2.1. Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля

Х орошо известный закон Бойля-Мариотта был установлен английским физиком Бойлем в 1662 г. и независимо от него французским ученым Мариоттом в 1679 г.

МАРИОТТ Эдм (1620-1684) Французский физик, член Парижской Академии Наук (1666), один из ее основателей. В 1676 г. установил закон изменения объема данной массы газа от давления при постоянной температуре (закон Бойля-Мариотта). Предсказал разнообразные применения этого закона, в частности, расчет высоты местности по данным барометра. Доказал увеличение объема воды при замерзании. Обнаружил слепое пятно в глазу, исследовал цвета, в частности, цветные кольца вокруг Солнца и Луны, изучал радугу, дифракцию света.

Роберт БОЙЛЬ (1627-1691) Б ойль был одним из основателей и соучредителей Королевского общества, выросшего из кружка молодых оксфордских ученых. Провел целый ряд новаторских химических экспериментов, включая эксперименты по детальному изучению свойств кислот и оснований. По некоторым данным, первым выдвинул гипотезу о существовании химических элементов. Доказал, что воздух необходим для горения и дыхания.

Рис. 2.1

Для данной массы газа m при неизменной температуре Т произведение давления на объем есть величина постоянная:

.

Процесс, происходящий при постоянной температуре, называется изотермическим. График этого процесса в координатах p – V представлен на рис. 2.1.

Закон, связывающий объем газа V и его температуру t, измеренную в градусах Цельсия, был установлен французским ученым Гей-Люссаком в 1802 г.

Жозеф-Луи Гей-Люссак (1778-1850) Французский химик и физик. Работы Гей-Люссака относятся к различным областям х имии и физики (газовые законы).

Для данной массы m при постоянном давлении р объем газа линейно зависит от температуры:

Рис. 2.2

,

где V₀ – объем газа при нуле градусов Цельсия, α – коэффициент объемного расширения, t – температура по шкале Цельсия.

График этого процесса, называемого изобарическим, представлен на рис. 2.2. Коэффициент α для всех газов равен

.

Закон, связывающий давление газа р и его температуру t, установлен Шарлем.

Ж ак Александр Сезар ШАРЛЬ (1746-1823) Французский физик, химик, инженер и воздухоплаватель. Заинтересовавшись воздухоплаванием, разработал монгольфьеры современной конструкции, подъемная сила которых обусловлена расширением нагретого горелкой воздуха внутри шара. Он же одним из первых стал наполнять воздушные шары водородом (который во много раз легче воздуха и обеспечивает значительно большую подъемную силу, нежели горячий воздух), установив благодаря этому рекорды высоты подъема (более 3 000 м) и дальности полета (43 км). Именно занятия воздухоплаванием заставили Шарля заинтересоваться исследованиями свойств газов. Закон, носящий его имя, Шарль сформулировал в 1787 г. после ряда опытов с кислородом, азотом, водородом и углекислым газом.

Рис. 2.3

Для данной массы m при постоянном объеме V давление газа линейно зависит от температуры:

,

где p₀ – давление газа при нуле градусов Цельсия, β – коэффициент объемного расширения, t – температура по шкале Цельсия.

График этого процесса, называемого изохорическим, представлен на рис. 2.3. Коэффициент β для всех газов равен

,

В координатах Р–V изобарический и изохорический процессы представлены на рис. 2.4.

Рис. 2.4

Опытные законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля справедливы для широкого интервала давлений, объемов и температур. Однако когда давления превышают атмосферное в 300-400 раз, или температуры очень высоки, наблюдаются отклонения от этих законов. Тем не менее, во многих случаях эти законы удобны для практического применения.

Если бы существовал газ, для которого не было бы отклонений от этих законов, то такой газ был бы идеальным газом.