Тепловое расширение газообразных веществ

Исследования теплового расширения воздуха, проведенные Амонтоном, были продолжены многими другими физиками XVIII века (Делягиром, Станкари, Хоксби, Соссюром, Делюком, Ламбертом, Монжем, Бертоле, Вандермондом и др.), но их данные находились в удручающем несоответствии друг с другом. Одни приходили к выводу, что воздух расширяется равномерно, другие — что неравномерно, и на все это накладывалась путаница представлений, о которой мы говорили в начале предыдущего параграфа. Между сторонниками первого утверждения расхождение также было очень велико, как видно из основополагающей работы Вольты (1793 г.): значения величины расширения при нагреве на один градус стоградусной шкалы, даваемые различными экспериментаторами, лежали в диапазоне от 1/85 у Пристли до 1/235 у Соссюра. Длинное заглавие работы Вольты указывает на важный вывод, к которому пришел автор: "О равномерном расширении воздуха на каждом градусе тепла, начиная с температуры таяния льда и вплоть до температуры кипения воды, и о том, что часто обусловливает кажущуюся неравномерность расширения, приводя к увеличению ошибок измерения объема воздуха".

Вольта показал, что расхождение между экспериментальными данными, как предполагал еще Станкари, обусловлено тем, что предшествующие экспериментаторы работали не с сухим воздухом, а с влажным и наличие паров воды искажало ход явления. Вольта пользовался воздушным термометром, причем ему пришла в голову счастливая мысль изолировать объем воздуха столбиком льняного или оливкового масла, предварительно хорошо, прокипяченного. После многочисленных тщательных экспериментов, сопровождавшихся параллельными контрольными опытами с влажным воздухом, Вольта пришел к следующему утверждению: "При нагреве на каждый градус термометра Реомюра объем воздуха увеличивается приблизительно на 1/216 объема, занимаемого воздухом при нуле градусов; таким образом, воздух испытывает одинаковое увеличение объема как в самом начале, вблизи температуры таяния льда, так и при приближении к точке кипения воды".

Найденное Вольта значение коэффициента расширения равно, таким образом, 1/270 = 0,0037037 на градус Цельсия.

Однако работа Вольты была опубликована в "Annali di chimica" — журнале, который имел весьма ограниченное распространение, и поэтому была мало известна в научных кругах, да и сам Вольта не старался ее распространить, по-видимому, потому, что в те годы был поглощен своей полемикой с Гальвани.

Гей-Люссаку (1778—1850) явно не была известна эта работа Вольты, когда в 1802 г. в своей ставшей потом классической работе он предпринял исследование теплового расширения газов. Из исторического введения к этой статье следует, что пятнадцатью годами раньше исследования этого вопроса были без какой бы то ни было публикации предприняты Жаком Шарлем (1746—1823). Шарль прославился в свое время тем, что первым поднял в воздух в 1783 г. близ Парижа воздушный шар, наполненный водородом (новым газом, открытым Кавендишем в 1776 г.), а не горячим воздухом, который применяли братья Монгольфье в 1773 г.

Судя по этой работе Гей-Люссака, Шарль нашел, что кислород, азот, углекислый газ и воздух расширяются одинаково в интервале температур между 0 и 100° С. Гей-Люссак дополнил и обобщил работу Шарля и пришел к следующему фундаментальному утверждению: "Если полное увеличение объема разделить на число градусов, вызвавших это увеличение, то есть на 80, то мы получим, принимая объем при нулевой температуре равным единице, что увеличение объема на каждый градус составляет 1/213,33, или 1/266,66 на каждый градус стоградусной шкалы".

По существу здесь речь идет об исследованиях, отличающихся от упомянутых ранее исследований Вольты. Вольта показал, что воздух расширяется равномерно (если пользоваться ртутной шкалой), тогда как Гей-Люссак доказал, что для всех газов полное расширение в интервале температур от 0 до 100° С одинаково, и, принимая, что это расширение происходит равномерно, рассчитал коэффициент расширения для всех газов. Позже Гей-Люссак заметил, что предположение о равномерности расширения необоснованно, и для его доказательства провел еще одну серию опытов. Об этих опытах и применявшейся для них аппаратуре стало известно лишь после выхода в 1816 г. курса физики Био. Сейчас они описаны во всех учебниках по физике.

Международный конгресс физиков, созванный в Комо в сентябре 1927 г. по случаю столетия со дня смерти Вольты, выпустил обращение, призывающее в разделе о расширении газов давать в учебниках физики формулировки двух законов: закона Вольты о постоянстве коэффициента расширения воздуха и закона Гей-Люссака о том, что коэффициент расширения всех газов одинаков. Однако это предложение, имевшее целью напомнить о заслуге Вольты в этом вопросе, оказалось, по-видимому, не очень жизненным.

Другое по технологическим наукам

История освоения космоса
Во второй половине XX в. человечество ступило на порог Вселенной - вышло в космическое пространство. Дорогу в космос открыла наша Родина. Первый искусственный спутник Земли, открывший космическую эру, запущен бывшим Советским Союзом, первый космонавт мира - гражданин бывшего СССР. Космонавтика ...