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热气球的原理是什么(热气球为何升空?带你走近查理定律)

发布时间:2021-04-05来源:网络整理编辑:今日新鲜事标签:阅读:

文章导读
查理定律的定义查理定律:当压力保持不变时,气体体积V与温度T成正比。查理定律方程可以表达为:V∝T其中,V为气体体积,T为温度。这个定律规定了体积与温度的线性关系。温度一般采用国际单位制单位开尔文K。1783年六月,约瑟夫(Joseph)和艾蒂安(EtienneMontgolfier)用热空气给直径30英尺的气球打气,使其漂浮在空气中。这个庞然大物在空中飞行了1.5英里,然后沾满草和尘土被重新发

查理定律的定义

查理定律:当压力保持不变时,气体体积V与温度T成正比。查理定律方程可以表达为:

V∝T

其中,V为气体体积,T为温度。

这个定律规定了体积与温度的线性关系。温度一般采用国际单位制单位开尔文K。

热气球为何升空?带你走近查理定律


1783年六月,约瑟夫(Joseph)和艾蒂安(Etienne Montgolfier)用热空气给直径30英尺的气球打气,使其漂浮在空气中。这个庞然大物在空中飞行了1.5英里,然后沾满草和尘土被重新发现。这个新闻迅速传遍了法国。


一听到这则飞行的消息,雅克·亚历山大·塞萨尔·查尔斯内心充满了好奇,决定用他自己的气球实施相似的实验(他是一位有名的气球爱好者——人们大概一般不会把这两个词放在一起),并制定了现在所说的查理定律。


热气球为何升空?带你走近查理定律


查理做了一个简单的实验,将5个气球充满相同压强和体积的不同种气体。然后将它们放置在80摄氏度的高温中。他发现所有气球都膨胀了。


查理定律的解释和表述

科学家麦克斯韦给出了一个准解释。他表明,气体所占空间大小只与其粒子运动有关。粒子不断地与容器碰撞。无数气体粒子的迅速冲击施加给容器表面一个作用力。这个力转化为一定的压力。


这种冲击力无关紧要,但总的来说,撞击会对容器表面施加很大的压力。例如,一个氦气球里一秒钟有大概〖10〗^24(一亿亿亿)个氦原子拍打每平方厘米橡胶,速度高达1英里/秒!这种压力被称为气压。


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气压与某区域的碰撞和力的大小成正比。因此,碰撞越多,压力越大。重要发现表明,气体分子的运动和碰撞频率依赖于气体的温度。这意味着,较热的气体对壁的压力较大,且产生的压强较大。这就是盖·卢萨克定律。


然而,我们必须意识到,只要容器的体积是刚性且有界的,或者简单地恒定的,压力就会随着温度的升高而增加。打气筒很明显地表现了这一点,当我们推拉活塞时它会排出热空气。可在这个过程中,气球本身又是什么情况呢?

热气球为何升空?带你走近查理定律


当与加热的气体接触时,它的体积会增大,因为它的体积不是固定的——随着球的膨胀,即使压力增加,压力也会以恒定的速度增加,从而被限制为恒定值。随着泵入的热气体越来越多,橡胶跟着膨胀,活跃的气体粒子跳动,推动着内表面,将它往外推。这完全服从查理定律。


热气球为何升空?带你走近查理定律



以上图表显示,查理定律也可以用于定义绝对零度(0 K或-273.15℃)。根据表达式,绝对零度气体体积为零。


应用-热气球

这是查理定律最常见的应用。这些风中的心理意象激励查理思考思考其膨胀背后的潜在机制。公元前三世纪以后,人们已经知道,当物体重量小于它所排开的流体时它就可以漂浮在流体上。或者简单的说,物体的密度小于液体,它就会漂浮。


查理定律为热气球的工作原理提供了一种简洁的解释。根据查理定律,如果气球中充满加热的气体,它的体积会增大。体积增大后,相较于周围同等质量的空气,气球占据了更大的体积——它的密度现在比冷空气小,于是,气球开始上升了,


热气球为何升空?带你走近查理定律



这也解释了为什么氦气球遭遇冷时往往会收缩。内部的热空气本能地遵循热力学定律,向外较冷区域扩散。热空气的流出降低了内部压强,因为较冷的气体分子震荡幅度较小,所需空间较少。简单地说,随着气球内部温度下降,它的体积也会缩小。


充气轮胎

这不完全算应用,但相当于一个副产物,并且可能是引用查理定律第二多的应用。当轮胎在炎热的夏季酷暑中搁浅时,查理斯定律负责将轮胎从外胎中解救出来。外界的洪流稳定地进入内胎,并逐渐导致轮胎膨胀,从而使其变形或完全爆裂。


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强烈建议在夏季定期检查轮胎。 疏忽和持续的运转可能会导致极其危险的后果,因为如果轮胎进一步膨胀,轮胎可能会在任何时候爆裂,此外,由于摩擦产生的不可避免的热量流入还会加剧轮胎的破裂。 是的,感谢查尔斯。


汽车

汽车的引擎由一系列连成一排的活塞组成,当它们正上方分别有或没有液体时会周期性地上下摆动。活塞的末端以独特的方式连接到曲轴,所以它们的上下带动了轴的转动。曲轴的相对两端连接到汽车的后轮,因此,当杆旋转时,车轮也会转动。


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再说一次,查理定律就是深层次的原因。活塞被燃料燃烧产生的气体推动。燃烧产生大量的热量。结果是,温度飙升,转化的气体立即膨胀,导致沸腾的粒子冲向活塞。它们全力推动活塞,驱动车辆前进。


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