История открытия закона бойля мариотта кратко

Обновлено: 02.07.2024

ЗАКОН БОЙЛЯ — МАРИОТТА, один из основных газовых законов, который описывает изотермические процессы в идеальных газах. Его установили учёные Р. Бойль в 1662 г. и Э. Мариотт в 1676 г. независимо друг от друга при экспериментальном изучении зависимости давления газа от его объема при постоянной температуре.

Согласно закону Бойля-Мариотта при постоянной температуре Т объем V данной массы m идеального газа обратно пропорционален его давлению р, т. е.:

pV = const = С при T=const и m=const

Постоянная С пропорциональна массе газа (числу молей) и его абсолютной температуре. Другими словами: произведение объема данной массы идеального газа на его давление постоянно при постоянной температуре. Закон Бойля — Мариотта выполняется строго для идеального газа. Для реальных газов закон Бойля — Мариотта выполняется приближенно. Практически все газы ведут себя как идеальные при не слишком высоких давлениях и не слишком низких

температурах.

Закон Бойля — Мариотта следует из кинетической теории газов, когда принимается допущение, что размеры молекул пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними и отсутствует межмолекулярное взаимодействие. При больших давлениях необходимо вводить поправки на силы притяжения между молекулами и на объем самих молекул. Как и уравнение Клайперона, закон Бойля — Мариотта описывает предельный случай поведения реального газа, более точно описываемый уравнением Ван-дер-Ваальса. Применение закона приближенно можно наблюдать в процессе сжатия воздуха компрессором или в результате расширения газа под поршнем насоса при откачке его из сосуда.

Термодинамический процесс, котроый происходит при постоянной температуре называется изотермическим. Изображение его на графике называется изотермой.(см. график изотермического процесса)

pV = const = С при T=const и m=const

температурах.

Два года спустя ученый и его помощник Ричард Таунли определили, что давление газа увеличивается ровно настолько, насколько уменьшается его объем, а значит, если измерить объем емкости с газом, то можно вычислить силу, с которой он давит на стенки сосуда. Исследователи загнули стеклянную трубку так, чтобы обе ее части были параллельны, но одна длиннее другой. Короткую часть запаяли, а в длинную налили ртуть и подождали, пока уровень жидкости в обеих частях сравняется. Затем Таунли стал доливать ртуть, и в конечном счете жидкость в короткой части поднялась, но не до конца трубки, а так, что остался воздушный зазор. В целом же уровень ртути в длинной части оказался на 72 см выше, чем в короткой, и Бойль заключил, что воздух в этом ответвлении сжался вдвое, а Таунли сделал главный вывод: давление воздуха на ртуть увеличилось тоже в 2 раза. После ученые поэкспериментировали, нагревая и охлаждая короткий конец трубки мокрой тканью и огнем свечи, и эти опыты показали, что тепло расширяет воздух больше, чем холод.

Между тем труд француза сильно проигрывал работе Бойля. Если Роберт делал измерения с точностью до миллиметра, то Эдм измерял ртутный столб в дюймах (1 дюйм составляет 2,5 см). Если Бойль сравнивал все расчеты с наблюдениями и допускал погрешность замеров, то Мариотт настаивал на четком соответствии эмпирических и расчетных данных. Если ученый делал выводы осторожно и оценивал свои открытия критически, называя их всего лишь гипотезой, то аббат безапелляционно заявлял: все увиденное в ходе экспериментов является чуть ли не основой мироздания. И хотя в большинстве учебников физики пишется, что Мариотт опытным путем проверил и подтвердил заключения Бойля, это не так: на самом деле закон Бойля—Мариотта сформулировали Бойль и Таунли.

Тем не менее именно Мариотт указал на практическое применение данного закона — к примеру, предложил использовать показания барометра для определения высоты. Воспользовавшись этим советом, английский астроном Эдмунд Галлей (1656—1742) вывел формулу зависимости давления атмосферы от высоты. В двух словах она звучит так: по мере возрастания высоты в арифметической прогрессии атмосферное давление уменьшается в геометрической прогрессии. В конце XVIII — начале XIX вв. французские ученые Ж. Гей-Люссак (1778—1850) и Ж. Шарль (1778—1850) отдельно друг от друга исследовали поведение газов в разных условиях и выяснили вот что: при неизменном объеме газа его давление будет расти прямо пропорционально увеличению температуры, а если удерживать давление на одном уровне, то с нагреванием газ будет расширяться, занимая все больший объем.

Впоследствии все соотношения, найденные в ходе экспериментов Бойля, Гей-Люссака и Шарля, помогли русскому химику Д. Менделееву и английскому инженеру Б. Клайперону сформулировать общий закон для идеального газа. Согласно этому закону, если умножить объем газа на его давление и разделить полученное число на температуру, получится универсальная постоянная. То есть давление, объем и температура газа тесно взаимосвязаны.

Закон Бойль-Мариотт Это тот, который выражает соотношение между давлением, оказываемым газом или на него, и объемом, который он занимает; поддержание постоянной как температуры газа, так и его количества (количества молей).

Этот закон вместе с законом Шарля, Гей-Люссака, Шарля и Авогадро описывает поведение идеального газа; в частности, в закрытом контейнере, подверженном изменениям объема под действием механической силы.

На изображении выше кратко представлен закон Бойля-Мариотта.

Фиолетовые точки представляют молекулы или атомы газа, которые сталкиваются с внутренними стенками контейнера (слева). Когда доступное пространство или объем контейнера, занятого этим газом, уменьшается, увеличивается количество столкновений, что приводит к увеличению давления (справа).

Это показывает, что давление P и объем V газа обратно пропорциональны, если контейнер герметично закрыт; в противном случае более высокое давление равнялось бы большему расширению емкости.

Если бы был построен график V и P с данными V и P по осям Y и X, соответственно, то наблюдалась бы асимптотическая кривая. Чем меньше V, тем больше увеличивается P; то есть кривая будет расширяться в сторону высоких значений P по оси X.

Конечно, температура остается постоянной; но, если бы один и тот же эксперимент проводился при разных температурах, относительные положения этих кривых V и P изменились бы на декартовой оси. Изменение было бы еще более очевидным, если бы оно было нанесено на трехмерную ось с постоянной T на оси Z.

История закона Бойля

Задний план

С тех пор как ученый Галилео Галилей выразил свою веру в существование вакуума (1638 г.), ученые начали изучать свойства воздуха и частичных пустот.

Англо-ирландский химик Роберт Бойль начал свое исследование свойств воздуха в 1638 году, когда он узнал, что Отто фон Герике, немецкий инженер и физик, построил воздушный насос.

Меркурий эксперимент

Для исследования атмосферного давления Бойль использовал стеклянную трубку J-образной формы, строительство которой приписывали Роберту Гуку, помощнику Бойля. Конец короткого плеча был запломбирован, а конец длинного плеча трубки был открыт для размещения ртути.

С самого начала Бойль хотел изучить эластичность воздуха качественно и количественно. Пропустив ртуть через открытый конец J-образной трубки, Бойль пришел к выводу, что воздух в коротком рукаве трубки сжимается под давлением ртути.

Полученные результаты

Чем больше ртути добавлено в трубку, тем больше давление на воздух и меньше его объем. Бойль получил отрицательный график экспоненциального типа объема воздуха как функции давления.

Между тем, если построить график зависимости объема воздуха от давления, обратного давлению, мы получим прямую линию с положительным наклоном.

В 1662 году Бойль опубликовал первый физический закон, который был дан в форме уравнения, в котором указана функциональная зависимость двух переменных. В этом случае давление и объем.

Бойль указал, что существует обратная зависимость между давлением, оказываемым на газ, и объемом, который занимает газ, причем это соотношение относительно верно для реальных газов. Большинство газов ведут себя как идеальные газы при умеренных температурах и давлениях.

По мере того, как происходили более высокие давления и более низкие температуры, отклонения в поведении реальных газов от идеального становились все более заметными.

Эдме Мариотт

Французский физик Эдме Мариотт (1620–1684) независимо открыл тот же закон в 1679 году. Но он показал, что объем изменяется в зависимости от температуры. Вот почему он называется законом Мариотта или законом Бойля и Мариотта.

Усиление закона

Даниэль Бернулли (1737 г.) усилил закон Бойля, указав, что давление газа создается ударами частиц газа о стенки контейнера, в котором он находится.

В 1845 году Джон Уотерстон опубликовал научную статью, в которой остановился на основных принципах кинетической теории газов.

Позже Рудольф Клаузиус, Джеймс Максвелл и Людквиг Больцман объединили кинетическую теорию газов, которая связывает давление, оказываемое газом, со скоростью движущихся частиц газа.

