Das Gesetz von Charles (auch bekannt als das Gesetz von Volumina) sind ein experimentelles Gasgesetz, das beschreibt, wie Benzin dazu neigt, sich wenn geheizt, auszubreiten. Es wurde zuerst vom französischen natürlichen Philosophen Joseph Louis Gay-Lussac 1802 veröffentlicht, obwohl er die Entdeckung der unveröffentlichten Arbeit von den 1780er Jahren durch Jacques Charles kreditiert hat. Das Gesetz wurde vom britischen natürlichen Philosophen John Dalton vor 1801 unabhängig entdeckt, obwohl die Beschreibung von Dalton weniger gründlich war als Gay-Lussac. Die Kernprinzipien waren bereits ein Jahrhundert früher von Guillaume Amontons beschrieben worden.

Taylor Buchanan war erst, um zu demonstrieren, dass das Gesetz allgemein für das ganze Benzin, und auch für die Dämpfe von flüchtigen Flüssigkeiten gegolten hat, wenn die Temperatur mehr war als einige Grade über dem Siedepunkt. Seine Behauptung des Gesetzes kann mathematisch als ausgedrückt werden:

wo V das Volumen ist, das durch eine gegebene Probe von Benzin an 100 °C besetzt ist; V ist das Volumen, das durch dieselbe Probe von Benzin an 0 °C besetzt ist; und k ist eine Konstante, die dasselbe für das ganze Benzin am unveränderlichen Druck ist. Der homosexuelle-Lussac's Wert für k, war bemerkenswert in der Nähe vom heutigen Wert dessen.

Volumen und Temperatur sind direkt proportional, so lange der Druck an einer Konstante bleibt.

Eine moderne Behauptung des Gesetzes von Charles ist:

Am unveränderlichen Druck nimmt das Volumen einer gegebenen Masse eines idealen Benzins zu oder nimmt durch denselben Faktor wie seine Temperatur auf der Skala der absoluten Temperatur ab (d. h. das Benzin breitet sich aus, als die Temperatur zunimmt).

der als geschrieben werden kann:

wo V das Volumen des Benzins ist; und T ist die absolute Temperatur. Das Gesetz kann auch wie folgt nützlich ausgedrückt werden:

Die Gleichung zeigt, dass, weil absolute Temperatur zunimmt, das Volumen des Benzins auch im Verhältnis zunimmt.

Das Gesetz von Charles

Wenn eine gegebene Masse eines Benzins am unveränderlichen Druck geheizt wird, ist der Band V der gegebenen Masse eines Benzins zu seiner absoluten Temperatur direkt proportional.

Beziehung zum idealen Gasgesetz

Französischer Physiker Émile Clapeyron hat das Gesetz von Charles mit dem Gesetz von Boyle 1834 verbunden, um eine einzelne Behauptung zu erzeugen, die bekannt als das ideale Gasgesetz werden würde. Die ursprüngliche Behauptung von Claypeyron war:

wo t die Celsiustemperatur ist; und p, V und t sind der Druck, das Volumen und die Temperatur einer Probe von Benzin unter einem Standardstaat. Die Zahl 267 ist direkt aus der Homosexuellen-Lussac's Arbeit gekommen: Die moderne Zahl würde 273.15 sein. Für jede gegebene Probe von Benzin, ist eine Konstante (Clapeyron hat diesen unveränderlichen R angezeigt, und es ist nah mit der modernen Gaskonstante verbunden); wenn der Druck auch unveränderlich ist, vereinfacht die Gleichung zu

wie erforderlich.

Die moderne Behauptung des idealen Gasgesetzes ist:

wo n der Betrag der Substanz der Gasprobe ist; und R ist die Gaskonstante. Der Betrag der Substanz ist für jede gegebene Gasprobe so am unveränderlichen Druck unveränderlich, die Gleichung ordnet um zu:

wo die Konstante der Proportionalität ist.

Ein ideales Benzin wird als ein Benzin definiert, das dem idealen Gasgesetz folgt, so, wie man nur erwartet, wird das Gesetz von Charles genau durch ideales Benzin gefolgt. Dennoch ist es eine gute Annäherung an das Verhalten von echtem Benzin bei relativ hohen Temperaturen und relativ niedrigem Druck.

Beziehung zur absoluten Null

Das Gesetz von Charles scheint anzudeuten, dass das Volumen eines Benzins zur Null bei einer bestimmten Temperatur (266.66 °C gemäß Homosexuellen-Lussac's Zahlen) oder-273°c hinuntersteigen wird. Homosexuell-Lussac war in seiner Beschreibung klar, dass das Gesetz bei niedrigen Temperaturen nicht anwendbar war:

aber ich kann erwähnen, dass dieser letzte Beschluss außer nicht wahr sein kann, so lange die komprimierten Dämpfe völlig im elastischen Staat bleiben; und das verlangt, dass ihre Temperatur genug erhoben werden soll, um ihnen zu ermöglichen, dem Druck zu widerstehen, der dazu neigt, sie den flüssigen Staat annehmen zu lassen.

