Definicija in formula Charlesovega zakona. Zakoni o plinu

1. Kdo in kdaj je izvedel poskus, kakšen je bil njegov namen

Prvi plinski zakon je odkril Robert Boyle in ga leta 1660 objavil v svojem delu "Novi poskusi glede zračne vzmeti". R. Boyle je na podlagi skrbno zasnovanega kvantitativnega poskusa dokazal, da je »elastičnost [tlak] plina obratno sorazmerna z njegovo prostornino«. Med svojim raziskovanjem je poskušal kvantitativno preučiti odvisnost prostornine stisnjenega plina od temperature. Vendar R. Boyle ni prejel natančnih podatkov, ki bi potrdili to odvisnost.

Raziskave širjenja zraka pri segrevanju je izvedel G. Amonton. Pozneje so podobne poskuse izvajali A. Volta, D. Dalton, J. Priestley, T. Saussure in drugi.

Menijo, da so prve zadovoljive meritve v študiji toplotno raztezanje pline je leta 1801 pridobil angleški fizik in kemik John Dalton (1766–1844). Odkril je, da kisik, vodik in ogljikov dioksid pri segrevanju se je obnašal enako.

Na podlagi dobljenih rezultatov D. Dalton izredno previdno oblikuje zaključek: »Na splošno ne vidim zadostnega razloga, ki bi nam preprečil sklepanje, da se vsi »elastični« plini pri enakem tlaku pri segrevanju enako razširijo.«

Do podobnega sklepa je prišel J. L. Gay-Lussac leta 1802. Toda njegova izjava je bila bolj določna kot izjava D. Daltona. Očitno se zato zakon o toplotnem raztezanju plinov imenuje ne po D. Daltonu, temveč po J. L. Gay-Lussacu.

Naprava, ki jo uporablja Gay-Lussac, je prikazana na sl. 2. Plin, temeljito posušen, je v pločevinki. V cevi je kapljica živega srebra, ki ujame plin. Cevi so nameščene vodoravno, tako da med ekspanzijo ni sprememb tlaka.

Petnajst let prej kot Gay-Lussac (leta 1787) se je tega vprašanja brez objave lotil francoski fizik Jacques Charles (1746–1823). Charles je ugotovil, da se kisik, dušik, ogljikov dioksid in zrak enako širijo v temperaturnem območju med 0 in 100 ºС. Gay-Lussac je vedel za delo svojega kolega in je vztrajal, da se drugi zakon o plinu imenuje po Jacquesu Alexandru Césarju Charlesu. Treba je opozoriti, da je v nekaterih državah, vključno z Rusijo, ta zakon še vedno znan kot Gay-Lussacov zakon. V publikacijah o zgodovini znanosti se prednostna naloga odkritja tretjega plinskega zakona - zakona o spremembi tlaka plina glede na temperaturo - običajno ne razpravlja. To odvisnost, kot tudi odvisnost prostornine plina od temperature, so preučevali številni znanstveniki, ki so preučevali lastnosti plinov v 17.–18. Zgodovina odkritja zakona o toplotnem raztezanju plinov je povezana z zgodovino izuma in izboljšave termometrov.

Prvi instrument za merjenje "toplote" in "hlada" v telesu je zračni termoskop G. Galileja (1597). Bistvo izkušnje, ki je bila spodbuda za nastanek termoskopa, je bilo naslednje. Majhno bučko, veliko kot jajce, z dolgim ​​in tankim vratom kot pšenično steblo, spustimo v skledo z vodo in z roko segrejemo. Če umaknete roke, se bo voda iz posode, ko se zrak v bučki ohladi, začela dvigovati v vrat. Benedetto Castelli, učenec G. Galilea, leta 1638 piše: "Zgoraj omenjeni signor Galileo je uporabil ta učinek za izdelavo instrumenta za določanje stopnje toplote in mraza."

Evangelista Torricelli je G. Galilejev zračni termoskop predelal v tekočinski (alkoholni) termometer. Termometer E. Torricellija - tako imenovani "florentinski termometer" - je bil zelo priročen za uporabo in je zato v 17. stoletju prejel univerzalno priznanje. Tovrstne termometre je v Angliji predstavil R. Boyle, hitro pa so se razširili v Francijo.

