Закон Шарля: история открытия фундаментального газового закона

Закон Шарля, устанавливающий прямую пропорциональную зависимость между давлением и температурой газа при постоянном объеме, был экспериментально открыт в 1787 году французским ученым Жаком Александром Сезаром Шарлем. Это фундаментальный газовый закон, позволивший глубже понять природу газов и заложивший основы теории идеального газа.

Предпосылки открытия закона Шарля

Еще в середине XVII века английский физик Роберт Бойль экспериментально установил, что при постоянной температуре произведение давления газа на его объем остается величиной постоянной. Этот закон Бойля-Мариотта позволил впервые количественно описать зависимость между давлением и объемом газа.

Однако ученых по-прежнему интересовала зависимость давления газа от его температуры. Первым на это обратил внимание француз Гильом Амонтон. В конце XVII века, проводя опыты с "воздушным термометром", он заметил, что давление определенной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально температуре.

Жак Александр Сезар Шарль - основоположник современного воздухоплавания

Одним из первых ученых, детально исследовавших температурную зависимость давления газа, был Жак Александр Сезар Шарль. Он родился в 1748 году во Франции. Изначально Шарль работал чиновником в Париже, но его всегда интересовали научные исследования.

Шарль был очарован изобретением братьев Монгольфье - огромными воздушными шарами, наполненными нагретым воздухом. Он решил посвятить себя развитию воздухоплавания.

Шарль сконструировал первые воздушные шары современного типа, использующие для полета подъемную силу разогретого газа. Он также одним из первых стал использовать для наполнения шаров водород - газ, который во много раз легче воздуха. Благодаря этому Шарлю удавалось подниматься на высоту более 3 км и пролетать расстояние свыше 40 км.

Именно увлечение воздухоплаванием подтолкнуло Шарля к изучению физических свойств газов. В ходе многочисленных экспериментов он обнаружил линейную зависимость между давлением и температурой различных газов при неизменном объеме.

Формулировка закона Шарля

В 1787 году, проводя опыты с кислородом, азотом, водородом и углекислым газом при постоянном объеме, Шарль установил, что давление этих газов прямо пропорционально их абсолютной температуре. Иными словами, при повышении температуры в неизменном объеме давление возрастает точно пропорционально росту температуры.

Эту закономерность Шарль сформулировал в виде простой формулы:

p ∕ T

где р - давление газа, Т - его абсолютная температура.

При записи закона через отношение давления к температуре получаем:

p/T = const

Это и есть математическое выражение закона Шарля для идеального газа. То есть отношение давления р к абсолютной температуре Т является величиной постоянной.

Экспериментальные подтверждения закона Шарля

В начале XIX века французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак, работая с данными Шарля, проделал серию дополнительных экспериментов с целью проверки справедливости открытого им закона.

В 1802 году Гей-Люссак опубликовал результаты своих опытов, полностью подтвердивших закон Шарля. В частности, им было показано, что коэффициент пропорциональности в уравнении закона численно равен ¹/₂₇₃ градуса Цельсия^-1. То есть при повышении температуры газа на 1°C его давление возрастает на 1/273 от начального значения.

Кроме того, Гей-Люссак установил границы применимости закона Шарля. При высоких давлениях и температурах, близких к температуре конденсации, а также для сильно сжатых газов этот закон перестает выполняться.

Несмотря на эти ограничения, закон Шарля оказался справедливым для подавляющего большинства газов в обычных условиях. Вместе с другими газовыми законами он лег в основу кинетической теории идеальных газов.

Вклад в создание теории идеального газа

Благодаря простоте и наглядности, закон Шарля позволил глубже понять природу газов. В частности, он легко объясняется с позиций молекулярно-кинетической теории.

Согласно этой теории, газ состоит из хаотически движущихся молекул. При нагревании средняя кинетическая энергия молекул возрастает - они начинают двигаться быстрее и чаще сталкиваться со стенками сосуда. В результате растет давление газа на стенки, что и приводит к увеличению давления при постоянном объеме.

Таким образом, закон Шарля явился весомым экспериментальным подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории для идеальных газов.

"Дух законов" Монтескье о роли закономерностей

В своем трактате "Дух законов" французский мыслитель Шарль Монтескье писал: "Законы в самом широком смысле этого слова - это необходимые отношения, вытекающие из природы вещей".

Это определение в полной мере применимо и к закону Шарля. Он является математическим выражением необходимой связи между термодинамическими параметрами газа, заложенной в самой его природе.

Использование закона на практике

Благодаря простой форме закона Шарля, его широко применяют на практике для расчетов параметров газов в различных технических устройствах и производственных процессах.

Например, по известному давлению и температуре газа в резервуаре можно рассчитать необходимый объем резервуара. А если задан нужный объем и температура, то определяют требуемое давление для заполнения этого объема.

Кроме того, закон Шарля используется при конструировании разнообразных манометров, газоанализаторов, расходомеров и других приборов для измерения параметров газа.

Применение закона в науке и технике

Несмотря на кажущуюся простоту, закон Шарля до сих пор не потерял своей актуальности. Он лежит в основе современных технологий получения и хранения сжатых и сжиженных газов, которые широко используются в промышленности.

Кроме того, этот закон учитывают инженеры при разработке поршневых двигателей внутреннего сгорания, где давление газов напрямую влияет на мощность и эффективность двигателя.

Таким образом, несмотря на 200-летнюю историю, закон Шарля до сих пор не утратил своей актуальности и продолжает находить практическое применение в самых разных областях науки и техники.