Homosexuell-Lussac hatte keine Erfahrung von flüssiger Luft (zuerst bereit 1877), obwohl er scheint zu glauben (wie Dalton getan hat), dass das "dauerhafte Benzin" wie Luft und Wasserstoff liquified sein konnte. Homosexuell-Lussac hatte auch mit den Dämpfen von flüchtigen Flüssigkeiten im Demonstrieren des Gesetzes von Charles gearbeitet und war bewusst, dass das Gesetz gerade über dem Siedepunkt der Flüssigkeit nicht gilt:

Ich kann jedoch bemerken, dass, wenn die Temperatur des Äthers nur etwas über seinem Siedepunkt ist, seine Kondensation ein wenig schneller ist als diese von atmosphärischer Luft. Diese Tatsache ist mit einem Phänomen verbunden, das durch sehr viele Körper ausgestellt wird, wenn man von der Flüssigkeit bis den festen Zustand geht, aber das bei Temperaturen einige Grade darüber nicht mehr vernünftig ist, an dem der Übergang vorkommt.

Die erste Erwähnung einer Temperatur, bei der das Volumen eines Benzins zur Null hinuntersteigen könnte, war durch William Thomson (später bekannt als Herr Kelvin) 1848:

Das ist, was wir voraussehen könnten, wenn wir widerspiegeln, dass unendliche Kälte einer begrenzten Zahl von Graden des unter Null Luftthermometers entsprechen muss; seitdem, wenn wir den strengen Grundsatz der Graduierung, angegeben genug weit stoßen, sollten wir einen Punkt entsprechend dem Volumen von Luft erreichen, die auf nichts wird reduziert, das als 273 ° der Skala (100/.366, wenn.366 gekennzeichnet würde, der Ausdehnungskoeffizient sein); und deshalb sind 273 ° des Luftthermometers ein Punkt, der bei keiner begrenzten Temperatur jedoch niedrig erreicht werden kann.

Jedoch wurde die "absolute Null" auf der Temperaturskala von Kelvin in Bezug auf das zweite Gesetz der Thermodynamik ursprünglich definiert, die Thomson selbst 1852 beschrieben hat. Thomson hat nicht angenommen, dass das dem "nullbändigen Punkt" des Gesetzes von Charles bloß gleich war, dass das Gesetz von Charles die minimale Temperatur zur Verfügung gestellt hat, die erreicht werden konnte. Wie man zeigen kann, sind die zwei durch die statistische Ansicht von Ludwig Boltzmann vom Wärmegewicht (1870) gleichwertig.

Beziehung zur kinetischen Theorie

Die kinetische Theorie von Benzin verbindet die makroskopischen Eigenschaften von Benzin, wie Druck und Volumen zu den mikroskopischen Eigenschaften der Moleküle, die das Benzin, besonders die Masse und Geschwindigkeit der Moleküle zusammensetzen. Um das Gesetz von Charles von der kinetischen Theorie abzuleiten, ist es notwendig, eine mikroskopische Definition der Temperatur zu haben: Das kann als die Temperatur günstig genommen werden, die zur durchschnittlichen kinetischen Energie der Gasmoleküle proportional ist:

Laut dieser Definition ist die Demonstration des Gesetzes von Charles fast trivial. Die kinetische des idealen Gasgesetzes gleichwertige Theorie verbindet pV mit der durchschnittlichen kinetischen Energie:

wo N die Zahl von Molekülen in der Gasprobe ist. Wenn der Druck unveränderlich ist, ist das Volumen zur durchschnittlichen kinetischen Energie (und folglich zur Temperatur) für jede gegebene Gasprobe direkt proportional.

Siehe auch

• Das Gesetz von Boyle
• Homosexuelles-Lussac's Gesetz
• Das Gesetz von Avogadro
• Handboiler

Weiterführende Literatur

• . Faksimile am Bibliothèque nationale de France (Seiten 315-22).
• . Faksimile am Bibliothèque nationale de France (Seiten 353-79).

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• .

Links

• Die Gesetzsimulation von Charles von der Universität von Davidson, Davidson, North Carolina
• Die Gesetzsimulation von Charles von TutorVista.com
• Die Gesetzdemonstration von Charles durch Prof. Robert Burk, Carleton Universität, Ottawa, Kanada
• Der Gesetzzeichentrickfilm von Charles aus dem Projekt von Leonardo (GTEP/CCHS, das Vereinigte Königreich)