Часть серии о | |||||||
Механика сплошной среды | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Законы диффузии Фика | |||||||
Законы
| |||||||
Механика твердого тела | |||||||
Гидравлическая механика
| |||||||
Реология
| |||||||
Ученые | |||||||
|
Закон Чарльза (также известный как закон объемов) - это экспериментальный газовый закон, который описывает, как газы имеют тенденцию расширяться при нагревании. Современная формулировка закона Чарльза:
Когда давление на образец сухого газа поддерживается постоянным, температура Кельвина и объем будут прямо пропорциональны.
Эта прямая пропорциональная зависимость может быть записана как:
Итак, это означает:
V - объем газа,
T - температура газа (измеряется в градусах Кельвина ),
а k - ненулевая константа.
Этот закон описывает, как газ расширяется при повышении температуры; наоборот, понижение температуры приведет к уменьшению объема. Для сравнения одного и того же вещества при двух разных наборах условий закон можно записать как:
Уравнение показывает, что с увеличением абсолютной температуры пропорционально увеличивается и объем газа.
Закон был назван в честь ученого Жака Шарля, который сформулировал первоначальный закон в своей неопубликованной работе 1780-х годов.
В двух из серии из четырех эссе, представленных между 2 и 30 октября 1801 года, Джон Дальтон экспериментально продемонстрировал, что все газы и пары, которые он изучал, расширяются на одинаковую величину между двумя фиксированными температурами. Французский естествоиспытатель Жозеф Луи Гей-Люссак подтвердил открытие в презентации французского Национального института по 31 января 1802 года, хотя он приписывает открытие в неопубликованную работу с 1780 - х по Жаку Шарлю. Основные принципы уже были описаны Гийомом Амонтоном и Фрэнсисом Хоксби столетием раньше.
Дальтон был первым, кто продемонстрировал, что закон применим вообще ко всем газам и к парам летучих жидкостей, если температура была значительно выше точки кипения. Гей-Люссак согласился. С измерениями только в двух термометрических фиксированных точках воды Гей-Люссак не смог показать, что уравнение, связывающее объем с температурой, является линейной функцией. Только по математическим причинам статья Гей-Люссака не допускает назначения какого-либо закона, устанавливающего линейную связь. Основные выводы Дальтона и Гей-Люссака можно математически выразить следующим образом:
где V 100 - объем, занимаемый данной пробой газа при 100 ° C; V 0 - объем, занимаемый той же пробой газа при 0 ° C; и к является константой, которая является одинаковой для всех газов при постоянном давлении. Это уравнение не содержит температуры и, следовательно, не имеет ничего общего с тем, что стало известно как закон Чарльза. Значение Гей-Люссака для k ( 1 ⁄ 2,6666) было идентично раннему значению Дальтона для паров и очень близко к сегодняшнему значению 1 ⁄ 2,7315. Гей-Люссак назвал это уравнение неопубликованными заявлениями своего соотечественника, гражданина-республиканца Дж. Чарльза в 1787 году. Ввиду отсутствия твердой записи газовый закон, связывающий объем с температурой, не может быть назван в честь Чарльза. Измерения Дальтона имели гораздо больший охват в отношении температуры, чем измерения Гей-Люссака, не только измерения объема в фиксированных точках воды, но также и в двух промежуточных точках. Не зная о неточностях ртутных термометров в то время, которые были разделены на равные части между фиксированными точками, Дальтон, сделав вывод в эссе II, что в случае паров «любая эластичная жидкость почти равномерно расширяется на 1370 или 1380». части на 180 градусов тепла », не смог подтвердить это для газов.
Закон Чарльза, по-видимому, подразумевает, что объем газа уменьшится до нуля при определенной температуре (−266,66 ° C по данным Гей-Люссака) или −273,15 ° C. Гей-Люссак ясно дал понять, что закон неприменим при низких температурах:
но я могу упомянуть, что этот последний вывод не может быть верным, если только сжатые пары остаются полностью в упругом состоянии; для этого необходимо, чтобы их температура была достаточно высокой, чтобы они могли противостоять давлению, которое заставляет их переходить в жидкое состояние.
При абсолютном нуле температуры газ обладает нулевой энергией и, следовательно, молекулы ограничивают движение. Гей-Люссак не имел опыта работы с жидким воздухом (впервые полученным в 1877 году), хотя он, кажется, полагал (как и Дальтон), что «постоянные газы», такие как воздух и водород, могут быть сжижены. Гей-Люссак также работал с парами летучих жидкостей, демонстрируя закон Чарльза, и знал, что этот закон не применяется чуть выше точки кипения жидкости:
Я могу, однако, заметить, что когда температура эфира лишь немного выше его точки кипения, его конденсация происходит немного быстрее, чем у атмосферного воздуха. Этот факт связан с явлением, которое проявляется очень многими телами при переходе из жидкости в твердое состояние, но которое больше не ощущается при температурах на несколько градусов выше той, при которой происходит переход.
Первое упоминание о температуре, при которой объем газа может упасть до нуля, было сделано Уильямом Томсоном (позже известным как лорд Кельвин) в 1848 году:
Это то, что мы можем ожидать, когда размышляем о том, что бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов ниже нуля на воздушном термометре; поскольку, если мы достаточно далеко продвинем строгий принцип градуировки, изложенный выше, мы должны прийти к точке, соответствующей уменьшенному до нуля объему воздуха, которая будет отмечена как -273 ° шкалы (-100 / 0,366., если 0,366 - коэффициент расширения); и поэтому -273 ° воздушного термометра - это точка, которая не может быть достигнута при любой конечной температуре, какой бы низкой она ни была.
Однако «абсолютный ноль» на температурной шкале Кельвина был первоначально определен в терминах второго закона термодинамики, который сам Томсон описал в 1852 году. Томсон не предполагал, что это равняется «точке нулевого объема» закона Чарльза. просто то, что закон Чарльза давал минимальную температуру, которая могла быть достигнута. Их эквивалентность можно показать с помощью статистического взгляда на энтропию Людвига Больцмана (1870 г.).
Однако Чарльз также заявил:
Кинетическая теория газов связывает макроскопические свойства газов, такие как давление и объем, на микроскопические свойства молекул, составляющие газ, в частности, массу и скорость молекул. Чтобы вывести закон Чарльза из кинетической теории, необходимо иметь микроскопическое определение температуры: его можно удобно принять как температуру, пропорциональную средней кинетической энергии молекул газа E k:
Согласно этому определению, демонстрация закона Чарльза почти тривиальна. Кинетическая теория, эквивалентная закону идеального газа, связывает PV со средней кинетической энергией:
зависимость k есть?