Из истории открытия газовых законов

Из газовых законов первым был открыт закон, устанавливающий связь давления газа с занимаемым им объемом. Он был опубликован в 1660 г. английским физиком Робертом Бойлем. Существует предание, что Бойль боялся смерти только по одной причине: на том свете уже все известно и нет необходимости заниматься экспериментами.

Истоки исследований Бойлем свойств газов, по всей видимости, лежат в работах по усовершенствованию воздушного насоса, разработанного Отто Герике. Пытаясь понять принцип работы насоса, он изобрел несколько несложных приборов, которые позволяли измерять изменение объема данного количества воздуха при изменении его давления.

Один из этих приборов представлял из себя изогнутую, запаянную с одного конца, стеклянную трубку, которая заполнялась ртутью. При заполнении трубки ртутью, в ее коротком отростке оставался запертый столбик воздуха. Когда Бойль доливал в длинный отросток ртуть, длина воздушного столбика уменьшалась. При изменении этой длины в два раза, разность уровней ртути в коленах оказывалась равной атмосферному давлению. Опыт наводил на мысли о существовании обратно пропорциональной зависимости между давлением и объемом. При повторных опытах Бойль доливал ртуть малыми порциями и получил полное подтверждение своему предположению.

Однако он не удовлетворился этими результатами и провел серию экспериментов в области пониженного давления. Для этого он взял трубку длиной порядка двух метров и поместил ее в более широкий сосуд, наполненный ртутью. Путем нагревания и охлаждения он втянул в трубку ртуть так, что в верхней ее части осталось небольшое воздушное пространство. При подъеме трубки, давление в ней понижалось, а объем воздуха увеличивался.

Ниже приведена часть данных, полученных Бойлем. Читателю предлагается самостоятельно построить график зависимости давления воздуха от занимаемого им объема. Следует учесть, что значение объемов приведено в условных единицах, а давление выражено в дюймах ртутного столба. При построении графика исходить следует из следующих соотношений: атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. = 29 дюйма = 105 Па.


Объем в
произвольных
единицах
Избыточное
давление
в дюймах
ртутного
столба
Давление
48 0
42
36
30
24
21
18
15
12

Закон Бойля в 1679 г. был переоткрыт французским физиком Эдмом Мариоттом. Во Франции этот закон до сих пор называют законом Мариотта. При этом никто не оспаривает приоритета Бойля. Но дело в том, что Бойль свое открытие считал просто интересным свойством воздуха, тогда как Мариотт этому закону нашел разнообразные применения, в частности, показал как вести расчет высоты местности по показаниям барометра.

Следующим был открыт закон, описывающий расширение газа при его нагревании. Проблема здесь состояла в следующем. К началу соответствующих исследований у естествоиспытателей не было температурной шкалы, а без нее, понятно, необходимые измерения температуры немыслимы. Интересно, что измерения стали проводить наблюдая за расширением ртути в стеклянной трубке. То, что выбор упал на ртуть, вероятно, случайно, но выбор оказался удачным. Если бы вместо ртути взяли воду, все было бы гораздо хуже. Вы, вероятно, знаете, что вода при охлаждении ведет себя совсем не так, как другие жидкости. При охлаждении до 4-х градусов по шкале Цельсия она сжимается, а дальше начинает вновь расширяться.

Поиск названной зависимости велся многими исследователями, но первые удовлетворительные результаты получил в 1802 г. английский химик и физик Джон Дальтон. Опыты он проводил с кислородом, азотом, водородом и углекислым газом. К своему удивлению Дальтон обнаружил, что при нагревании все газы вели себя одинаково. Но свои результаты Дальтон сформулировал исключительно осторожно: «В общем я не вижу достаточной причины, мешающей нам заключить, что все "упругие" газы при одном и том же давлении одинаково расширяются при нагревании».

В 1802 г. независимо от Дальтона тот же закон открыл французский химик и физик Жозеф Луи Гей–Люссак. Но свои выводы он сформулировал более определенно и в количественной форме. Гей–Люссак определял объем воздуха, водорода, окиси азота, циана от точки замерзания до точки кипения воды и с точностью до 4 % получил значение коэффициента теплового расширения при атмосферном давлении, равное 0,003744 град–1. Затем он распространил свои опыты на пары эфира и, не обнаружив заметной разницы в их поведении по отношению к другим газам, сформулировал следующие выводы.

  • Все газы и все пары одинаково расширяются при одном и том же повышении температуры.
  • Для газов увеличение объема каждого из них в пределах от температуры таяния льда до температуры кипения воды равно 100/26666 первоначального объема.

Эти утверждения настолько отличаются от выводов Дальтона, что закон, выражающий связь объема с температурой, с именем последнего никто не связывает. Но любопытно, что Гей–Люссак с редко встречающемся в подобных обстоятельствах благородством настоял, чтобы этот закон назывался в честь Жака Шарля, который также независимо ни от кого в 1787 г. получил те же результаты. Таким образом, этот закон в некоторых странах называют законом Шарля, а в некоторых законом Гей–Люссака. В нашей стране закон известен под именем Гей–Люссака. Законом же Шарля называют закон, отражающий зависимость давления газа от его температуры, который он установил так же в 1787 г. Закон Гей–Люссака имеет важное следствие. Если температура газа уменьшается, то уменьшается и его объем. Чисто теоретически, должно наступить состояние, когда объем станет равным нулю, причем это состояние не будет зависеть от природы газа. Нулю будет равна и температура. Этот уровень был назван уровнем абсолютного холода. Конечно, такое состояние не наступит никогда. При низких температурах закон перестает выполняться. Но закон Гей–Люссака, хоть и чисто теоретически, позволяет построить универсальную, абсолютную температурную шкалу, не зависящую от какого-то конкретного вещества. При этом для начала можно к уровню «абсолютного холода» приставить какую-нибудь произвольную шкалу, пусть ту же, построенную на расширении в стеклянной трубке ртути или спирта. Потом эту шкалу можно заменить другой, более близкой к универсальной. В 1851 г. Уильям Кельвин предложил использовать для построения такой шкалы воздух при постоянном давлении.

В приведенном повествовании интересно вот что. Изучение свойств газов выявило некоторые закономерности. Детальное изучение этих закономерностей позволило построить температурную шкалу, согласующуюся с теорией. Шкала позволила повысить точность измерений, в частности, помогла измерить коэффициенты расширения ртути и спирта как функции температуры, хотя изначально, на уровне интуиции, они принимались за постоянные. Оказалось, что коэффициенты эти не совсем постоянны и в полученные ранее результаты необходимо вводить поправки. Это только один из множества примеров того, как развитие физики очень напоминает движение гусеницы, подтягивающей саму себя.