Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Gas
Die Geschichte der wissenschaftlichen Entdeckungen beginnt sehr oft mitdass die „richtige“ Person zur richtigen Zeit am richtigen Ort war. So geschah es mit der Untersuchung von Gasen. Der französische Physiker, Chemiker und Ingenieur Serge Charles interessierte sich für die Luftfahrt. In diesem Zusammenhang war es notwendig, die Abhängigkeit des Drucks von der Lufttemperatur zu untersuchen. Natürlich war Wärme immer das Hauptwerkzeug der Forscher. Trotzdem eine leistungsstarke, leicht handhabbare Energiequelle, die immer zur Hand ist. Das älteste Instrument der Erkenntnis war schon immer ein Prüfstein wie "Nun, nun, mal sehen, was passiert, wenn Sie es ein wenig aufwärmen und wenn Sie hinzufügen ..." usw.
Und was war so interessant, dass Charles in entdeckteGase? Lassen Sie uns unsere eigenen Forschungen machen. Nehmen Sie ein Glasrohr, schließen Sie es fest auf einer Seite und setzen Sie einen Kolben hinein, der entlang des Rohrs gleitet. Wir werden in der Nähe eine Wärmeenergiequelle installieren - eine gewöhnliche Spirituslampe - und unseren Laborstand mit Temperatur- und Druckmessgeräten ausstatten - schließlich ist es die Abhängigkeit des Drucks von der Temperatur, die wir untersuchen werden. Also, fangen wir an ...
Wir haben eine bestimmte Menge Gas im Volumen,begrenzt durch den Boden des Zylinders und den Kolben. Wir befestigen den Kolben und erhitzen das Testgas mit einer Alkohollampe. Schreiben wir einige Werte des Gasdrucks Pn und der Temperatur Tn auf. Wenn wir die erhaltenen Daten analysieren, werden wir sehen, dass die Abhängigkeit des Drucks von der Temperatur proportional ist - mit zunehmender Temperatur steigt auch der Druck. Beachten Sie, dass der Kolben unterschiedlichen Drücken ausgesetzt ist: außen ist er atmosphärisch und innen ist er von erhitztem Gas. Entfernen Sie für das nächste Experiment den Kolbenhalter und achten Sie darauf, dass sich der Kolben bewegt, bis sich die Drücke ausgleichen. Gleichzeitig änderte sich das Gasvolumen, aber seine Menge (Masse) blieb gleich. Daraus folgt die Schlussfolgerung, die Charles erhalten hat: Bei gleicher Masse und gleichem Volumen ist der Gasdruck direkt proportional zur Temperatur - einfach und geschmackvoll.
Mit anderen Worten, bei einer konstanten Lautstärke vonErhitzen erhöht den Druck und bei konstantem Druck erhöht Erhitzen das Volumen. Für die Luftfahrt bedeutete dies, dass sich die Luft aus dem Brenner beim Erhitzen ausdehnte und ihr Volumen zunahm, das Volumen des Balls jedoch nicht. Dies bedeutet, dass die überschüssige Luft den Ball verlässt und die Luftmasse darin kleiner bleibt als die Masse des gleichen Luftvolumens draußen. Das Gesetz von Archimedes funktioniert, und der Ball hat keine andere Wahl, als zur Freude der Öffentlichkeit zu fliegen.
Aber das bemerkenswerteste Ergebnis ist dasDruck P und Temperatur T stehen in Beziehung zueinander durch das Verhältnis P1 / T1 = P2 / T2 =… = Pn / Tn = CONST. Es kann anders angegeben werden: P = k * T, wobei k eine bestimmte Gaskonstante ist. Wenn wir diese Verhältnisse auf Einheitswerte von Temperatur, Druck und Volumen anwenden, können bekannte Konstanten erhalten werden. Zum Beispiel nimmt das Gasvolumen zu, wenn es um 1 Grad um 1/273 des ursprünglichen Wertes erwärmt wird.
Sucht ist natürlich von großem Interesse.Druck auf die Temperatur von Substanzen während Phasenübergängen, beispielsweise Flüssigkeit in Gas. Das nächste Objekt für diese Art von Forschung ist Wasser. Der über der Wasseroberfläche gebildete Dampf ist eine Folge der Übertragung einer bestimmten Anzahl von Molekülen von Wasser auf die äußere Umgebung. Dies wird durch zwei Faktoren verhindert - Oberflächenspannungskräfte und äußerer Druck. Nur Moleküle mit ausreichendem Energiepotential - dem Äquivalent der Temperatur - können es sich leisten, diese zu überwinden. Es gibt zwei Möglichkeiten, um dieses Potenzial zu erreichen: Sie können die Energie der Moleküle durch Erhitzen von Wasser erhöhen oder den Widerstand des äußeren Drucks verringern. Die erste Methode wird durch die bekannte Tatsache bestätigt - erhitztes Wasser verdunstet schneller und die zweite - senkt die Energieschwelle von Molekülen, die die "Eltern" -Umgebung verlassen.
Kehren wir zu unserem Laboraufbau zurück. Füllen Sie den Raum unter dem Kolben ziemlich viel mit Wasser, buchstäblich 20-40 g. Beachten Sie, dass sich der Kolben frei bewegen muss und das System über ein Überdruckventil verfügen muss. Wenn das Wasser erhitzt wird, bewegt der entstehende Wasserdampf den Kolben und gibt sich "einen Platz in der Sonne" frei. Der Raum über dem Kolben sollte mit einer Luftquelle mit variablem Druck verbunden sein, beispielsweise einem zweiten Kolben mit einer manuell betätigten Stange. Jetzt können Sie die Abhängigkeit der Dampftemperatur vom Druck untersuchen. Wenn wir den Kolben mit der Stange bewegen, ändern wir den Außendruck für den ersten Kolben. Wir korrigieren die Zwischendaten. Es ist richtig, die Dampftemperatur im stationären Zustand aufzuzeichnen, d.h. unverändert, auch für kurze Zeit, was bedeutet. Wenn wir den Wärmeaustausch mit der Umwelt vernachlässigen, unterscheidet sich das Verhalten von Dampf nicht wesentlich vom Verhalten eines idealen Gases.
Es ist interessant, dass selbst auf so einem Primitivendie Anlage kann auch die Abhängigkeit des Siedepunktes vom Druck beobachten. Denken Sie daran, dass das Sieden der Übergang einer Flüssigkeit in Dampf unter Bildung von Blasen im gesamten Flüssigkeitsvolumen ist. Dass. Es ist sehr einfach, das Kochen zu beheben. Und auch hier steigt mit steigendem Druck der Siedepunkt der Flüssigkeit an, so dass man dem Laien leicht einen verblüffenden Trick vorführen kann - kochendes Wasser mit einer Temperatur von nur 80 Grad Celsius oder, scheinbar wider den gesunden Menschenverstand, mehr als 110 Grad Celsius.
Nach der Untersuchung des Verhaltens von Gas, DampfUnter dem Einfluss von Wärmequellen auf einen Stoff entstanden schließlich verschiedene Wärmemaschinen: eine Dampfmaschine, eine Lokomotive, eine Dampflokomotive, ein Verbrennungsmotor. Und nur wenige wissen, dass der Erstgeborene unter ihnen natürlich als Ballon betrachtet werden sollte.