Izboljšanje zračnega termometra G. Galilea je izvedel G. Amonton, francoski fizik, član Pariške akademije znanosti (1699). Leta 1702 je zasnoval termometer, ki je bil po konceptu zelo podoben sodobnemu plinskemu termometru. G. Amontonov termometer je bila steklena cev v obliki črke U, katere krajše koleno se je končalo v rezervoarju z zrakom. Živo srebro smo vlili v dolgo koleno v količini, ki je potrebna za vzdrževanje stalne prostornine zraka v rezervoarju. Temperaturo zraka v posodi je določala višina živosrebrnega stebra.

Zanimivo je omeniti, da je pri delu s tem orodjem neposredno našel Amonton proporcionalna odvisnost med temperaturo in tlakom plina ter prišel do koncepta absolutna ničla, kar je po njegovih podatkih ustrezalo temperaturi –239,5 °C (1703).

2. Instrumenti in materiali, potrebni za poskus, shema vezja pilotni obrat

Postavitev za poskuse preučevanja odvisnosti tlaka plina od temperature pri stalni prostornini je bila precej zapletena.

Poglejmo shemo vezja eksperimentalna postavitev preučevanje odvisnosti tlaka plina od temperature pri stalni prostornini. Glavni del takšne naprave je velika bučka, v kateri je bil plin. Bučka se postavi v posodo z vodo. Spremembo tlaka plina lahko ocenimo z odčitki živosrebrnega manometra, priključenega na bučko. Temperaturo plina merimo z živosrebrnim termometrom.

J. Charles je proučeval odvisnost tlaka od temperature za naslednje pline: kisik, dušik, ogljikov dioksid in zrak.

3. Postopek izvedbe poskusa

Ko je bučko napolnil s taljenim ledom, je Charles izmeril tlak, ki ustreza temperaturi 0 ºС. Nato se je temperatura vode v veliki posodi spremenila, kar je povzročilo spremembo višine živosrebrnega stolpca v manometru. S segrevanjem vode v posodi, ki obdaja bučko, je Charles s termometrom zabeležil temperaturo plina in z manometrom ustrezen tlak.

Med eksperimentom je vpliv številnih dejavnikov popačil potek eksperimenta. Prvič, zaradi segrevanja je bučka s plinom delno spremenila svojo prostornino, zato ni bila zagotovljena stroga konstantnost prostornine proučevanega plina. Drugič, plin, ki se nahaja v tako imenovanem "škodljivem prostoru" (v tanki cevki, ki vodi do manometra), ni bil segret na enak način kot v bučki. Tretjič, prisotnost nečistoč v plinu (zlasti kondenzacijskih hlapov) je povzročila, da se je del komponent, ki so sestavljale plin, spremenil v tekoče stanje. V igri so bili tudi drugi dejavniki.

Poskusi znanstvenikov izključiti škodljivi učinki stranski učinki na potek eksperimenta in je praviloma vodilo do zapleta pri načrtovanju instalacije.

4. Glavni rezultati poskusa

Poskusi J. Charlesa so pokazali naslednje rezultate.

Povečanje tlaka plina določene mase pri segrevanju za 1 ºС je bilo določen delα p tlaka, ki ga je imel plin pri temperaturi 0 ºС. Tako se je izkazalo, da je povečanje tlaka sorazmerno s povečanjem temperature.

Vrednost α p imenujemo temperaturni koeficient tlaka. Po preučevanju številnih plinov je Charles zanje dobil približno enako vrednost temperaturni koeficient tlaka, in sicer vrednost, ki je enaka približno 1/273 ºС –1.

Tako se tlak določene mase plina pri segrevanju za 1 ºС s konstantnim volumnom poveča za 1/273 tlaka, ki ga je imela ta masa plina pri 0 ºС.

5. Glavni rezultati poskusa

IN sodobna formulacija Ta zakon je naslednji.

Matematično lahko J. Charlesov zakon zapišemo kot:

kjer je P 0 tlak plina pri T = T 0 = 273,15 K (to je pri temperaturi 0 ° C). Koeficient, ki je enak 1/273,15 K –1, se imenuje temperaturni tlačni koeficient.

Slika prikazuje odvisnost tlaka dane mase plina od njegove temperature. Za različne temperature plin lokacija krivulje odvisnosti od koordinatna ravnina različno. Izohore, ki prikazujejo odvisnost P od T za plin, ki upošteva Charlesov zakon, so ravne črte, ki se nahajajo višje na grafu, manjši je volumen.

Charlesov zakon velja samo za idealen plin. Uporablja se z do določene mere natančnost do realnih plinov pri nizki pritiski in nizke temperature (npr. atmosferski zrak produkti zgorevanja v plinskih motorjih itd.)

