بخشی از مقاله
قانون شارل
ژاک شارل فيزيکدان فرانسوی درسال ۱۷۸۷ ميلادی به رابطه اثر دما برحجم گاز ها درفشار ثابت پی برد.
اوباانجام آزمايش برروی گازهای متفاوت وبامقادير مختلف دريافت،که براثرتغيير دما به اندازه يک درجه سيليسيوس ، حجم گازها به اندازه ۲۷۳/۱ برابرحجم آن گاز در دمای صفردرجه سيليسيوس (oC) تغيير می يابد. قانون شارل را می توان دررابطه زير خلاصه نمود .
V = V0 +1/273 V0 t
V حجم گازدردمای t درجه ( برحسب V0 ، ( oC حجم گازدرصفردرجه سيليسیوس می باشد.
اگر نمودار تغييرات حجم گازهارا برحسب تغييردما (برحسب oC ) رسم نمايید خطوط راستی به دست خواهد آمد که اگرآنها را ادامه دهيد ( برون يابی ) ،مشاهده خواهد کرد که همگی محورافقی را در
( ۲۷۳ـ oC ) قطع خواهند نمود . لرد کلوين - دانشمند انگليسی پنجاه سال بعد از شارل اين دما را صفر مطلق ناميد.اين يافته ها می رساند که در( ۲۷۳-) درجه سيلسيوس گاز حجمی ندارد،و يا ناپديد خواهد شد اما تمام گازها قبلا از رسيدن به اين دما مايع می شوند و رابطه شارل برای مايعات وجامدات صدق نمی کند.
اگردما را برمبنای اين نقطه بسنجيم مقياس جديدی به دست می آيد که به احترام لرد کلوين، کلوين ناميده شده وبا حرف K نشان داده می شود. t(0 C) +273 =K
طبق قانون شارل ،حجم يک مقدار معين گاز با دمای مطلق به طور مستقيم تغيير می کند .
V = k T
ومی توان نتيجه گرفت . V1 / T1 = V2 / T2
گازها
گاز از ذره های بسیارکوچکی تشکیل شده اند که همواره در حرکت کاتوره ای هستند.فاصله بین ذره ها در مقایسه با اندازه خود ذره ها ی گاز بسیاربزرگ است. به همین علت حجم گاز نه تنها به تعداد ذره های آن بلکه به دما و فشار نیز بستگی دارد.
حجم گاز معمولا در
شرایط STP ( دما صفر oC وفشار ۳۲۵/۱۰۱کیلو پاسکال یا یک آتمسفر) گزارش می شود.
فشارگاز به تعداد مولکول ها در واحد حجم و میانگین انرژی جنبشی مولکول هابستگی دارد.
طبق قانون بویل در دمای ثابت ، حجم یک گاز با فشار آن نسبت عکس دارد.( V= k/P )
طبق قانون شارل در فشار ثابت ، حجم یک گاز مستقیما با دمای مطلق تغییر می کند. ( V= kT )
قانون شارل
بر اساس قانون شارل، در فشار ثابت، حجم با دما رابطه اي مستقيم دارد، به گونه اي كه اگر دما زياد شود حجم بالا مي رود و اگر دما كم شود حجم نيز كم مي شود.
اين قانون را مي توان در پديده ي طبيعي زير بيان نمود:
در تابستان كه دماي هوا بالا مي رود، حجم گاز درون تاير خودروها نيز افزايش مي يابد و بلعكس در زمستان با كاهش دما، حجم تاير خودروها كاهش يافته و بايد بر باد آن بيفزاييم.
دید کلی
مفاهیم داغ و سرد برای انسان ، مانند هر موجود زنده دیگر ذاتی است و دمای محیط مجاور را بیلیونها عصبی که به سطح پوسته می‌رسند، به مغز خبر می‌دهند. اما پاسخ فیزیولوژیکی به دما اغلب گمراه کننده است و کسی که چشمش بسته است نمی‌تواند بگوید که آیا دستش با اتوی بسیار داغ ، سوخته یا به وسیله یک تکه یخ خشک شده است. در هر دو حالت احساسی پدید می‌آید، زیرا هر دو عینا پاسخ فیزیولوژیکی به آسیبی هستند که به نسج رسیده است.
