Даследаваць залежнасць ціску ад тэмпературы - няма нічога прасцей ...

Даследаванне фізічных характарыстык газу

Гісторыя навуковых адкрыццяў вельмі часта пачынаецца з таго, што «патрэбны» чалавек апынуўся ў патрэбным месцы і ў патрэбны час. Так здарылася і з вывучэннем газаў. Французскі фізік, хімік, інжынер Серж Шарль зацікавіўся паветраплавання. У сувязі з гэтым давялося вывучыць залежнасць ціску ад тэмпературы паветра. Вядома ж, цёпла заўсёды было найпершым інструментам даследчыкаў. Яшчэ б, магутны, лёгка кіраваны крыніца энергіі, і заўсёды пад рукой. Найбольш старажытны інструмент пазнання заўсёды быў выпрабавальным каменем, тыпу "ну-ну, паглядзім, што будзе, калі трошкі падцяпліць, а калі дадаць ..." і г.д.

І што ж такога цікавага выявіў Шарль ў газах? Правядзем ўласнае даследаванне. Возьмем шкляны трубу, з аднаго боку яе закрыем наглуха, а ўнутры размесцім поршань, які слізгае па трубе. Побач ўсталюем крыніца цеплавой энергіі - звычайную прымус - і забяспечым наш лабараторны стэнд вымяральнікамі тэмпературы і ціску - бо менавіта залежнасць ціску ад тэмпературы мы збіраемся даследаваць. Такім чынам, пачнем ...

У нас маецца некаторы колькасць газу ў аб'ёме, абмежаваным донцам цыліндру і поршнем. Зафіксуем поршань і подогреем спіртоўкі доследны газ. Запішам некалькі значэнняў ціску Pn і тэмпературы Tn газу. Аналізуючы атрыманыя дадзеныя, пабачым, што залежнасць ціску ад тэмпературы носіць прапарцыйны характар - з павышэннем тэмпературы павялічваецца і ціск. Заўважым, што поршань падвяргаецца рознаму ціску: звонку - гэта атмасферны, а знутры - ад нагрэтага газу. Для наступнага вопыту здымем фіксатар поршня і ўбачым, што поршань перамесціцца да выраўноўвання ціскаў. Але пры гэтым змяніўся аб'ём газу, а яго колькасць (маса) засталося ранейшым. Адсюль вынікае выснова, які атрымаў Шарль: пры нязменнай масе і аб'ёме ціск газу прама прапарцыйна тэмпературы - простенько і з густам.

Іншымі словамі, пры пастаянным аб'ёме ад награвання павялічваецца ціск, а пры пастаянным ціску пры награванні павялічваецца аб'ём. Для паветраплавання гэта азначала, што пры падагрэве паветра ад гарэлкі ён пашыраецца і яго аб'ём павялічваецца, а аб'ём шара - не. Значыць, лішняе паветра пакідае шар і ўнутры яго застаецца маса паветра менш, чым маса такога ж аб'ёму паветра звонку. Спрацоўвае закон Архімеда, і шару нічога не застаецца, як ўзляцець на радасць публіцы.

Але самым выдатным высновай з'яўляецца тое, што ціск Р і тэмпература Т звязаныя паміж сабой суадносінамі P1 / T1 = P2 / T2 = .... = Pn / Tn = CONST. Можна выказаць інакш: P = k * T, дзе k - нейкая газавая пастаянная. Калі ўжыць гэтыя суадносіны да адзінкавых велічыням тэмпературы, ціску і аб'ёму, то можна атрымаць добра вядомыя канстанты. Напрыклад, аб'ём газу павялічваецца пры нагрэве ў 1 градус на 1/273 зыходнай велічыні.

Безумоўна, вялікую цікавасць выклікае залежнасць ціску ад тэмпературы рэчываў пры фазавых пераходах, дапусцім, вадкасці ў газ. Найбольш блізкім аб'ектам для даследаванняў такога роду з'яўляецца вада. Які ўтвараецца над паверхняй вады пар з'яўляецца следствам пераходу некаторага ліку малекул з вады ў навакольнае асяроддзе. Гэтаму перашкаджаюць два фактары - сілы паверхневага нацяжэння і знешні націск. Пераадолець іх могуць сабе дазволіць толькі малекулы з дастатковай энергетычным патэнцыялам - эквівалентам тэмпературы. Ёсць два шляхі дасягнення такога патэнцыялу: можна павялічыць энергію малекул награваннем вады ці паменшыць супрацьдзеянне знешняга ціску. Першы спосаб пацвярджаецца вядомым фактам - летняя вада выпараецца хутчэй, а другі - зніжае энергетычны парог малекул, якія пакідаюць «бацькоўскую» асяроддзе.

Вернемся да нашай лабараторнай ўстаноўцы. Прастору пад поршнем запоўнім вадой, зусім няшмат, літаральна 20-40 г. Заўважым, што поршань павінен свабодна перамяшчацца, а сістэма павінна мець сбросовый клапан. Калі ваду нагрэць, то ўтварыўся вадзяной пар ссуне поршань і вызваліць сабе "месца пад сонцам". Прастору над поршнем трэба падключыць да крыніцы паветра з зменлівым ціскам, напрыклад, усталяваць другі поршань з кіраваным ўручную штоком. Зараз можна даследаваць залежнасць тэмпературы пара ад ціску. Перамяшчаючы поршань са штоком, мяняем знешняе для першага поршня ціск. Прамежкавыя дадзеныя фіксуем. Правільна будзе фіксаваць тэмпературу пара пры які ўсталяваўся, г.зн. нязменным, хоць бы кароткая ў часе, значэнні. Калі занядбаць цеплаабменных з навакольным асяроддзем, то паводзіны пара не моцна адрозніваецца ад паводзінаў ідэальнага газу.

Цікава, што нават на такой прымітыўнай ўсталёўцы можна назіраць і залежнасць тэмпературы кіпення ад ціску. Успомнім, што кіпеннем называецца пераход вадкасці ў пар з адукацыяй бурбалак па ўсім аб'ёме вадкасці. Т.ч. фіксаваць кіпенне вельмі лёгка. І тут таксама з павелічэннем ціску тэмпература закіпання вадкасці ўзрастае, а значыць, нескладана прадэманстраваць дзіўны для неазнаёмленых трук - кіпячую ваду пры тэмпературы ўсяго 80 градусаў Цэльсія або, здавалася б, насуперак здароваму сэнсу, больш 110 тых жа самых градусаў Цэльсія.

Вось так пасля даследавання паводзін газу, пара пры ўздзеянні крыніц цяпла на рэчыва, у рэшце рэшт, і былі створаны розныя цеплавыя машыны: паравая машына, лакамабіль, паравоз, рухавік унутранага згарання. І мала хто ведае, што першынцам сярод іх, безумоўна, варта лічыць паветраны шар.