Исследование физических черт газа

История научных открытий очень нередко начинается с того, что «подходящий» человек оказался в подходящем месте и в необходимое время. Так случилось и с исследованием газов. Французский физик, химик, инженер Серж Шарль заинтересовался воздухоплаванием. В связи с этим пришлось изучить зависимость давления от температуры воздуха. Конечно, тепло всегда было первейшим инвентарем исследователей. Еще бы, мощнейший, просто управляемый источник энергии, и всегда под рукою. Более старый инструмент зания всегда был пробным камнем, типа «ну-ну, поглядим, что будет, когда чуть подогреть, а если добавить…» и т.д.

И что все-таки такового увлекательного нашел Шарль в газах? Проведем собственное исследование. Возьмем стеклянную трубу, с одной стороны ее закроем наглухо, а снутри расположим поршень, который скользит по трубе. Рядышком установим источник термический энергии – обыденную спиртовку — и снабдим наш лабораторный щит измерителями температуры и давления – ведь конкретно зависимость давления от температуры мы собираемся изучить. Итак, начнем…

У нас имеется некое количество газа в объеме, ограниченном донышком цилиндра и поршнем. Зафиксируем поршень и подогреем спиртовкой исследуемый газ. Запишем несколько значений давления Pn и температуры Tn газа. Анализируя приобретенные данные, увидим, что зависимость давления от температуры носит пропорциональный нрав – с увеличением температуры возрастает и давление. Заметим, что поршень подвергается различному давлению: снаружи — это атмосферное, а изнутри – от нагретого газа. Для последующего опыта снимем фиксатор поршня и увидим, что поршень переместится до выравнивания давлений. Но при всем этом поменялся объем газа, а его количество (масса) осталось прежним. Отсюда следует вывод, который получил Шарль: при постоянной массе и объеме давление газа прямо пропорционально температуре – простенько и со вкусом.

Другими словами, при неизменном объеме от нагревания возрастает давление, а при неизменном давлении при нагревании возрастает объем. Для воздухоплавания это означало, что при обогреве воздуха от горелки он расширяется и его объем возрастает, а объем шара — нет. Означает, излишний воздух покидает шар и снутри него остается масса воздуха меньше, чем масса того же объема воздуха снаружи. Срабатывает закон Архимеда, и шару ничего не остается, как взлететь на удовлетворенность публике.

Но самым восхитительным выводом будет то, что давление Р и температура Т связаны меж собой соотношением P1/T1=P2/T2=….=Pn/Tn=CONST. Можно выложить по другому: P = k * T , где k – некоторая газовая неизменная. Если применить эти соотношения к единичным величинам температуры, давления и объема, то можно получить отлично известные константы. К примеру, объем газа возрастает при нагреве в 1 градус на 1/273 начальной величины.

Непременно, большой энтузиазм вызывает зависимость давления от температуры веществ при фазовых переходах, допустим, воды в газ. Более близким объектом для исследовательских работ такового рода является вода. Образующийся над поверхностью воды пар является следствием перехода некого числа молекул из воды во внешнюю среду. Этому препятствуют два фактора – силы поверхностного натяжения и наружное давление. Преодолеть их могут для себя позволить только молекулы с достаточным энергетическим потенциалом – эквивалентом температуры. Есть два пути заслуги такового потенциала: можно прирастить энергию молекул нагреванием воды либо уменьшить противодействие наружного давления. 1-ый метод подтверждается известным фактом – нагретая вода испаряется резвее, а 2-ой — понижает энергетический порог молекул, покидающих «родительскую» среду.

Вернемся к нашей лабораторной установке. Место под поршнем заполним водой, совершенно малость, практически 20-40 г. Заметим, что поршень должен свободно передвигаться, а система обязана иметь сбросовый клапан. Если воду подогреть, то образовавшийся водяной пар двинет поршень и высвободит для себя «место под солнцем». Место над поршнем следует подключить к источнику воздуха с изменяющимся давлением, к примеру, установить 2-ой поршень с управляемым вручную штоком. Сейчас можно изучить зависимость температуры пара от давления. Перемещая поршень со штоком, меняем наружное для первого поршня давление. Промежные данные закрепляем. Верно будет фиксировать температуру пара при установившемся, т.е. постоянном, хотя бы краткосрочно, значении. Если пренебречь термообменом с окружающей средой, то поведение пара не очень отличается от поведения безупречного газа.

Любопытно, что даже на таковой примитивной установке можно следить и зависимость температуры кипения от давления. Вспомним, что кипением именуется переход воды в пар с образованием пузырьков по всему объему воды. Т.о. фиксировать кипение совсем не сложно. И тут также с повышением давления температура закипания воды увеличивается, а означает, нетрудно показать умопомрачительный для непосвященных трюк — кипящую воду при температуре всего 80 градусов Цельсия либо, казалось бы, вопреки здравому смыслу, больше 110 тех же самых градусов Цельсия.

Вот так после исследования поведения газа, пара при воздействии источников тепла на вещество, в конце концов, и были сделаны разные термические машины: паровая машина, локомобиль, паровоз, бензиновый двигатель. И не много кто знает, что первенцем посреди их, непременно, следует считать воздушный шар.