Чем меньше объем емкости, содержащей газ, тем больше частота ударов образующих его частиц о стенки емкости; и, следовательно, тем больше давление, оказываемое газом.

В чем состоит этот закон?

Эксперименты, проведенные Бойлем, показывают, что существует обратная зависимость между объемом, занимаемым газом, и оказываемым на него давлением. Однако указанная взаимосвязь не является полностью линейной, на что указывает график изменения объема как функции давления, приписываемый Бойлю.

Закон Бойля показывает, что объем, занимаемый газом, обратно пропорционален давлению. Также указано, что произведение давления газа на его объем постоянно.

Математическое выражение

Чтобы прийти к математическому выражению закона Бойля-Мариотта, мы начнем с:

Где означает, что объем, занимаемый газом, обратно пропорционален его давлению. Однако существует константа, которая определяет, насколько обратно пропорционально это соотношение.

Где k - постоянная пропорциональности. Решая для k, мы имеем:

Произведение давления газа на его объем постоянно. Так:

Из этого можно сделать вывод, что:

Последнее является окончательным выражением или уравнением закона Бойля.

Для чего это? Какие проблемы решает закон Бойля?

Паровые двигатели

Закон Бойля-Мариотта применяется при работе паровых машин. Это двигатель внешнего сгорания, использующий преобразование тепловой энергии некоторого количества воды в механическую энергию.

Вода нагревается в герметично закрытом котле, и образующийся пар оказывает давление в соответствии с законом Бойля-Мариота, которое приводит к увеличению объема цилиндра за счет толкания поршня.

Линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение за счет использования системы шатунов и кривошипов, которые могут приводить в движение колеса локомотива или ротор электрогенератора.

В настоящее время альтернативный паровой двигатель является малоиспользуемым двигателем, поскольку его вытеснили электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания в транспортных средствах.

Выпейте напитки

Процесс высасывания безалкогольного напитка или сока из бутылки через пластиковую трубку связан с законом Бойля-Мариотта. Когда воздух всасывается из трубки через рот, давление внутри трубки падает.

Это падение давления способствует движению жидкости в трубке вверх, позволяя ей проглотить. Тот же принцип работает при взятии крови с помощью шприца.

Дыхательная система

Закон Бойля-Мариотта тесно связан с функционированием дыхательной системы. Во время фазы вдоха сокращаются диафрагма и другие мышцы; например, внешние межреберные кости, вызывающие расширение грудной клетки.

Это вызывает снижение внутриплеврального давления, вызывая расширение легких, что приводит к увеличению объема легких. Следовательно, внутрилегочное давление снижается по закону Бойля-Мариотта.

Когда внутрилегочное давление становится ниже атмосферного, атмосферный воздух попадает в легкие, вызывая повышение давления в легких; таким образом приравняв его давление к атмосферному и завершив фазу вдохновения.

После этого мышцы вдоха расслабляются, а мышцы выдоха сокращаются. Кроме того, происходит эластичное втягивание легких, явление, которое вызывает уменьшение объема легких с последующим увеличением внутрилегочного давления, что объясняется законом Бойля-Мариотта.

По мере того как внутрилегочное давление увеличивается и становится выше атмосферного, воздух течет изнутри легких в атмосферу. Это происходит до тех пор, пока давления не уравняются, что завершает фазу выдоха.

Примеры (эксперименты)

Эксперимент 1

Небольшой герметично закрытый баллон помещают, образуя узел во рту, внутрь шприца, из которого извлечен поршень, объемом примерно 20 мл.Поршень шприца помещается ближе к середине шприца, игла вынимается, а входное отверстие для воздуха блокируется.

Наблюдение

Наблюдая за тем, как медленно вытягивает поршень инжектора, баллон надувается.

Объяснение

На стенку баллона действуют два давления: давление на его внутреннюю поверхность, продукт воздуха, содержащийся внутри баллона, и другое давление на внешнюю поверхность баллона, оказываемое воздухом, содержащимся в шприце.

Вытягивая поршень инжектора, внутри создается полувакуум. Следовательно, давление воздуха на внешней поверхности стенки насоса уменьшается, что делает давление внутри насоса относительно более высоким.

Это чистое давление, согласно закону Бойля-Мариота, вызывает растяжение стенки воздушного шара и увеличение его объема.