Razlago zakona, ki ga je postavil Charles, je mogoče podati s stališča molekularno kinetičnih konceptov strukture snovi.

Z vidika molekularna teorija Obstajata dva možna razloga za povečanje tlaka danega plina: prvič, število udarcev molekul na enoto časa na enoto površine se lahko poveča; drugič, mogoče je povečati impulz, ki se prenaša, ko ena molekula zadene steno posode. Oba razloga zahtevata povečanje hitrosti molekul (medtem ko prostornina dane mase plina ostane nespremenjena). Od tod postane jasno, da povečanje temperature plina kot makroznačilnosti ustreza povečanju hitrosti naključnega gibanja molekul kot značilnosti mikrosveta.

Pri zelo visoki pritiski poveča se interakcija med molekulami plina in opazimo odstopanja od linearnega Charlesovega zakona.

Charlesov zakon je izpeljan kot poseben primer iz Mendelejeva–Clapeyronove enačbe:

kjer je k = 1,38 J/K Boltzmannova konstanta.

Idealni plinski izoprocesi– procesi, pri katerih eden od parametrov ostane nespremenjen.

1. Izohorni proces . Charlesov zakon. V = konst.

Izohorni proces imenovan proces, ki nastane, ko stalen volumen V. Obnašanje plina v tem izohornem procesu uboga Charlesov zakon :

Pri stalni prostornini in stalnih vrednostih mase plina in njegove molska masa, razmerje med tlakom plina in njegovo absolutno temperaturo ostane konstantno: P/T= konst.

Graf izohornega procesa na PV-diagram se imenuje izohora . Koristno je poznati graf izohornega procesa na RT- In VT-diagrami (slika 1.6). Enačba izohore:

Kjer je P 0 tlak pri 0 °C, je α temperaturni koeficient tlaka plina, ki je enak 1/273 deg -1. Graf takšne odvisnosti od Рt-diagram ima obliko, prikazano na sliki 1.7.

riž. 1.7

2. Izobarični proces. Gay-Lussacov zakon. R= konst.

Izobarni proces je proces, ki poteka pri stalen pritisk R . Obnašanje plina med izobarnim procesom je ubogljivo Gay-Lussacov zakon:

Pri konstantnem tlaku in konstantnih vrednostih mase plina in njegove molske mase ostaja razmerje med prostornino plina in njegovo absolutno temperaturo konstantno: V/T= konst.

Graf izobarnega procesa na VT-diagram se imenuje izobara . Koristno je poznati grafe izobarnega procesa na PV- In RT-diagrami (slika 1.8).

riž. 1.8

Izobarna enačba:

kjer je α =1/273 deg -1 - temperaturni koeficient volumetrična ekspanzija . Graf takšne odvisnosti od Vt diagram ima obliko, prikazano na sliki 1.9.

riž. 1.9

3. Izotermični proces. Boyle-Mariottov zakon. T= konst.

Izotermično proces je proces, ki se zgodi, ko konstantna temperatura T.

Obnašanje idealnega plina med izotermnim procesom je ubogljivo Boyle-Mariottov zakon:

Pri konstantni temperaturi in konstantnih vrednostih mase plina in njegove molske mase produkt prostornine plina in njegovega tlaka ostane konstanten: PV= konst.

Urnik izotermični proces na PV-diagram se imenuje izoterma . Koristno je poznati grafe izotermnega procesa na VT- In RT-diagrami (slika 1.10).

riž. 1.10

Enačba izoterme:

4. Adiabatski proces(izentropsko):

Adiabatni proces je termodinamični proces, ki poteka brez izmenjave toplote z okoljem.

5. Politropni proces. Postopek, pri katerem ostane toplotna kapaciteta plina konstantna. Politropni proces – splošni primer vse zgoraj navedene postopke.

6. Avogadrov zakon. Pri enakih tlakih in enakih temperaturah, v enake količine vsebovanih različnih idealnih plinov enako število molekule. V enem trgovskem centru različne snovi vsebuje N A=6,02·10 23 molekule (Avogadrovo število).

7. Daltonov zakon. Tlak mešanice idealnih plinov je enak vsoti parcialnih tlakov P plinov, ki so v njej:

(1.4.6)

Parcialni tlak Pn je tlak, ki bi ga dani plin izvajal, če bi sam zasedel celotno prostornino.

pri , tlak mešanice plinov.

Pri konstantnem tlaku je prostornina plina sorazmerna z njegovo temperaturo.

