnom objeme mení úmerne so zmenou termodynamickej (absolútnej) teploty T: skutočné plyny dodržiavať tento zákon, keď ... ... Veľká polytechnická encyklopédia

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

Boyleov Mariottov zákon je jedným zo základných zákonov o plyne. Zákon je pomenovaný po írskom fyzikovi, chemikovi a filozofovi Robertovi Boyleovi (1627-1691), ktorý ho objavil v roku 1662, a tiež po r. francúzska fyzika Edma Mariotta (1620 1684), ktorý objavil ... ... Wikipedia

vzduch (resp inertný plyn), ktorý sa nachádza v zapečatenom vrecku so sušienkami, sa roztiahne, keď sa výrobok zdvihne do značnej výšky nad hladinou mora (asi 2000 m) Zákon Boyla Mariotta je jedným z hlavných zákonov o plyne ... Wikipedia

ZÁKON IDEÁLNEHO PLYNU, zákon, ktorý určuje pomer tlaku, teploty a objemu ideálneho plynu: pV = nRT, kde n je počet molekúl plynu a R je univerzálna KONŠTANTA PLYNU; zákon hovorí, že pri konštantnej teplote (T) výrobok ... ... Vedecko-technický encyklopedický slovník

Animácia predstavujúca závislosť objemu plynu od teploty (Gay-Lussacov zákon) Zákon ... Wikipedia

Ideálny tlak plynu pt konštantná hmotnosť a objem sa pri zahrievaní lineárne zväčšuje: pt = p0(1 + αt), kde pt a p0 sú tlak plynu pri teplotách t a 0 °C, α = 1/273K 1. Objavený v roku 1787 francúzskym vedcom J. Charlesom, spresnený J. Gayom Lussacom ... ... encyklopedický slovník

Stavová rovnica Článok je súčasťou série Termodynamika. Stavová rovnica ideálneho plynu Van der Waalsova rovnica Dieterichova rovnica Úseky termodynamiky Začiatky termodynamiky Rovnica ... Wikipedia