Какими способами бойль изменял давление воздуха в своих опытах

Какими способами бойль изменял давление воздуха в своих опытах

( 1662 г .)

1. КЕМ И КОГДА ПРОВОДИЛСЯ ОПЫТ, В ЧЕМ СОСТОЯЛА ЕГО ИСТОРИЧЕСКАЯ ЦЕЛЬ

Научные исследования Р.Бойля, завершившиеся впоследствии открытием первого газового закона, относятся к 1660 г. В этот период Р. Бойль знакомится с опытами О. Герике . Удивительные опыты Отто Герике с воздушным насосом и магдебургскими полушариями были описаны в сочинениях Каспара Шотта ( 1657 г .) (рис. 1, 2). Р. Бойль решил повторить эти опыты. Для постановки опытов он конструирует новый насос (рис. 3). Немалое содействие в этом ему оказывает Р. Гук . По принципу действия насос Бойля не отличался от насоса Герике , но являлся более удобным в работе.

Результаты своих опытов Р . Бойль изложил в сочинении «New experiments physico- mechanical, touching the spring of the air» ( Оксфорд , 1660 г .). В этой же работе он описывает свой новый насос.

Рис. 1. Воздушный насос О. Герике и магдебурские полушария, хранящиеся

в Мюнхенском музее (по фотографии)

Рис. 2. Усовершенствованный воздушный насос О. Герике

Рис. 3 Воздушный насос Р. Бойля

и специальные приборы

для опытов с ним [ 9, C .162 ] . Построен Р. Бойлем в 1659 г .

Эксперименты, выполненные Р. Бойлем, позволили ему убедиться в справедливости результатов опытов О. Герике.

Помимо того, кроме уже известных научных фактов Р. Бойль устанавливает несколько новых. В ходе многократно воспроизведенных экспериментов он наблюдал: что ртуть «падает», когда над ртутной ванной барометра выкачивают воздух; что в пустоте течение воды по сифону прекращается; что дым в пустом сосуде сначала несколько поднимается, а потом, подобно всякому тяжелому телу, падает на дно. Им были зафиксированы и некоторые другие эффекты.

Учеными того времени предпринимались попытки объяснить результаты опытов по исследованию свойств воздуха и производимого им давления. Несмотря на множество неопровержимых доказательств существования атмосферного давления, многие не могли понять, как воздух такой легкий и подвижный, может уравновешивать столб ртути значительной высоты (в 28 дюймов!). На этот счет строились различные предположения. Так, например, люттихский профессор Франциск Линус (1595 — 1675) утверждал, что ртуть удерживается в барометре «невидимыми нитями» и, что якобы он сам почувствовал наличие этих нитей, когда закрывал пальцем барометрическую трубку [ 17, С. 135 ] .

Р. Бойль не был согласен с предположением Ф. Линуса. Заинтересовавшись замечательными свойствами воздуха, Р. Бойль выдвинул собственную гипотезу для их объяснения. Он считал, что воздух обладает упругими свойствами. Ученый представлял себе воздух как совокупность «маленьких спиралей», способных сжиматься. По мнению Р. Бойля, именно упругость воздуха уравновешивает давление столба ртути и давление атмосферы. Р. Бойлю было важно доказать ошибочность гипотезы Ф. Линуса и убедить последнего в существовании сопротивления воздуха. Ему пришлось поставить специальный опыт, в ходе которого он хотел установить, как меняется объем данного количества воздуха в зависимости от давления. Результаты, полученные Р. Бойлем, позволили сформулировать ему один из основных законов физики, носящий его имя. [ 10, С.163 ] .

Описание опытов Р. Бойля и формулировка его закона были опубликованы в 1662 году в сочинении « A defense of the doctrine touching spring and weight of the air » («Защита доктрины, касающейся упругости и веса воздуха») [ 17, С. 136 ] .