Eden od pionirjev aeronavtike, Jacques Alexandre César Charles, je v znanost prišel zaradi svoje strasti do gradnje balonov na vroč zrak - velikih baloni, napolnjen z ogrevanim zrakom, ki se je ravno takrat pojavil. Govoril sem s sodobnimi piloti balonov in trdijo, da njihova zasnova odprtega plinskega gorilnika, ki jo je razvil Charles pred več kot dvema stoletjema, ni bila bistveno spremenjena in se uporablja še danes. Ni presenetljivo, da znanstveni interesi Charles je ležal na področju proučevanja lastnosti plinov, zato št. Charles je leta 1787 po seriji poskusov s kisikom, dušikom, vodikom in ogljikovim dioksidom oblikoval zakon, ki nosi njegovo ime.

Da bi razumeli pomen Charlesovega zakona, si predstavljajte plin kot zbirko hitro premikajočih se in trkajočih molekul. Tlak plina določajo udarci molekul na stene posode: več udarcev, višji je tlak. Na primer, molekule zraka v prostoru, v katerem ste, ustvarjajo pritisk 101.325 paskala (ali 1 bar, če govorimo o o meteorologiji).

Če želite razumeti Charlesov zakon, si predstavljajte zrak v notranjosti balon. Pri konstantni temperaturi se zrak v balonu širi ali krči, dokler tlak, ki ga proizvajajo njegove molekule, ne doseže 101.325 paskalov in je enak zračni tlak. Z drugimi besedami, dokler ne bo za vsak udarec molekule zraka od zunaj, usmerjen v kroglico, sledil podoben udarec molekule zraka, usmerjen od znotraj kroglice navzven. Če znižate temperaturo zraka v krogli (na primer tako, da jo postavite v velik hladilnik), se bodo molekule znotraj krogle začele gibati počasneje in z notranje strani manj energično udarjale v stene krogle. Molekule zunanjega zraka bodo nato bolj pritiskale na kroglo in jo stisnile, posledično se bo prostornina plina v krogli zmanjšala. To se bo dogajalo, dokler povečanje gostote plina ne bo kompenziralo znižane temperature, nato pa se bo ponovno vzpostavilo ravnovesje.

Charlesov zakon je skupaj z drugimi plinskimi zakoni tvoril osnovo enačbe stanja idealnega plina, ki opisuje razmerje med tlakom, prostornino in temperaturo plina s količino snovi.

Jacques Alexandre César Charles, 1746-1823

Francoski fizik, kemik, inženir in letalec. Rojen v Beaugencyju. V mladosti je služil kot uradnik na ministrstvu za finance v Parizu. Ker se je začel zanimati za aeronavtiko, je razvil balone moderne oblike, katerih dvižna sila je posledica širjenja zraka, segretega z gorilnikom znotraj krogle. Bil je eden prvih, ki je zapolnil Baloni vodik (ki je mnogokrat lažji od zraka in zagotavlja bistveno večji vzgon kot vroč zrak), s čimer je postavil rekorde v višini vzgona (več kot 3000 m) in dosegu leta (43 km). Letalstvo je tisto, zaradi česar se je Charles zanimal za preučevanje lastnosti plinov.

Charlesov zakon ali Gay-Lussacov drugi zakon - eden od osnovnih plinskih zakonov, ki opisuje razmerje med tlakom in temperaturo za idealni plin. Charles je leta 1787 eksperimentalno ugotovil odvisnost tlaka plina od temperature pri stalni prostornini, leta 1802 pa jo je izboljšal Gay-Lussac.

Nejasnost terminologije[ | ]

V ruskem in angleškem jeziku znanstvena literatura Obstaja nekaj razlik v imenih zakonov, povezanih z imenom Gay-Lussac. Te razlike so predstavljene v naslednji tabeli:

Izjava zakona[ | ]

Formulacija Charlesovega zakona je naslednja:

Tlak plina s fiksno maso in fiksno prostornino je neposredno sorazmeren z absolutno temperaturo plina.

Preprosto povedano, če se temperatura plina poveča, se poveča tudi njegov tlak, če ostaneta masa in prostornina plina še posebej preprosta matematična oblika, če se temperatura meri z absolutna lestvica, na primer v kelvinih. Matematično je zakon zapisan takole:

Ta zakon je resničen, ker je temperatura merilo povprečne kinetične energije snovi. če kinetična energija plin poveča, njegovi delci hitreje trčijo ob stene posode in s tem ustvarijo višji tlak.

