Досліджувати залежність тиску від температури - немає нічого простіше ...

Дослідження фізичних характеристик газу

Історія наукових відкриттів дуже часто починається з того, що «потрібний» людина опинилася в потрібному місці і в потрібний час. Так сталося і з вивченням газів. Французький фізик, хімік, інженер Серж Шарль зацікавився повітроплаванням. У зв`язку з цим довелося вивчити залежність тиску від температури повітря. Звичайно ж, тепло завжди було найпершим інструментом дослідників. Ще б пак, потужний, легко керований джерело енергії, і завжди під рукою. Найбільш древній інструмент пізнання завжди був пробним каменем, типу "ну-ну, подивимося, що буде, коли трохи підігріти, а якщо додати ..." і т.д.

І що ж такого цікавого виявив Шарль в газах? Проведемо власне дослідження. Візьмемо скляну трубу, з одного боку її закриємо наглухо, а всередині розташуємо поршень, який ковзає по трубі. Поряд встановимо джерело теплової енергії - звичайну спиртівку - і забезпечимо наш лабораторний стенд вимірювачами температури і тиску - адже саме залежність тиску від температури ми збираємося досліджувати. Отже, почнемо ...

У нас є певна кількість газу в обсязі, обмеженому денцем циліндра і поршнем. Зафіксуємо поршень і подогреем спиртівкою досліджуваний газ. Запишемо кілька значень тиску Pn і температури Tn газу. Аналізуючи отримані дані, побачимо, що залежність тиску від температури носить пропорційний характер - з підвищенням температури збільшується і тиск. Зауважимо, що поршень піддається різному тиску: зовні - це атмосферне, а зсередини - від нагрітого газу. Для наступного досвіду знімемо фіксатор поршня і побачимо, що поршень переміститься до вирівнювання тисків. Але при цьому змінився обсяг газу, а його кількість (маса) залишилося колишнім. Звідси випливає висновок, який отримав Шарль: при незмінній масі та обсязі тиск газу прямо пропорційно температурі - простенько і зі смаком.

Іншими словами, при постійному обсязі від нагрівання збільшується тиск, а при постійному тиску при нагріванні збільшується обсяг. Для повітроплавання це означало, що при підігріві повітря від пальника він розширюється і його обсяг збільшується, а об`єм кулі - ні. Значить, зайве повітря залишає куля і всередині нього залишається маса повітря менше, ніж маса такого ж об`єму повітря зовні. Спрацьовує закон Архімеда, і кулі нічого не залишається, як злетіти на радість публіці.

Але самим чудовим висновком є те, що тиск Р і температура Т пов`язані між собою співвідношенням P1 / T1 = P2 / T2 = .... = Pn / Tn = CONST. Можна викласти інакше: P = k * T, де k - якась газова стала. Якщо застосувати ці співвідношення до одиничних величинам температури, тиску та об`єму, то можна отримати добре відомі константи. Наприклад, обсяг газу збільшується при нагріванні в 1 градус на 1/273 вихідної величини.

Безумовно, великий інтерес викликає залежність тиску від температури речовин при фазових переходах, припустимо, рідини в газ. Найбільш близьким об`єктом для досліджень такого роду є вода. Утворений над поверхнею води пар є наслідком переходу деякого числа молекул з води в зовнішнє середовище. Цьому перешкоджають два фактори - сили поверхневого натягу і зовнішній тиск. Подолати їх можуть собі дозволити тільки молекули з достатнім енергетичним потенціалом - еквівалентом температури. Є два шляхи досягнення такого потенціалу: можна збільшити енергію молекул нагріванням води або зменшити протидію зовнішнього тиску. Перший спосіб підтверджується відомим фактом - підігріта вода випаровується швидше, а другий - знижує енергетичний поріг молекул, що залишають «батьківську» середовище.

Повернемося до нашої лабораторній установці. Простір під поршнем заповнимо водою, зовсім небагато, буквально 20-40 м Зауважимо, що поршень повинен вільно переміщатися, а система повинна мати скидний клапан. Якщо воду нагріти, то утворився водяний пар зрушить поршень і звільнить собі "місце під сонцем". Простір над поршнем слід підключити до джерела повітря із змінним тиском, наприклад, встановити другий поршень з керованим вручну штоком. Тепер можна досліджувати залежність температури пари від тиску. Переміщаючи поршень зі штоком, міняємо зовнішнє для першого поршня тиск. Проміжні дані фіксуємо. Правильно буде фіксувати температуру пари при сталому, тобто незмінному, хоча б короткочасно, значенні. Якщо знехтувати теплообміном з навколишнім середовищем, то поведінка пара не сильно відрізняється від поведінки ідеального газу.

Цікаво, що навіть на такій примітивній установці можна спостерігати і залежність температури кипіння від тиску. Згадаймо, що кипінням називається перехід рідини в пару з утворенням бульбашок по всьому об`єму рідини. Т.ч. фіксувати кипіння дуже легко. І тут також зі збільшенням тиску температура закипання рідини зростає, а значить, нескладно продемонструвати дивовижний для непосвячених трюк - киплячу воду при температурі всього 80 градусів Цельсія або, здавалося б, всупереч здоровому глузду, більше 110 тих же самих градусів Цельсія.

Ось так після дослідження поведінки газу, пари при впливі джерел тепла на речовину, зрештою, і були створені різні теплові машини: парова машина, локомобіль, паровоз, двигун внутрішнього згоряння. І мало хто знає, що первістком серед них, безумовно, слід вважати повітряна куля.