Закон об «упругих свойствах воздуха» не сохранил имени только первого, открывшего его ученого. Этот закон носит имя еще одного физика — Эдма Мариотта . В 1676 г. французский священник Э.Мариотт (1620 — 1684 гг.) в своей работе «Опыты о природе воздуха» описывает собственные экспериментальные исследования по сжатию и разряжению воздуха, из которых (независимо от Р. Бойля) он выводит аналогичный закон [ 8, С. 131 ] . Теперь этот закон называется законом Бойля — Мариотта. Научный приоритет Р. Бойля не вызывает сомнения, но, следует отметить, что Э. Мариотт глубже осознал смысл полученного им результата. В частности, Э. Мариотт предсказал различные применения данного закона. Из них наиболее важным был расчет высоты местности над уровнем моря по показаниям барометра. Что касается Р. Бойля, то он считал выявленную им в эксперименте закономерность всего лишь еще одним интересным свойством воздуха [ 11, С.49 ] .

2. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПОСТАНОВКИ ОПЫТА, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ

Экспериментальная работа Р. Бойля включала две относительно самостоятельные части. В первой своей части эксперимент был связан с исследованием упругих свойств воздуха при давлениях выше атмосферного, а во второй — при давлениях ниже атмосферного.

Обратимся к характеристике оборудования, которое использовал Р. Бойль на первом этапе экспериментальной работы.

Сам Р. Бойль так описывает свою экспериментальную установку: «Мы взяли длинную стеклянную трубку, которая путем нагревания на лампе была изогнута таким образом, что загнутая часть оказалась параллельной остальной части трубки и, один конец трубки был герметически запаян. Трубка была разделена на дюймы (каждый дюйм был разделен еще на 8 частей) при помощи наклеенной узкой бумажки» (рис. 2, а) [ цит. по 17, С. 134 ].

Рис. 4 (а-в). Принципиальная схема устройства прибора Р. Бойля,

с помощью которого он установил соотношение между давлением

и объемом данной массы газа, для давлений больше атмосферного

Чтобы убедиться, сохраняет ли его закон силу в области давлений ниже атмосферного Р.Бойль использовал более сложную установку.

«Мы применили, — пишет Р. Бойль, — стеклянную трубку длиной около шести футов. Поскольку она была герметически запаяна с одного конца, то служила нам так же, как если бы мы могли проводить опыт в бадье или в пруду глубиной семьдесят дюймов . Мы также располагали узкой стеклянной трубочкой величиной примерно с лебединое перо, открытой с обоих концов, вдоль всей длины трубки был приклеен узкий листок бумаги, разделенный на дюймы и их восьмые части. Когда эта узкая трубочка опускалась в большую трубку, почти заполненную ртутью, стекло способствовало тому, чтобы последняя сделалась выпуклой у верхнего края трубки. И ртуть, проникая через нижнее отверстие трубочки, заполняла ее до тех пор, пока заключенная внутри ртуть не оказывалась почти на уровне с поверхностью окружающей ртути в трубке» (рис. 5, а) [3, С. 102]. Отверстие на конце узкой трубочки, который выступал над поверхностью ртути, тщательно заделывалось с помощью расплавленного сургуча.

Рис. 5. Принципиальная схема устройства прибора Р. Бойля,с помощью которого было установлено соотношение между давлением и объемом данной массы газа

для давлений меньше атмосферного.

3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

Первая часть эксперимента Р.Бойля ( для давлений больших атмосферного) была довольно проста ( рис. 4 ). В подготовленную для опыта трубку наливалась ртуть. Перед началом эксперимента Р. Бойль добивался того, чтобы уровень ртути в обоих коленях трубки был одинаков. Для этого он многократно наклонял прибор так, чтобы атмосферный воздух мог свободно проходить из одного колена в другое. Такими действиями Р. Бойль обеспечивал ситуацию, в которой воздух, заключенный в коротком герметично запаянном колене, обладал такой же разряженностью, как и атмосферный воздух, окружающий прибор ( рис. 4, а ).