یک آزمایش ساده
دو ظرف یکسان انتخاب کرده ، در یکی آب گرم و در دیگری آب سرد بریزید. حال یک دست خود را در آب گرم و دست دیگر را در آب سرد فرو برید. حال هر دو دست را در آب نیمگرم وارد کنید. احساس شما چیست؟
قطعا دستی که ابتدا در آب گرم بوده است، آب نیمگرم را سردتر و دست دیگر آن را گرمتر احساس خواهد کرد. بنابراین با این آزمایش ساده می‌توان نتیجه گرفت که قضاوت ما در مورد دما می‌تواند نسبتا گمراه کننده باشد. علاوه بر این گستره حس دمایی ما محدود است و ما به یک معیار معین و عددی برای تعیین دما نیاز داریم.
دماسنجهای اولیه
نخستین وسیله واقعی علمی برای اندازه گیری دما در سال 1592 توسط گالیله اختراع شد. وی برای این منظور یک بطری شیشه‌ای گردن‌باریک انتخاب کرده بود. بطری با آب رنگین تا نیمه پر شده و وارونه در یک ظرف محتوی آب رنگین قرار گرفته بود. با تغییر دما ، هوای محتوی شکم بطری منبسط یا منقبض می‌شد و ستون آب در گردن بطری بالا یا پایین می‌رفت. در این وسیله ، گالیله توجه نداشت که مقیاس برای سنجش دما بکار ببرد، بطوری که وسیله وی ، بیشتر جنبه دما نما داشت تا جنبه دماسنج.
در سال 1635 ، فردیناند توسکانی ، که به علوم علاقه‌مند بود، دماسنجی ساخت که درآن از الکل استفاده کرد و سر لوله را چنان محکم بست که الکل نتواند تبخیر شود. سرانجام ، در سال 1640 ، دانشمندان آکادمی لینچی ، در ایتالیا ، نمونه‌ای از دماسنجهای جدیدی را ساختند که در آن جیوه به کار برده و هوا را دست کم تا حدودی ، از قسمت بالای لوله بسته خارج کرده بودند.
توجه به این نکته جالب است که در حدود نیم قرن طول کشید تا دماسنج کاملا تکامل یافت و حال آنکه میان کشف امواج الکترومغناطیسی و ساختن نخستین تلگراف بی‌سیم ، یا میان کشف اورانیوم و نخستین بمب اتمی چند سالی بیشتر طول نکشید.
اندازه گیری دما
برای تعیین یک مقیاس تجربی دما ، سیستمی با مختصات xy را به عنوان استاندارد که ما آن را دماسنج می‌نامیم، انتخاب می‌کنیم و مجموعه قواعدی را برای نسبت دادن یک مقدار عددی به دمای وابسته به هر کدام از منحنیهای همدمای آن ، اختیار می‌کنیم. به هر سیستم دیگری که با دماسنج در تعادل گرمایی باشد، همین عدد را برای دما نسبت می‌دهیم.
قوانین گازها
همان وقت که اسحاق نیوتن در کمبریج درباره نور و جاذبه می‌اندیشید، یک نفر انگلیسی دیگر به نام رابرت بویل ، در آکسفورد سرگرم مطالعه در باب خواص مکانیکی و تراکم‌پذیری هوا و سایر گازها بود. بویل که خبر اختراع گلوله سربی اوتوفون گریکه را شنیده بود، طرح خویش را تکمیل کرد و دست به کار آزمایشهایی برای اندازه گیری حجم هوا در فشار کم و زیاد شد.
نتیجه کارهای وی چیزی است که اکنون به قانون بویل-ماریوت معروف است و بیان می‌کند که حجم مقدار معینی از هر گاز در دمای معین با فشاری که بر آن گاز وارد می‌شود، بطور معکوس متناسب است با فشاری که بر آن گاز وارد می‌شود.
