氣球、充氣輪胎和汽車背後的查理定律: 氣體體積與溫度的線性關係

查理定律定義：

查理定律指出，當壓力保持恆定時，氣體的體積直接隨溫度變化。查爾定律方程可以表示為：VT

其中，V代表氣體的體積，T代表溫度。

這個定律規定了體積與溫度的線性關係。溫度通常用開爾文（國際單位溫度）來測量。

那是1783年6月，約瑟夫和艾蒂安·蒙哥爾菲用熱空氣將一個直徑30英尺的氣球充氣，並使它漂浮在空中。這個巨大的彎曲的氣球在空中飛行了0.5英裡後墜落於草地。這個消息沒過多久就傳遍了整個法國。

聽到這次飛行，雅克•亞歷山大•塞薩爾•查理感到十分驚奇，並決定在自己的氣球上進行一個類似的實驗（他是一個著名的氣球手，這兩個詞的組合，你可能認為你永遠不會看到在一起），並制定了現在被稱為的查理定律。

雅克·查爾斯做了一個簡單的實驗，在5個氣球中加入不同的氣體，但壓力和體積相同。他發現在80攝氏度的高溫下氣體都均勻膨脹。

查理定律的解釋與表述：

物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋給出了一個準解釋。他聲稱，氣體所佔的空間量完全取決於其粒子的運動。這些粒子不停地顛簸，並與它們所在的容器碰撞。無數氣體粒子的快速攻擊在容器表面施加了一種力。這個力轉化成一定的壓力。

這種碰撞的衝擊力是無關緊要的，但總的來說，碰撞會對容器表面施加相當大的壓力。例如，在一個氦氣球內，每秒大約有1e24個氦原子以每秒大約一英裡的速度撞擊每平方釐米的橡膠，這種壓力稱為氣體壓力。

氣體壓力與碰撞的大小和它們在某一特定區域上的作用力成正比。因此，碰撞越多，壓力就越大。一個重要的發現是氣體粒子的運動和它們碰撞的頻率取決於氣體的溫度。這意味著更熱的氣體對牆壁的壓力更大，產生更高的壓力。這就是眾所周知的蓋·呂薩克定律。

然而，必須認識到，壓力隨著溫度的升高而增加，前提是容器的體積是剛性的、有界的，或者簡單地說是一個常數。這一點在空氣泵的行為中很明顯，當活塞周期性地被推拉時，空氣泵會噴出熱空氣。然而，在這個過程中被泵出的球本身呢？當它接觸到這種被加熱的氣體時，它的體積會增加，因為它的體積是沒有界限的——當氣球膨脹時，即使壓力在增加，它也會不斷地增加，從而被限制在一個恆定的值內。隨著越來越多的熱氣體被泵入，橡膠膨脹，興奮的顆粒反彈並推動表面內側，向外推動。它完全符合查理定律。

如上圖所示，查理定律也有助於我們定義絕對溫度（0 K或-273.15 C）。根據表達式，絕對溫度是氣體體積為零的溫度。

應用：

1.熱氣球

這是查理定律最常見的應用。其中一個在風中遊蕩的人的精神形象激發了查理自己思考其膨脹背後的潛在機制。從公元前三世紀開始，我們就知道當一個物體的重量小於它所置換的流體的重量時，它會漂浮在流體中。或者簡單地說，當一個物體的密度小於它試圖漂浮的流體時，它就會漂浮。

查理定律為熱氣球的工作原理提供了簡潔的解釋。根據查理定律，如果氣球充滿了熱氣體，它的體積必須膨脹。當體積增大時，氣球在與周圍空氣相同的重量下佔據更大的體積，其密度現在小於冷空氣，因此氣球開始上升。

這也解釋了為什麼氦氣球在較冷的溫度下會收縮。內部的暖空氣本能地服從熱力學定律，並向外部的寒冷地區擴散。暖空氣的離開降低了內部的壓力，因為冷空氣分子在周圍晃動的次數更少，需要的空間也更少。簡單地說，隨著氣球內部溫度的下降，它的體積也會減小。

2.充氣輪胎

這不完全是一個應用，而是一個惡習，可能是第二個引用最多的查爾斯定律的應用。查理定律是導致輪胎在炎熱的夏季被困時膨脹的管子從輪胎中伸出的原因。外界的劇烈熱量穩定地流入內胎，並逐漸導致輪胎膨脹，使輪胎變形或完全爆裂。

強烈建議您在夏季定期檢查輪胎。注意力不集中和持續的循環會導致極其危險的後果，因為輪胎如果受到進一步的膨脹，在任何一秒鐘都會爆裂，另外由於摩擦產生的熱量不可避免地流入。是的，這得多謝謝查理。

3.汽車

汽車的發動機由一系列排列整齊的活塞組成，當活塞正上方沒有或存在液體時，活塞會周期性地上下擺動。活塞的兩端以一種特殊的方式連接在曲軸上，這樣活塞的上升和下降使軸旋轉。曲軸的另一端與汽車的後輪相連，因此當連杆轉動時，車輪也隨之轉動。

再說一次，查理定律在這場行動中發揮了重要作用。活塞由燃料燃燒產生的氣體推動。燃燒產生大量的熱量。結果，溫度升高，轉化後的氣體立即膨脹，使其沸騰的顆粒衝向活塞。他們使出渾身解數把車向前推進。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. sciabc-搞混

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2.天文學名詞

3.原文來自：http://sciabc.us/xfsuj

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