Далее начинался собственно эксперимент. В длинное колено трубки Р. Бойль начинал порциями доливать ртуть. Жидкость своей тяжестью сжимала воздух в коротком колене. Наполнение длинного конца трубки продолжалось до тех пор, пока воздух в коротком колене не оказался сжатым вдвое, т.е. не стал занимать половину от того пространства, которое он занимал ранее [ С. 98 ] . Затем, используя наклеенную на прибор узкую бумажную ленту с делениями, Роберт Бойль и его помощник Ричард Таунлей измерили высоту ртути в длинном колене. Они установили, что уровень ртути в длинном колене превысил на 29 дюймов ее уровень в коротком колене [ 10, С. 165 ] .

Р. Бойль дает объяснение этому явлению с точки зрения своей гипотезы об упругости воздуха. Именно частицы воздуха как «маленькие пружинки», по мнению ученого, уравновешивает давление столба ртути и давление атмосферы.

К сожалению, в ходе этого опыта трубка разбилась, и Р. Бойлю пришлось готовить новую установку. «После нескольких таких опытов, — пишет Р. Бойль, — среди которых был такой, что длинное колено было вертикально, а нижнее горизонтально, мы, в конце концов, взяли трубку такой величины, что на ее коротком колене можно было наклеить бумажку с делениями длиной в 12 дюймов, а длинное колено имело несколько футов длины» [ 10, там же ]. (фут — 304,80 мм; дюйм — 25,40 мм)

Повторные эксперименты на новом оборудовании проводились точно так же, как и в первом случае. В открытую часть изогнутой стеклянной трубки наливалась ртуть так, чтобы ее поверхность находилась в обоих коленах на одном и том же уровне ( рис. 4, а ). Далее в длинное колено ртуть постепенно доливалась. При этом менялся ее уровень в коротком колене. Ртуть поднималось в этом колене, причем каждый раз до определенного деления. Экспериментаторы производили необходимые отсчеты: насколько она поднялась в длинном колене, насколько изменился ее уровень в запаянном коротком конце трубки ( рис. 4, б, в ).

Надо отметить, что опыт, поставленный Р. Бойлем со своим помощником Р. Таунлеем, лишь на первый взгляд кажется простым. В техническом отношении по тем временам это был сложный и очень опасный эксперимент.

Трубка была настолько длинной, что экспериментаторы не могли проводить опыт в комнате. Для проведения опыта использовались две легкие лестницы. Сама же трубка для сохранности удерживалась веревками и была подвешена над квадратным деревянным ящиком

, так, что ее нижняя изогнутая часть помещалась в внутри него. Ящик был достаточной глубины и использовался для предотвращения потерь ртути, которые возникали при заполнении длинного колена. Он также служил емкостью для сбора всей ртути в случае поломки установки.

Р. Бойль и Р. Таунлей проводили наблюдения и измерения вдвоем. Один делал отсчеты внизу, измеряя высоту уровня ртути в коротком колене, другой был наверху — доливал ртуть трубку и отсчитывал ее уровень в длинном колене. Наполнение трубки осуществлялось очень осторожно и малыми порциями в соответствии с указаниями наблюдателя, находившегося внизу. Это было связано с попыткой снятия как можно более точных показаний (совмещения уровня ртути в коротком колене с отметками на бумажной ленте). Немаловажной причиной было и то, что гораздо легче было добавить ртуть в трубку, чем потом изъять какую-то ее часть, если вдруг очередная порция оказывалась слишком большой. Для повышения точности измерений в начале наблюдений экспериментаторы для определения положения ртути в коленах пользовались маленьким зеркалом, установленным в удобном положении.

Сжатие воздуха в коротком колене было довольно внушительным. Воздух в итоге загонялся в объем, составлявший менее четверти занимавшего им первоначального пространства.

Кроме исследования зависимости объема данного количества воздуха от производимого на него давления Р. Бойль и Р. Таунлей проверяли, не «сгустит» данный объем воздуха холод. Для этого они обматывали часть трубки, заполненной воздухом, льняной тканью, смоченной в воде. При проведении этого эксперимента было заметно небольшое сжатие воздуха. Однако ученые посчитали, что воздух сжимается не настолько отчетливо, чтобы на этом факте можно было построить обоснованные заключения.