حدود یک قرن بعد ، ژوزف گیلوساک فرانسوی ، در ضمن مطالعه انبساط گازها ، قانون مهم دیگری پیدا کرد که بیان آن این است: فشار هر گاز محتوی در حجم معین به ازای هر یک درجه سانتیگراد افزایش دما ، به اندازه 273/1 حجم اولیه‌اش افزایش می‌یابد. همین قانون را یک فرانسوی دیگر به نام ژاک شارل ، دو سال پیش از آن کشف کرده بود و از این رو اغلب آن را قانون شارل-گیلوساک می‌نامند. این دو قانون مبنای ساخت دماسنجهای گازی قرار گرفت.
انواع دماسنجها
دماسنج گازی
جنس ، ساختمان و ابعاد دماسنج در ادارات و موسسات مختلف سراسر دنیا که این دستگاه را بکار می‌برند، تفاوت دارد و به طبیعت گاز و گستره دمایی که دماسنج برای آن در نظر گرفته شده است، بستگی دارد. این دماسنج شامل حبابی از جنس شیشه ، چینی ، کوارتز ، پلاتین یا پلاتین ـ ایریدیم ، ( بسته به گستره دمایی که دماسنج در آن بکار می‌رود )، می‌باشد که به وسیله یک لوله موئین به فشارسنج جیوه‌ای متصل است. این دماسنج براساس دو قانون ذکر شده در مورد گاز کامل کار می‌کند.
دماسنج با مقاومت الکتریکی
دماسنج مقاومتی به صورت یک سیم بلند و ظریف است، معمولا آن را به دور یک قاب نازک می‌پیچند تا از فشار ناشی از تغییر طول سیم که در اثر انقباض آن در موقع سرد شدن پیش می‌آید، جلوگیری کند. در شرایط ویژه می‌توان سیم را به دور جسمی که منظور اندازه گیری دمای آن است پیچید یا در داخل آن قرار داد.
در گستره دمای خیلی پایین ، دماسنجهای مقاومتی معمولا از مقاومتهای کوچک رادیویی با ترکیب کربن یا بلور ژرمانیوم که ناخالصی آن آرسنیک است و جسم حاصل در درون یک کپسول مسدود شده پر از هلیوم قرار دارد، تشکیل می‌شوند. این دماسنج را می‌توان بر روی سطح جسمی که بمنظور اندازه گیری دمای آن است سوار کرد یا در حفرهای که برای این منظور ایجاد شده است، قرار داد.
دماسنج مقاومتی پلاتین را می‌توان برای کارهای خیلی دقیق در گستره 253– تا 1200 درجه سانتیگراد بکار برد.
ترموکوپل
ترموکوپل وسیله دیگری است که برای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این نوع دماسنج از خاصیت انبساط و انقباض اجسام جامد استفاده می‌گردد. گستره یک ترموکوپل بستگی به موادی دارد که ترموکوپل از آن ساخته شده است. گستره یک ترموکوپل پلاتنیوم ـ رودیوم که 10 درصد پلاتینیوم دارد، از صفر تا 1600 درجه سانتیگراد است.
مزیت ترموکوپل در این است که بخاطر جرم کوچک ، خیلی سریع با سیستمی که اندازه گیری دمای آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمایی در می‌آید. لذا تغییرات دما به آسانی بر آن اثر می‌کند، ولی دقت دماسنج مقاومتی پلاتین را ندارد.
واحد اندازه گیری دما
• کلوین: کلوین مقیاس بنیادی دما در علوم است که سایر مقیاسها بر حسب آن تعریف می‌شوند.
