§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.
Располагая уравнением состояния идеального газа, прибегать к опыту уже нет необходимости.Закон Шарля
Согласно уравнению (3.9.9)
р~тТ- (ЗЛ0Л)
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 r Vl < V2 массы газа при постоянном объеме равно отношению его абсолютных температур:
Pi Ti
г1 = jr. (3.10.2)
Р 2 1 2
о
Процесс изменения давления газа, вызванный изменением температуры при постоянном объеме, называют изохорным (от грече- рис 3 ^4
ских слов isos — равный и ch5ra —
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 Уг < V2.
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 (3.10.3)
Р=РоУТ, где р0— давление газа при температуре Т = 273 К, а коэффициент у, называемый температурным коэффициентом давления газа, равен температурному коэффициенту объемного расширения: а.
— ТС"1 273 Л Коэффициент у 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 га-зовые термометры.
Наиболее простым газовым термометром6- 2915
[L
Ь(р)
а) б)
Рис. 3.15
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 изме-ряют давление газа и поддерживают его постоянный объем (рис. 3.15, а, б). Сначала измеряют давление при некоторой фиксированной температуре Т0 (см. рис. 3.15, а) . Затем измеряют давление при температуре Т (см. рис. 3.15, б). Зная давление при температуре Т0 и давление р при температуре Т, температуру Т определяют по формуле
Т — Т0 —. (3.10.4)
Р о 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 фи- зических лабораториях. Для градуировки обычных, широко применяемых термометров используются вторичные термо-метры.
На законе Шарля основано устройство газового термометра для определения температуры по идеальной газовой шкале.