Июнь 20th, 2024 
raven000 Исследование физических характеристик газа
История научных открытий очень часто начинается с того, что «нужный» человек оказался в нужном месте и в нужное время. Так случилось и с изучением газов. Французский физик, химик, инженер Серж Шарль заинтересовался воздухоплаванием. В связи с этим пришлось изучить зависимость давления от температуры воздуха. Конечно же, тепло всегда было первейшим инструментом исследователей. Еще бы, мощный, легко управляемый источник энергии, и всегда под рукой. Наиболее древний инструмент познания всегда был пробным камнем, типа «ну-ну, посмотрим, что будет, когда чуток подогреть, а если добавить…» и т.д.
И что же такого интересного обнаружил Шарль в газах? Проведем собственное исследование. Возьмем стеклянную трубу, с одной стороны ее закроем наглухо, а внутри расположим поршень, который скользит по трубе. Рядышком установим источник тепловой энергии – обычную спиртовку — и снабдим наш лабораторный стенд измерителями температуры и давления – ведь именно зависимость давления от температуры мы собираемся исследовать. Итак, начнем…
У нас имеется некоторое 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 полученные данные, увидим, что зависимость давления от температуры носит пропорциональный характер – с повышением температуры увеличивается и давление. Заметим, что поршень подвергается разному давлению: снаружи — это атмосферное, а изнутри – от нагретого газа. Для следующего опыта снимем фиксатор поршня и увидим, что поршень переместится до выравнивания давлений. Но при этом изменился объем газа, а его количество (масса) осталось прежним. Отсюда следует вывод, который получил Шарль: при неизменной массе и объеме давление газа прямо пропорционально температуре – простенько и со вкусом.
Иными словами, при постоянном объеме от нагревания увеличивается давление, а при постоянном давлении при нагревании увеличивается объем. Для воздухоплавания это означало, что при подогреве воздуха от горелки он расширяется и его объем увеличивается, а объем шара — нет. Значит, лишний воздух покидает шар и внутри него остается масса воздуха меньше, чем масса такого же объема воздуха снаружи. Срабатывает закон Архимеда, и шару ничего не остается, как взлететь на радость публике.
Но самым замечательным выводом является то, что давление Р и температура Т связаны между собой соотношением P1/T1=P2/T2=….=Pn/Tn=CONST. Можно изложить иначе: P = k * T , где k – некая газовая постоянная. Если применить эти соотношения к единичным величинам температуры, давления и объема, то можно получить хорошо известные константы. Например, объем газа увеличивается при нагреве в 1 градус на 1/273 исходной величины.
Безусловно, большой интерес вызывает зависимость давления от температуры веществ при фазовых переходах, допустим, жидкости в газ. Наиболее близким объектом для исследований такого рода является вода. Образующийся над поверхностью воды пар является следствием перехода некоторого числа молекул из воды во внешнюю среду. Этому препятствуют два фактора – силы поверхностного натяжения и внешнее давление. Преодолеть их могут себе позволить только молекулы с достаточным энергетическим потенциалом – эквивалентом температуры. Есть два пути достижения такого потенциала: можно увеличить энергию молекул нагреванием воды или уменьшить противодействие внешнего давления. Первый способ подтверждается известным фактом – подогретая вода испаряется быстрее, а второй — снижает энергетический порог молекул, покидающих «родительскую» среду.
Вернемся к нашей лабораторной установке. Пространство под поршнем заполним водой, совсем немного, буквально 20-40 г. Заметим, что поршень должен свободно перемещаться, а система должна иметь сбросовый клапан. Если воду нагреть, то образовавшийся водяной пар сдвинет поршень и освободит себе «место под солнцем». Пространство над поршнем следует подключить к источнику воздуха с изменяющимся давлением, например, установить второй поршень с управляемым вручную штоком. Теперь можно исследовать зависимость температуры пара от давления. Перемещая поршень со штоком, меняем внешнее для первого поршня давление. Промежуточные данные фиксируем. Правильно будет фиксировать температуру пара при установившемся, т.е. неизменном, хотя бы кратковременно, значении. Если пренебречь теплообменом с окружающей средой, то поведение пара не сильно отличается от поведения идеального газа.
Интересно, что даже на такой примитивной установке можно наблюдать и зависимость температуры кипения от давления. Вспомним, что кипением называется переход жидкости в пар с образованием пузырьков по всему объему жидкости. Т.о. фиксировать кипение очень легко. И здесь также с увеличением давления температура закипания жидкости возрастает, а значит, несложно продемонстрировать удивительный для непосвященных трюк — кипящую воду при температуре всего 80 градусов Цельсия или, 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 созданы различные тепловые машины: паровая машина, локомобиль, паровоз, двигатель внутреннего сгорания. И мало кто знает, что первенцем среди них, безусловно, следует считать воздушный шар.
Опубликовано в рубрике 