• سلیسیوس یا سانتیگراد: مقیاس سلیسیوس بر اساس نقطه سه گانه آب می‌باشد. اگر t نشان‌دهنده دمای سلیسیوس و T نشان‌دهنده دمای کلوین باشد، در اینصورت داریم: 273.15 - t =T
• فارنهایت: این مقیاس هنوز هم در بعضی از کشورهای انگلیسی‌زبان به کار می‌رود و در کارهای علمی استفاده نمی‌شود
منابع و ماخذ:
WWW.GOOGLE.COM
شبكه آموزش سيما
مجله علمي رشد
قانون بويل
تعداد معينی مولکولهای گازرا وارد ظرفی می کنيم که به يک پيستون متحرک مجهز می باشد. دردمای ثابت ميانگين انرژی جنبشی مولکولهای گاز تغيير نمی کند.چنانچه پيستون را پايين ببريم ، وحجم را به نصف کاهش دهيم ،همان تعدادمولکول اکنون در نصف حجم اوليه قرارمی گيرند، چون تعداد برخوردهای مولکولهای گاز با ديواره ظرف دوبرابرشده است، پس فشار دو برابرافزايش می يابد با تکرار آزمايش درحجمهای مختلف متوجه می شويم که حجم با فشار نسبت عکس دارد.
قانون بويل : چنانچه تعداد مولکولها و دمای گازثابت باشند فشار وارد شده به وسيله گازبا حجم اشغال شده توسط گاز نسبت معکوس دارد. P=k/V
دراين عبارت P فشار وV حجم و k مقدار ثابتی است که تعداد مولکولهای گاز ودما را به حساب می آورد.
باتوجه به ثابت بودن k دردمای ثابت برای تعداد معينی گاز ،می توان رابطه زير را نيزنتيجه گرفت.
P1 V1= P2 V2
قانون بويل
قانون بويل بيان مي كند كه در دمايي ثابت، فشار با حجم رابطه اي عكس دارد يعني اگر فشار بالا رود، حجم كم مي شود و اگر فشار كم شود به عكس حجم زياد مي شود.
اين قانون را مي توان با آزمايش زير نيز بيان كرد.
سه سرنگ خالي از ماده را روي ترازوي ديجيتالي قرار مي دهيم، هر نفر يك سرنگ را مي بايست به گونه اي فشار دهد كه اولين نفر فشار كم، دومين نفر فشار بيش تر و سومين نفر فشار بيش تري وارد نمايد، فشار وارده را مي توان با ترازويي كه سرنگ را روي آن قرار داده ايم بررسي كنيم، سپس مشاهده مي كنيم اولين سرنگ كه فشار كم تري بر آن وارد شده است داراي حجم بالاتر و به ترتيب با افزايش فشار به سرنگ حاوي هوا، حجم كم و كم تر مي شود.
قانون شارل
بر اساس قانون شارل، در فشار ثابت، حجم با دما رابطه اي مستقيم دارد، به گونه اي كه اگر دما زياد شود حجم بالا مي رود و اگر دما كم شود حجم نيز كم مي شود.
اين قانون را مي توان در پديده ي طبيعي زير بيان نمود:
در تابستان كه دماي هوا بالا مي رود، حجم گاز درون تاير خودروها نيز افزايش مي يابد و بلعكس در زمستان با كاهش دما، حجم تاير خودروها كاهش يافته و بايد بر باد آن بيفزاييم.
انرژی درونی گاز کامل
ظرفی را که از نظر حرارتی عایق است و دیواره‌های آن صلب هستند در نظر بگیرید. این ظرف توسط یک تیغه به دو بخش تقسیم شده است. فرض کنید که یک قسمت پر از گاز و قسمت دیگر خالی باشد اگر تیغه برداشته شود، گاز دستخوش فرآیندی موسوم به انبساط خواهد شد که در حین آن هیچ کاری انجام نمی‌گیرد و هیچ حرارتی منتقل نمی‌شود. چون Δθ و W (تغییر حرارت و کار) هر دو صفرند، از قانون اول نتیجه می‌شود که انرژی داخلی در طی یک انبساط آزاد بدون تغییر باقی می‌ماند.
انرژی داخلی یک گاز کامل عبارت است از مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل تک‌تک ذرات تشکیل دهنده گاز می‌باشد. در گاز کامل ذرات نسبت به هم فاقد انرژی پتانسیل هستند. پس انرژی گاز کامل تنها مربوط به انرژی جنبشی ذرات آن می‌باشد. یعنی:
