Воздушный шар не несёт ни двигателя, ни крыльев — он летает исключительно потому, что воздух, запертый внутри его оболочки, теплее, а значит, менее плотный, чем воздух снаружи. Именно закон Шарля выполняет реальную, несущую работу, а не просто школьную схему из учебника: нагрейте газ при (примерно) постоянном давлении, и его объём должен увеличиться.
Базовый уровень GCSE
Правило, и почему оно должно быть верным
Закон Шарля утверждает, что для фиксированной массы газа при постоянном давлении объём прямо пропорционален температуре, измеренной в кельвинах, — удвойте абсолютную температуру, и объём тоже удвоится. Лежащее в основе рассуждение исходит из кинетической теории: нагрев газа заставляет его частицы двигаться в среднем быстрее, поэтому они ударяются о стенки своего сосуда сильнее и чаще. Если сосуд может свободно расширяться — шар или поршень с фиксированным грузом сверху — эта усиленная сила столкновений выталкивает эту границу наружу, пока давление снова не опустится до соответствия постоянному внешнему давлению, что происходит только тогда, когда газ занимает больший объём.
Груз на поршне поддерживает постоянное давление. По мере нагрева газа частицы движутся быстрее и ударяют сильнее — поршень должен подняться, увеличивая объём, чтобы вернуть давление к соответствию.
Почему это должно быть в кельвинах, а не в Цельсиях
Прямая пропорциональность работает только по абсолютной температурной шкале — шкале, где ноль действительно означает ноль, вообще никакого движения частиц. У Цельсия произвольная нулевая точка (точка замерзания воды), поэтому удвоение температуры в Цельсиях не удваивает то, насколько энергично на самом деле движутся частицы; удвоение температуры в кельвинах делает именно это. Исторически это больше, чем просто удобство: собственные измерения Жака Шарля XVIII века объёма газа в зависимости от температуры, экстраполированные как прямая линия до точки, где объём теоретически достиг бы нуля, дали одну из первых пригодных оценок абсолютного нуля — за десятилетия до того, как кто-либо смог приблизиться к нему в лаборатории.
Объём в зависимости от температуры в кельвинах — прямая линия, проходящая через начало координат. Экстраполяция реальных измерений до V = 0 — это именно то, как впервые был оценён абсолютный нуль, задолго до того, как его стало возможно достичь экспериментально.
Вопрос в формате экзамена
Воздушный шар содержит 2,4 дм³ воздуха при 15°C. Он оставлен на прямом солнечном свете и нагревается до 45°C при постоянном давлении. Рассчитайте новый объём. [3 баллов]
Показать образец ответа и разбивку баллов
- Переведите в кельвины: T₁ = 15 + 273 = 288 К, T₂ = 45 + 273 = 318 К (1 балл)
- Примените закон Гей-Люссака (закон Шарля): V₁/T₁ = V₂/T₂, значит V₂ = V₁ × T₂/T₁ (1 балл)
- V₂ = 2,4 × 318/288 ≈ 2,65 дм³ (1 балл)
На что обращает внимание экзаменатор: переведите обе температуры в кельвины перед подстановкой — именно поэтому закону нужна абсолютная шкала, а не обычные значения в Цельсиях.
Частая ошибка: подставить 15 и 45 напрямую в отношение без перевода в кельвины, что даст неверный ответ, поскольку шкала Цельсия не является истинной шкалой отношений (удвоение °C не удваивает реальную тепловую энергию).
Распространённая путаница, которую стоит прояснить
Легко обратиться к закону Шарля, чтобы объяснить, почему футбольный мяч кажется более мягким холодным утром, но на самом деле это другой газовый закон: объём мяча едва меняется (оболочка довольно жёсткая), поэтому именно давление падает при примерно постоянном объёме — это закон давления, а не закон Шарля. Воздушный шар и сдувающийся праздничный шарик — настоящие случаи постоянного давления, потому что оба свободны менять объём, а не жёстко ограничены. Различение газовых законов по тому, какая величина на самом деле остаётся постоянной, а не по тому, какой пример кажется похожим, — это именно то, что легко перепутать под давлением экзамена. Если газовые законы или любая другая тема физики GCSE и A-Level требуют объяснения с реальным механизмом, а не формулой для заучивания, именно для этого существует наше репетиторство по физике GCSE — смотрите полный путь обучения здесь.
Часто задаваемые вопросы
Почему воздушному шару нужно, чтобы пламя работало постоянно, а не только один раз?
Тепло постоянно утекает через ткань шара в более холодный воздух снаружи, поэтому воздух внутри постепенно охлаждался бы и сжимался (закон Шарля, работающий в обратную сторону) без непрерывного нагрева. Горелка преодолевает не разовое сопротивление — она непрерывно восполняет тепло, которое постоянно теряется, чтобы поддерживать воздух внутри при более высокой температуре, необходимой шару для сохранения плавучести.
Это та же причина, по которой воздушный шарик сдувается на улице в холодный день?
Да, именно так — праздничный шарик, вынесенный на улицу в холодный день, заметно сдувается, потому что воздух внутри охлаждается и сжимается при примерно постоянном (атмосферном) давлении, точно как предсказывает закон Шарля. Занесите его обратно в тёплую комнату, и он снова расширится, без необходимости повторного надувания, что действительно хороший способ увидеть закон в действии в реальном времени.
Применим ли закон Шарля к любому газу, или только к воздуху?
Он применим к любому газу, который ведёт себя близко к «идеальному» — что делает большинство газов при обычных температурах и давлениях, включая воздух. Он начинает переставать работать для газов при очень высоком давлении или очень близко к температуре, при которой они конденсируются в жидкость, где упрощающие предположения, лежащие в основе модели идеального газа, перестают хорошо выполняться.
Оценки и отзывы читателей
Оцените эту статью по нескольким критериям — ваше мнение помогает другим читателям и помогает нам становиться лучше.
Была ли эта статья полезной?
Расскажите, что вы думаете — исправление, вопрос, оставшийся без ответа, или тема, которую вы хотели бы увидеть далее.
Хотите обсудить голосом? Запишитесь на бесплатный видеозвонок в удобное время: 15 минут для короткого вопроса, 30 — для всего остального. Время показывается в вашем часовом поясе.
Об авторе
Sudershan Soni
Основатель и главный преподаватель в Mostak Services — репетитор по математике, естественным наукам, информатике и STEM со степенью магистра и более чем 20-летним профессиональным опытом, преподаёт ученикам от уровня 11+ и GCSE до A-Level и выше, онлайн по всему миру.
Читать полный профиль