Primerjati isto snov na dveh različni pogoji, lahko zakon zapišemo kot:

Amontonov zakon o tlaku in temperaturi: zgoraj opisani zakon tlaka gre pravzaprav pripisati Guillaumeu Amontonu, ki je v začetku XVIII stoletja (natančneje med letoma 1700 in 1702) odkrili, da je tlak fiksne mase plina, ki se vzdržuje pri konstantnem volumnu, sorazmeren z njegovo temperaturo. Amonton je to odkril med gradnjo "zračnega termometra". Imenovanje tega zakona Gay-Lussacov zakon je preprosto napačno, saj je Gay-Lussac proučeval razmerje med prostornino in temperaturo, ne tlakom in temperaturo.

Charlesov zakon je bil znan kot Charlesov in Gay-Lussacov zakon, ker ga je Gay-Lussac objavil leta 1802 z uporabo Charlesovih večinoma neobjavljenih podatkov od leta 1787. Gay-Lussacov zakon, Charlesov zakon in Boylov zakon - Mariotte vsi skupaj tvorijo enoten plinski zakon. V kombinaciji z

Nejasnost terminologije

V ruski in angleški jezikovni znanstveni literaturi obstajajo nekatere razlike v imenih zakonov, povezanih z imenom Gay-Lussac. Te razlike so predstavljene v naslednji tabeli.

Izjava zakona

Formulacija Charlesovega zakona je naslednja:

Tlak plina s fiksno maso in fiksno prostornino je neposredno sorazmeren z absolutno temperaturo plina.

Preprosto povedano, če se temperatura plina poveča, se poveča tudi njegov tlak, če ostaneta masa in prostornina plina nespremenjena. Zakon ima posebno preprosto matematično obliko, če temperaturo merimo na absolutni lestvici, na primer v. stopinj Kelvina. Matematično je zakon zapisan takole:

Poglej tudi

Opombe

Povezave

Literatura

• Castka, Joseph F.; Metcalfe, H. Clark; Davis, Raymond E.; Williams, John E. Moderna kemija. - Holt, Rinehart in 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. Kako pripraviti za SAT II Kemija. - Barron's, 1998. - ISBN 0-7641-0331-8

Fundacija Wikimedia. 2010.

Oglejte si, kaj je "Charles' Law" v drugih slovarjih:

CHARLESOV ZAKON, prostornina plina pri stalnem tlaku je premo sorazmerna z njegovo absolutno temperaturo. To razmerje je prvi izpeljal Jacques CHARLES leta 1787. Zakon je poseben primer ZAKONA IDEALNEGA PLINA. Včasih se imenuje ... ...

KARLOV ZAKON- eden od osnovnih plinskih zakonov, po katerem se tlak p dane mase idealnega plina pri stalni prostornini spreminja sorazmerno s spremembo termodinamične (absolutne) temperature T: Pravi plini upoštevajte ta zakon, ko ... Velika politehnična enciklopedija

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

Zakon Boyla Marriotta je eden od osnovnih plinskih zakonov. Zakon je dobil ime po irskem fiziku, kemiku in filozofu Robertu Boylu (1627 1691), ki ga je odkril leta 1662, in tudi v čast francoski fizik Edma Mariotta (1620 1684), ki je odkril... ... Wikipedijo

Zrak (oz inertni plin), ki se nahaja v zaprti vrečki s piškoti, se razširi, ko je izdelek dvignjen na veliko višino nad morsko gladino (približno 2000 m) Zakon Boyle Mariotta je eden glavnih zakonov plina ... Wikipedia

ZAKON IDEALNEGA PLINA, zakon, ki določa razmerje med tlakom, temperaturo in prostornino idealnega plina: pV = nRT, kjer je n število molekul plina, R pa univerzalna PLINSKA KONSTANTA; zakon določa, da pri stalni temperaturi (T) izdelek... ... Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar

Animacija, ki prikazuje odvisnost prostornine plina od temperature (Gay Lussacov zakon) Zakon ... Wikipedia

Idealni tlak plina pt konstantna masa prostornina pa s segrevanjem narašča linearno: рt = р0(1 + αt), kjer sta рt in р0 tlak plina pri temperaturah t in 0°C, α = 1/273K 1. Leta 1787 ga je odkril francoski znanstvenik J. Charles, izpopolnil J. Gay Lussac... ... enciklopedični slovar

Enačba stanja Ta članek je del serije Termodinamika. Enačba stanja idealnega plina Van der Waalsova enačba Ditericijeva enačba Oddelki termodinamike Načela termodinamike Enačba ... Wikipedia