Шарлов закон

Шарловиот закон (познат и како закон на Шарл и Геј-Лисак) е еден од основните гасни закони. Законот беше за првпат објавен од Жозеф Луј Геј-Лисак во 1802 година, но неговата работа се засновала на необјавен труд на Жак Шарл од околу 1787 година. Според овој податок, законот се нарекува Шарлов.

Анимација која го покажува односот помеѓу температурата и волуменот при константен притисок.

Шарловиот закон кажува дека при константен притисок, волуменот на дадена маса гас се зголемува или намалува од истиот фактор од којшто температурата на тој гас се зголемува или намалува. Формулата за овој закон е:

${\frac {V}{T}}=k$

-каде:

• V е волуменот.
• T е температурата (мерена во келвини).
• k e константа.

За да се одржи константата k, за верме на загревањето на даден гас при фиксен притисок, волуменот мора да се зголеми. Обратно - со ладењето на гасот се намалува волуменот. Точната вредност на константата не треба да се познава за да се употреби законот во споредба меѓу два волумени на гас на еднакви притисоци:

${\frac {V_{1}}{T_{1}}}={\frac {V_{2}}{T_{2}}}\qquad \mathrm {\rightarrow } \qquad {\frac {V_{2}}{V_{1}}}={\frac {T_{2}}{T_{1}}}\qquad \mathrm {\rightarrow } \qquad V_{1}T_{2}=V_{2}T_{1}$.

Шарловиот закон, Геј-Лисаковиот закон и Бојл-Мариотовиот закон го образуваат комбинираниот гасен закон. Трите основни гасни закони во комбинација со Авогадровиот закон се сумирани со законот за идеалне гас.

Откривање и именување на законот

Името на законот е добиено по научникот Жак Чарлс,кој го формулирал оригиналниот закон во 1780-тите.

Две од низите на четирите есеи прикажани помеѓу 2 и 30 октомври во 1801г.,Џон Далтон докажал од експеримент, во кој сите гасови и испарувања ги утврдил користејќи еднаков број помеѓу двe неподвижни точки од температурата.Францускиот научник,филозоф  Јозеф Луис Геј-Лисак го потврдил откритието во презентацијата за Францускиот Национален Институт на 31 Јануари во 1802г.,и покрај тоа,тој го одобрува откритието за необјавената работа во 1780г. од страна на  Жак Чарлс.Основните принципи се откриени еден век порано од страна на Guillaume Amontons и  Francis Hauksbee.

Делтон бил првиот кој се обидел да докаже дека законот се применува генерално за сите гасови,до пареа на испарливите течности доколку температурата е далеку од точката на вриење.  Геј-Лисак се согласил со сето ова.Тој со помош на топломер успеал да измери две фиксни точки на водата,но со равенката не можел да покаже дека обемот на температурата е линеарна функција.Само на математички основи  Геј-Лисак не дозволувал пренесување на некој закон со наведување на линеарен однос.Двата главни заклучоци на Џон Далтон  и   Геј-Лисак математички се изразуваат како:

$V100-V_{0}=kV_{0}$

каде  V₁₀₀ е волуменот окупиран од даден примерок на гас на 100 ^°C_; V₀ е волуменот окупиран од страна на истиот примерок на гас на 0^°C;и k е константа која е иста за сите гасови во постојана температура.Оваа равенка не ја содржи температурата и така нема никаква врска со она што стана познато како Шарлов Закон.Вредноста на Геј-Лисак за k( ¹⁄_2.6666) била идентична со вредност за пареа на Џон Далтон која е блиску до денешната вредност   ¹⁄_2.7315. Геј-Лисак дал кредит за оваа равенка,за да не се објават изјавите на неговиот колега Жак Чарлс во 1787г.Во отсуство на цврста евиденција, во врска со волуменот на температурата. не можела да биде именувана по Чарлс.Мерењата на Џон Далтон имале повеќе можности во однос на температурата за разлика од  Геј-Лисак,не само во мерењето на волуменот на фиксни точки во водата,туку исто и на две средни точки.Свесни за грешките на живите во топломерите за тоа време,кои биле поделени на еднакви делови помеѓу две фиксни точки,Џон Далтон ,по заклучокот во својот есеј II,дека во случај на пареа „секоја еластична течност се проширува речиси на ист начин,во 1370 или 1380г.,делови од 180^°C (Фаренхајтови) на топлина“ не бил во можност да го потврди за гасовите.Неговиот заклучок за пареа е јасна изјава за она што стана познато како погрешно Шарловиот закон, тогаш уште повеќе погрешно како ГејЛисаковиот закон, но никогаш точно како вториот закон на Далтон. Неговиот прв закон бил дел од парцијални притисоци.