Эксперимент 2

Пластиковую бутылку разрезают примерно пополам, следя за тем, чтобы разрез был как можно более горизонтальным. В горловину флакона помещается плотно прилегающий баллон, при этом в глубокую тарелку помещается определенное количество воды.

Наблюдение

Помещая дно бутылки с баллоном над водой в посуде, баллон надувается умеренно.

Объяснение

Вода вытесняет определенное количество воздуха, увеличивая давление воздуха на стенку бутылки и внутри воздушного шара. Это вызывает, согласно закону Бойля-Мариотта, увеличение объема воздушного шара, которое визуализируется надуванием воздушного шара.

Исследования великого английского ученого Бойля положили начало рождению новой химической науки. Он выделил химию в самостоятельную науку и показал, что у нее свои проблемы, свои задачи, которые надо решать своими методами, отличными от медицины. Систематизируя многочисленные цветные реакции и реакции осаждения, Бойль положил начало аналитической химии. Он же стал автором одного из первых законов рождающейся физико-химической науки.

Роберт Бойль (1627–1691) был тринадцатым ребенком из четырнадцати детей Ричарда Бойля — первого герцога Коркского, свирепого и удачливого стяжателя, жившего во времена королевы Елизаветы и умножившего свои угодья захватом чужих земель. Он родился в Лисмор Касле, одном из ирландских поместий отца. Там Роберт провел свое детство. Он получил превосходное домашнее образование и в возрасте восьми лет стал студентом Итонского университета. Там он проучился четыре года, после чего уехал в новое поместье отца — Столбридж.

Как было принято в то время, в возрасте двенадцати лет Роберта вместе с братом отправили в путешествие по Европе. Он решил продолжить образование в Швейцарии и Италии и пробыл там долгие шесть лет. В Англию Бойль вернулся только в 1644 году, уже после смерти отца, который оставил ему значительное состояние.

В Столбридже он устроил лабораторию, где к концу 1645 года начал исследования по физике, химии и агрохимии. Бойль любил работать одновременно по нескольким проблемам. Обычно он подробно разъяснял помощникам, что предстоит им сделать за день, а затем удалялся в кабинет, где его ждал секретарь. Там он диктовал свои философские трактаты.

Ученый-энциклопедист, Бойль, занимаясь проблемами биологии, медицины, физики и химии, проявлял не меньший интерес к философии, теологии и языкознанию. Бойль придавал первостепенное значение лабораторным исследованиям. Наиболее интересными и разнообразными были его опыты по химии. Он считал, что химия, отпочковавшись от алхимии и медицины, вполне может стать самостоятельной наукой.

Поначалу Бойль занялся получением настоев из цветов, целебных трав, лишайников, древесной коры и корней растений. Самым интересным оказался фиолетовый настой, полученный из лакмусового лишайника. Кислоты изменяли его цвет на красный, а щелочи — на синий. Бойль распорядился пропитать этим настоем бумагу и затем высушить ее. Клочок такой бумаги, погруженный в испытуемый раствор, изменял свой цвет и показывал, кислый ли раствор или щелочной. Это было одно из первых веществ, которые уже тогда Бойль назвал индикаторами.

Молодой ученый продолжал сомневаться в универсальной аналитической способности огня и искал иные средства для анализа. Его многолетние исследования показали, что, когда на вещества действуют теми или иными реактивами, они могут разлагаться на более простые соединения. Используя специфические реакции, можно было определять эти соединения. Одни вещества образовывали окрашенные осадки, другие выделяли газ с характерным запахом, третьи давали окрашенные растворы и т. д. Процессы разложения веществ и идентификацию полученных продуктов с помощью характерных реакций Бойль назвал анализом. Это был новый метод работы, давший толчок развитию аналитической химии.

В 1654 году ученый переселился в Оксфорд, где продолжил свои эксперименты вместе с ассистентом Вильгельмом Гомбергом. Исследования сводились к одной цели: систематизировать вещества и разделить их на группы в соответствии с их свойствами.

После Гомберга его ассистентом стал молодой физик Роберт Гук. Они посвятили свои исследования в основном газам и развитию корпускулярной теории.

Узнав из научных публикаций о работах немецкого физика Отто Герике, Бойль решил повторить его эксперименты и для этой цели изобрел оригинальную конструкцию воздушного насоса. Первый образец этой машины был построен с помощью Гука. Исследователям удалось почти полностью удалить воздух насосом. Однако все попытки доказать присутствие эфира в пустом сосуде оставались тщетными.

