波義耳定律——人類歷史上第一個被發現的「定律」

2021-01-20 中科院物理所

在排氣泵容器中氣壓計水銀柱下降；在真空中虹吸作用失效；壓力降低時沸點降低在抽成真空的容器中動物（蜜蜂、鼠、鱔魚等）不能維持生命，鐘錶不能傳出嘀嗒聲等等。這些在今天看來是非常普遍的常識，但在17世紀時卻很新鮮。這些都被英國科學家羅伯特•波義耳實驗所證明。

英國科學家羅伯特•波義耳堪稱17世紀實驗哲學的先驅人物。他出生於一個騎士家庭，與他的父親和哥哥們的驍勇善戰、射箭神準等特徵不同的是，波義耳從小就是體弱多病、身材瘦小，一副不堪造就的樣子，但他從小就有個特點：為了做好一件事，能夠一個人靜靜地坐好久。


英國科學家羅伯特•波義耳

波義耳生活在英國資產階級革命時期，也是近代科學開始出現的時代，這是一個巨人輩出的時代。而在他科學生涯的早期，氣體物理學是科學界頗為熱門的研究方向。


氣體實驗儀器

當時法國科學家根據實驗得出「空氣沒有彈性」的結論，波義耳宣稱法國科學家的實驗不能說明任何問題。他指出，活塞之所以不能全部彈回來，是因為他們使用的活塞太緊。有人反駁道，如果活塞稍松，四周就會漏氣，影響實驗。羅伯特·波義耳許諾要製造一個鬆緊適中的絕好活塞，證明上述實驗是錯誤的。

1659年，他了解到蓋利克的神奇的抽氣泵之後，決心設計出更好的抽氣機。他與年輕的助手胡克製造出了精密的抽氣機。這個裝置的精妙之處便在於它能夠使觀察者看到玻璃試管內部的情況，並允許人們引導甚至控制實驗的發展。空氣泵現在看起來似乎貌不驚人，但在當時造價卻極其昂貴，全世界也不過只有4臺。


波義耳定律

因為波義耳的泵大部分是按照他自己的想法所設計，並由羅伯特•虎克負責建造，整臺機器非常複雜。儘管有不足，他用這種抽氣機做了一系列關於空氣壓力和稀薄空氣中的現象的實驗，並於1660年出版了《關於空氣彈性及其效應的物理、力學新實驗》一書。在書中，詳細闡述了他所進行43個實驗，說明了空氣在不同現象中的效果，試驗了抽空空氣時的氧化、磁場、聲音及氣壓特性，檢驗了在不同物質上增加氣壓的效果。

在這本書中，波義耳提出了對氣體「彈性」的兩種可能解釋。一種認為把氣體微粒看成是許多細小彈性遊絲；另一種認為微粒在熱的擾動下不斷作旋渦運動，由這種運動引起彈性。但書出版後卻得到荷蘭的以研究科學為名的教會神父利努斯的攻擊。

利努斯不相信關於存在真空的說法，他認為空氣的重量和彈性不能夠大到足以承受託裡拆利管中的29英寸水銀柱的重量，並與之均衡。他說氣壓表中的水銀柱是由某種特殊的無形的線懸掛住的，這無形的線就在管子的上端。他甚至要求在將玻璃管理上端封口時用手摸一摸，企圖找出這根無形的線。

為了反駁這一無端的批評，波義耳發表了《關於空氣的彈力和重量學說的答辯》，並決定重新做實驗。從這個意義上來說，還得感謝這位利努斯神父，如果沒有這一荒謬的批評，波義耳也許永遠不會發現以他的名字命名的定律。

波義耳把一根長玻璃管彎成二臂和短不等的U形管（虹吸管），把短的一臂上端封住，附上標尺，然後把水銀一點一點灌入管內，使水銀在玻璃管兩邊相等，記下刻度。再灌進水銀肝至封閉的一邊的空氣食糖壓縮到原來的一半，波義耳發現此時管子長臂中的水銀比另一臂高出29英寸。這說明「當空氣的密度嗇到約為原來的兩倍時，它的彈性也增加兩倍」。

但這根玻璃管偶然被打碎了，波義耳又重新作了一根更長的管子，約有8英尺高。由於在室內用太長了，因此只能在二層樓的樓梯裡用繩子吊起來作實驗。他使密封空氣的壓力在1-英寸到117-英寸高銀柱之間變化，從一個極端到另一個極端做了40多次實驗，每一次都把觀察值與按設想「溫度一定時，壓力與膨脹成反比的假設」應得的值作比較，發現兩者非常相符合，從而得到了歷史上除運動現象之外的又一個度量的自然規律。

1666年，波義耳發表了《流體靜力學佯謬》一文，有力地駁斥了那種輕的流體不能對重的流體施加壓力的傳統偏見，得出了氣體的體積與壓強成反比的關係，這正就是波義耳氣體定律的最初發表形式，它為分子運動論的發展開闢了道路。

藉助空氣泵實驗，波義耳提出了人類歷史上第一個被發現的「定律」——「波義耳定律」。當他向堵住的空氣施加雙倍的壓力時，空氣的體積就會減半；施加3倍的壓力時，體積就會變成原來的1/3。


波義耳據此實驗結果在1662年提出：「在密閉容器中的定量氣體，在恆溫下，氣體的壓力和體積成反比關係。」這是第一個描述氣體運動的定律，為氣體的量化研究和化學分析奠定了基礎。這個定律的偉大不是在怎麼計算、怎麼運用，這個定律的永垂不朽，是因為：這是人類歷史上第一個被發現的『定律』，證明宇宙裡是有不改變的律。

一個世紀以後，法國人查理和蓋一呂薩克建立了更全面的定量規律。

實驗表明，一定質量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強與體積成反比。

這個結論是英國科學家波義耳（1627-1691）和法國科學家馬略特（1620-1684）各自通過實驗發現的，叫做波義耳定律。這些實驗都在他出版的《新機械物理實驗——感受空氣的活力及其效用（由新氣壓泵所完成的大部分實驗）》一書中作了詳細的描述。




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