Однос на апсолутната нула

Шарловиот закон сметал дека значи дека волуменот на гасот ќе се спушти на 0 на одредена температура (−266.66 °C според  Геј-Лисак) или −273.15 °C. Геј-Лисак бил јасен во неговиот опис дека законот не се применувал за ниски температури:

но може да се спомене дека и последниот заклучок не може да бил вистина освен доколку долго како компресирана пареа останат целосно во еластична положба;и ова бара температурата да биде доволно висока за да им овозможи да се спротивстават на притисокот кој има тенденција да ги претвори во течности.

Геј-Лисак немал искуство со течен воздух (подготвен прво во 1877г.),иако се смета дека тој верувал исто како Џон Далтон,дека „постојаните гасови“,како што се воздухот и водородот може да се во течна состојбаисто. Геј-Лисак исто така работел и со пареа на испарливи течности со демонстрираното на Шарловиот закон,и бил свесн дека законот не се однесува само на повисоката точка од точката на вриење на течноста:

Јас сепак можам да забележам дека кога температурата на етер е само малку над точкатан на вриење,неговата кондензација е побрза од онаа на атмосферскиот воздух.Овој факт е поврзан со појава која е изложена од страна на тела кои поминуваат од течна во цврста состојба,но која повеќе не е разумена за темпеературата неколку степени над онаа на која се случува транзиција.

Првото кажување за температурата и волуменот на гасот кој може да се спушти на 0 е од страна на Вилијам Томсон (подоцна познат како Лорд Келвин)во 1848г.

Тоа е она што може да се предвиди,кога се покажува дека бесконечното студенило мора да има ограничен број на степени на водухот-топломерот под нулата;бидејќи доколку ние му помогнеме на строгиот принцип за одредување на степени,наведен погоре,доволно далеку,треба да се дојде до точка што одговара на волуменот на воздухот и не се сведува на ништо,кои ќе бидат означени како  −273° на скалата (−100/.366,ако 366 е коефициент на раст);и со тоа −273° на воздушниот топломер е точка која не може да се постигне како конечна температура,на ниско ниво.

Сепак „апсолутната нула“ на скалата за температура на Келвин е дефинирана во однос на вториот закон на термодинамиката,кој Тамсон самостојно го опишува во 1852г. Тамсон не претпоставил дека тоа е еднакво на „нултата точна на волуменот“ на Шарловиот закон,само што Шарловиот закон ја одредува минималната температура која што може да се оствари.Двете може да се докаже дека се еквивалентни со статичкиот поглед на ентриопија од страна на Лудвиг Болцман

(1870г.).

Чарлс исто така изјавил:

Волумнеот на постојаната маса на сувиот гас се зголемува или намалува за  ¹⁄₂₇₃ пати на волуменот на 0 °C на растот или опаѓањето на температурата.Така:

$V_{T}=V_{0}+\left({\frac {1}{273}}\times V_{0}\right)\times T$

$V_{T}=V_{0}(1+{\frac {T}{273}})$

каде V_T e волуменот на гасот на температурата Т,V₀ e волуменот на 0 °C.

Однос на кинетичката теорија

Кинетичката теорија за гасовите се однесува на микроскопски својства на гасовите,како што се притисокот и волуменот, на микроскопските својства кои го сочинуваат гасот,особено на масата и брзината на молекулите.Со цел да се добие Шарловиот закон од кинематичка теорија,потребно е да се има микроскопска дефиниција за температура:ова може соодветно да се земе како температура пропорционална на средната кинематичка енергија на молекулите на гас E_k:

$T\propto {\bar {E_{k}}}.$

Според оваа дефиниција,доказот за Шарловиот закон е речиси безначаен.Кинетичката теорија еквивалентна на идеалниот гас PV на средната кинетичка енергија:

$PV={\frac {2}{3}}N{\bar {E_{k}}}$

Поврзано:

• Бојл-Маритов закон
• Геј-Лисаков закон
• Авогадров закон
• Клапејрон-Менделеева равенка