Понятие упругости воздуха, что соответствует нынешнему понятию давлению, было определяющим в замыслах и в осуществлении опытов Бойля.

Я.Г. Дорфман пишет: «Пятнадцать лет спустя после опубликования этих исследований Бойлем, т. е. в 1679 году, во Франции появилась „Речь о природе воздуха“ аббата Эдма Мариотта, в которой наряду с другими вопросами описывались аналогичные экспериментам Бойля опыты по изучению зависимости между давлением воздуха и занимаемым объемом. Мариотт ни словом не упоминает о своем предшественнике, словно ему совершенно неизвестны работы Бойля по пневматике. Между тем работы Бойля были широко известны: они публиковались на латинском и английском языке. Впрочем, Мариотт не впервые забыл упомянуть своего предшественника, ведь точно так же в 1673 году в труде о соударениях он ни словом не сказал о работе Гюйгенса, позаимствовав у последнего не только методику эксперимента, но и основы теории.

Тем не менее именно Мариотт (1620–1684) предсказал различные применения закона. Из них наиболее важным был расчет высоты места по данным барометра. Расчет, производившийся путем оперирования с бесконечно малыми величинами, привел к неудаче вследствие слабой математической подготовки ученого.

Позднее в 1686 году к проблеме определения высоты по атмосферному давлению обратился английский астроном Эдмонд Галлей (1656–1742). Он известен большинству читателей по открытой им комете, носящей его имя. Так вот, Галлей нашел формулу, по существу правильную, если не учитывать изменения температуры. Суть формулы Галлея сводилась к утверждению, что по мере возрастания высоты в арифметической прогрессии атмосферное давление уменьшается в геометрической прогрессии.

ЗАКОН БОЙЛЯ-МАРИОТТА

ЗАКОН БОЙЛЯ-МАРИОТТА Исследования великого английского ученого Бойля положили начало рождению новой химической науки. Он выделил химию в самостоятельную науку и показал, что у нее свои проблемы, свои задачи, которые надо решать своими методами, отличными от медицины.

ЗАКОН ОМА

ЗАКОН ОМА Проводник — это просто пассивная составная часть электрической цепи. Такое мнение превалировало вплоть до сороковых годов девятнадцатого столетия. Так зачем зря тратить время на его исследование?Одним из первых ученых, занявшихся вопросом проводимости

Это закон

Это закон Сегодня самый известный автор, сюжеты которого построены на случаях из судебной практики, – Джон Гришэм. После окончания юридической школы Университета Миссисипи он в течение десяти лет имел адвокатскую практику, специализируясь на уголовных делах и судебных

Закон

Закон ЗАКОН — в широком смысле слова все нормативные правовые акты, любые установленные государством общеобязательные правила. В собственном юридическом смысле 3. - нормативный акт, принятый в особом порядке высшим представительным органом законодательной власти либо

7.1. Среды обитания организмов. Факторы среды: абиотические, биотические. Антропогенный фактор. Закон оптимума. Закон минимума. Биологические ритмы. Фотопериодизм

7.1. Среды обитания организмов. Факторы среды: абиотические, биотические. Антропогенный фактор. Закон оптимума. Закон минимума. Биологические ритмы. Фотопериодизм Основные термины и понятия, проверяемые в экзаменационной работе: абиотические факторы, антропогенные

Закон

Закон Закон — зафиксированный порядок тех или иных явлений окружающей действительности.Законы можно разделить на объективные (к счастью, не зависящие от воли человека) и субъективные — те, которые являются следствием сложившихся традиций человеческого общежития или

Закон Бойля – Мариотта

Закон Бойля – Мариотта Один из законов идеального газа: при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная.Формула: pV = const. Описывает изотермический

Закон Гука

Закон Гука Согласно этому закону упругие деформации твердого тела прямо пропорциональны вызывающим их внешним

Закон Ома

Закон Ома Один из основных законов электрического тока: сила постоянного электрического тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.Справедлив для металлических проводников и электролитов,

ЗАКОН

ЗАКОН - существенная, необходимая, устойчивая, повторяющаяся связь (отношение) между явлениями. Категория 3. выражает в своем содержании тот, не зависящий от нашего сознания, факт, что предметы и явления окружающего мира функционируют и развиваются в соответствии с

Закон

Читайте также: