Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 3.10. Закон Шарля. Газовый термометр

С помощью уравнения состояния можно найти зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. Эту зависимость экспериментально установил французский физик Ж.Шарль (1746—1823) в 1787 г.(1) Располагая уравнением состояния идеального газа, прибегать к опыту уже нет необходимости.

Закон Шарля

Согласно уравнению (3.9.9)

Давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре. В этом и состоит закон Шарля.

Из закона Шарля следует, что отношение давлений данной массы газа при постоянном объеме равно отношению его абсолютных температур:

Процесс изменения давления газа, вызванный изменением температуры при постоянном объеме, называют изохорным (от греческих слов isos — равный и chora — занимаемое место). Зависимость давления газа от температуры графически изображается прямой линией — изохорой. Разным объемам соответствуют различные изо-хоры (рис. 3.14). Так как с ростом объема газа при постоянной температуре давление его падает (закон Бойля—Мариотта), то изохора, соответствующая объему V₂, лежит ниже изохоры, соответствующей объему V₁ < V₂.

Рис. 3.14

Все прямые заканчиваются в начале координат. Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю, так же как и объем.

Предлагаем читателю самостоятельно убедиться в том, что закон Шарля можно записать в форме

где р₀ — давление газа при температуре Т — 273 К, а коэффициент у, называемый температурным коэффициентом давления газа, равен температурному коэффициенту объемного расширения:

Коэффициент γ представляет собой относительное изменение давления при изменении температуры газа на 1 К.

Газовый термометр постоянного объема

В § 3.6 говорилось об идеальной газовой шкале температур. Для определения температуры по этой шкале используют газовые термометры. Наиболее простым газовым термометром является термометр постоянного объема. Измерение температуры с помощью этого термометра основано на законе Шарля (3.10.2).

Газовый термометр представляет собой сосуд, заполненный тем или иным газом: азотом, аргоном или гелием. Сосуд соединен гибкой трубкой с ртутным манометром, которым измеряют давление газа и поддерживают его постоянный объем (рис. 3.15, а, б).

Рис. 3.15

Сначала измеряют давление при некоторой фиксированной температуре Т₀ (см. рис. 3.15, а)(2). Затем измеряют давление при температуре Т (см. рис. 3.15, б). Зная давление р₀ при температуре Т₀ и давление р при температуре Т, температуру Т определяют по формуле

Газовый термометр для точных измерений — очень сложное устройство. Для измерения температуры при физических исследованиях он применяется редко. Основное его назначение — использование для градуировки более простых, вторичных термометров. Эта градуировка производится в бюро стандартов, в метрологических институтах и в отдельных физических лабораториях. Для градуировки обычных, широко применяемых термометров используются вторичные термометры.

На законе Шарля основано устройство газового термометра для определения температуры по идеальной газовой шкале.

(1) Ж. Шарль в 1787 г., т. е. раньше, чем Гей-Люссак, установил и зависимость объема от температуры при постоянном давлении, но он своевременно не опубликовал своих работ.

(2) В качестве этой температуры обычно выбирается температура тройной точки воды, т. е. температура состояния, в котором лед, вода и водяной пар находятся в тепловом равновесии.