4. Становление уравнения состояния идеального газа

Первыми были опыты английского физика Роберта Бойля (1627-1691) - современника Ньютона. Их постановка была крайне простой. В трубке под столбиком ртути находится воздух. Подливая ртуть в воронку, Бойль отмечал уменьшение объема воздуха и в 1662 г. пришел к выводу: "Воздух сгущается пропорционально сдавливающей его силе".

Более обстоятельные опыты провел французский физик Эдм Мариотт (1620-1684). Он описал их в книге "Опыт о природе воздуха", вышедшей в 1679 г. Мариотт наблюдал изменение объема воздуха и при увеличении, и при уменьшении давления. В обоих случаях он нашел, что объем воздуха изменяется обратно пропорционально давлению. Этот закон Мариотт предложил использовать для измерения зависимости давления воздуха от высоты. Таким образом, была установлена первая связь между параметрами состояния газа. В дальнейшем исследовались различные газы, была подтверждена общность закона, и он вошел в физику под именем закона Бойля - Мариотта.

Следующим этапом было установление зависимости между объемом данной массы газа й температурой. Закон открыл французский ученый Луи Гей-Люссак.

Гей-Люссак родился в 1778 г. Он был воспитанником знаменитой французской Политехнической школы. В этом же учебном заведении в 1809 г. он стал профессором химии. В 1804 г. вместе с французским ученым Био, а затем один он совершил первые подъемы на воздушном шаре с целью наблюдения изменений влажности, температуры, химического состава воздуха на различных высотах, а также магнитных измерений. Ему принадлежит целый ряд важных открытий в области химии.

Установление зависимости между объемом газов и температурой было давней задачей науки. Можно назвать около двух десятков ученых, которые занимались ее решением, но все они получали не согласующиеся друг с другом результаты. Некоторые утверждали даже, что не существует пропорциональности между объемом газа и температурой. Только Гей-Люссаку и независимо от него Дальтону удалось получить однозначный результат. Однако Дальтон не сделал правильного вывода. Он считал, что при возрастании температуры в арифметической прогрессии объем газа возрастает в геометрической прогрессии.

Гей-Люссак обнаружил причину неоднозначности результатов, полученных различными исследованиями: присутствие воды в измерительных приборах. Пары воды увеличивали неопределенным образом объем газа при нагревании. Только после тщательного осушения сосудов и очистки газов Гей-Люссаку удалось установить закон, который он сформулировал таю "Атмосферный воздух, кислород, водород, азот, пары азотной, соляной, серной и угольной кислот - все расширяются равномерно при одинаковом повышении температуры. Поэтому величина расширения не зависит от физических свойств или особой природы газов..."

Гей-Люссак и Дальтон нашли очень близкие друг другу данные. При увеличении температуры от 0 до 100°С расширение в среднем составляло 0,375. Это близко к современному значению 0,366.

Теперь о законе, который у нас принято называть законом Шарля. Французский физик Жак Шарль много занимался изучением газов, но преследовал, прежде всего, инженерные цели. Ему, в частности, принадлежит идея наполнения воздушных шаров водородом. Гей-Люссак в своей работе 1802 г. писал, что Шарль за 15 лет до него заметил, что при нагревании давление газа равномерно возрастает, но не опубликовал результатов. Это послужило основанием назвать закон зависимости давления газа от температуры именем Шарля.

В первой половине XVIII в. в связи с нуждами развивающейся паровой техники внимание ученых сосредоточивается на точных измерениях параметров газов и паров. Французский физик Анри Реньо (1810-1888), произведя тщательные измерения, обнаружил отступления реальных газов от законов Бойля - Мариотта и Гей-Люссака. Он установил, что эти законы справедливы лишь до известных границ и выполняются тем точнее, чем более разрежен газ. Отсюда кристаллизовалась мысль о том, что строго следуют этим законам лишь газы, молекулы которых не взаимодействуют между собой. Реньо в связи с этим ввел понятие идеального газа.

Поиски связи между давлением, объемом и температурой привели к открытию уравнения состояния идеального газа. Независимо друг от друга к нему пришли во второй половине XIX в. французский ученый Бенуа Пьер Клапейрон и Д. И. Менделеев.