Впоследствии была поставлена еще одна задача: выяснить, какое воздействие на сильно сжатый воздух окажет нагревание. Подогрев осуществлялся в пламени свечи. При приближении пламени к той части трубки, где находился воздух, обнаруживалось, что нагрев оказывает более сильное действие, чем охлаждение. Бойль практически не сомневался, что расширение сжатого воздуха при достаточном нагреве будет заметным и позволит получить новые данные о свойствах газов. Однако из опасения повредить стеклянную трубку он удержался от значительного увеличения температуры сжатого воздуха.

Эксперименты с нагреванием и охлаждением сжатого воздуха не привели к установлению каких-либо закономерностей, но при этом окончательно убедили Р.Бойля в справедливости его предположений об упругих свойствах газов. «Теперь, — пишет Р.Бойль, — если к тому, что мы, таким образом, узнали относительно сжатия воздуха, добавить несколько наблюдений, касающихся его самопроизвольного расширения, будет лучше видно, насколько явления, наблюдающиеся в этих экспериментах с ртутью, зависят от различающихся мер силы, которая должна встречаться в упругости воздуха, в соответствии с различными степенями его сжатия и разреженности» [ 3, С. 101 ].

Вторую часть своего эксперимента для случая, когда давление, под которым находился воздух, было меньше атмосферного, Р. Бойль провел на другой экспериментальной установке ( рис. 5 ).

Узкая стеклянная трубочка опускалась в большую трубку, заполненную ртутью. Ртуть проникала через нижнее отверстие узкой трубки и заполняла ее. Т рубочка выступала над поверхностью окружающей ртути всего на один дюйм и оставалась в этой части заполненной воздухом. Выступающее отверстие заделывалось расплавленным сургучом. Горячий сургуч нагревал воздух, находящийся в последнем дюйме узкой трубки, и воздух по этой причине частично расширялся. Р.Бойль учитывал этот эффект в своем эксперименте. Он позволял воздуху, заключенному в верхнем конце трубки остыть и занять прежний объем. По бумажной ленте с нанесенными на нее делениями он определял, насколько точно восстанавливался исходный объем воздуха. Иногда воздуха оказывалось в трубке чуть больше или чуть меньше чем на один дюйм по высоте. В обоих случаях Р. Бойль и его помощник были вынуждены исправлять допущенную техническую ошибку. Они протыкали в сургуче отверстие нагретой булавкой, а затем заделывали его [ 3, С. 102 ] . В итоге им удавалось «закрыть» в верхнем конце трубки ровно «один дюйм» воздуха.

Далее начинался собственно эксперимент. Р.Бойль поднимал тонкую трубочку на разную высоту и наблюдал за расширением воздуха в ней. Добиваясь расширения воздуха в узкой трубке на один дюйм, полтора, два и т.д., он измерял число дюймов ртутного столба, который возвышался над поверхностью ртути в большой трубке ( рис. 5, б, в). Следует отметить, что измерения проводились с точностью до восьмых частей дюйма [ 10, С. 165 ].

За счет продуманной техники постановки опыта, выполненного отдельно для давлений больших и меньших атмосферного, Р. Бойлю удалось перекрыть достаточный диапазон давлений [ 11, С. 47 ].

По завершению эксперимента Р. Бойль и Р. Таунлeй проводили опыт Эванджелиста Торричелли с большой трубкой около шести футов длиной. Это делалось с целью определения высоты столба ртути для данного дня и часа. Полученное значение служило характеристикой давления атмосферного воздуха. В ысота столба ртути составляла 29 3 / 4 дюйма [ 3, С. 104 ] .

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТА

Наблюдения и измерения, выполненные в ходе опыта, позволили Р. Бойлю составить две таблицы (для давлений больших и меньших атмосферного). На первый взгляд, таблицы Р.Бойля кажутся достаточно сложными. На самом деле в структуре таблиц четко отражена идея эксперимента, а представленные в них данные убедительно подтверждают справедливость выдвинутой ученым гипотезы.

В таблице 1 приведены данные опыта, выполненного при давлениях больших атмосферного, а в таблице 2 — при давлениях меньших атмосферного.

Источник

Источник