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热气球为何升空？带你走近查理定律 热气球的原理是什么


热气球为何升空？带你走近查理定律 热气球的原理是什么

文章插图
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，查理定律方程可表示为:
V∝T
其中v是气体体积，t是温度 。
这个定律规定了体积和温度之间的线性关系 。通常，温度采用开尔文国际单位制

1783年6月，约瑟夫和艾蒂安·蒙戈菲耶用热的空气体给一个直径30英尺的气球充气，使它漂浮在空气体中 。这只庞然大物在空飞行了1.5英里，然后被重新发现，浑身是草和灰尘 。这个消息通过信息资源网迅速传遍了法国 。
一听到信息资源网飞行的消息，雅克·亚历山大·塞萨尔·查尔斯就充满了好奇，并决定用自己的气球进行类似的实验(他是众所周知的信息资源网气球爱好者——人们大概不会把这两个词放在一起)，并制定了现在被称为查理定律的东西 。

查理做了一个简单的实验，用相同压力和体积的不同气体填充五个气球 。然后把它们放在80摄氏度的高温下 。他发现所有的气球都充气了 。
查理定律的解释和表达
科学家麦克斯韦给出了一个准解释 。他证明了气体的大小在空之间只与它的粒子运动有关 。粒子不断与容器碰撞 。无数气体颗粒的快速撞击对容器表面施加了一个力 。这个力转化为一定的压力 。
这个冲击力微不足道，但一般来说，冲击力会对容器表面产生很大的压力 。例如，在一个氦气球中，大约有[10] 24个(1000亿)氦原子以高达1英里/秒的速度撞击每平方厘米的橡胶！这个压力叫做气压 。


气压与一定区域内的碰撞和力成正比 。因此，碰撞越多，压力越大 。重要的发现表明，气体分子的运动和碰撞频率取决于气体的温度 。这意味着热气体在壁上的压力更大，产生的压力也更大 。这是盖伊·卢萨克定律 。
但是，我们必须认识到，只要容器的体积是刚性的和有界的，或者简单地说是恒定的，压力就会随着温度的升高而增加 。泵清楚地显示了这一点 。当我们推拉活塞时，它会排出热的空气体 。但是在这个过程中，气球本身呢？

当它与加热的气体接触时，它的体积会增加，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，从而被限制在一个恒定的值 。随着越来越多的热气体被泵入，橡胶膨胀，活性气体颗粒跳动，推动内表面并将其推出 。这完全符合查理定律 。


上图显示，查理定律也可以用来定义绝对零度(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启发查理思考其膨胀背后的潜在机制 。公元前3世纪以后，人们知道当物体的重量小于它所排开的流体时，它可以浮在流体上 。或者简单地说，如果物体的密度小于液体的密度，它就会漂浮 。
查理定律为热气球的工作原理提供了简明的解释 。根据查理定律，如果气球充满加热气体，它的体积会增加 。体积增大后，与周围相同质量的空气体相比，气球占据了更大的体积——它的密度现在低于冷空气体，于是气球开始上升 。


这也解释了为什么氦气球在冷的时候会收缩 。内热空气体本能地遵循热力学定律，向较冷的区域扩散 。热空气体的流出降低了内压，因为较冷气体分子的振荡幅度较小，花费的空时间更少 。简单来说，随着气球内部温度的下降，它的体积也会缩小 。
充气轮胎
这不是一个完整的应用程序，但它相当于一个副产品，它可能是引用查理定律第二多的应用程序 。当轮胎在炎热的夏季搁浅时，查尔斯定律负责将轮胎从外胎中解救出来 。来自外部的洪水稳定地进入内胎，并逐渐使轮胎膨胀，从而使其变形或完全爆裂 。


强烈建议夏季定期检查轮胎 。不经意的连续操作可能会导致极其危险的后果，因为如果轮胎进一步膨胀，轮胎随时可能爆裂 。此外，摩擦产生的热量不可避免的流入会加剧轮胎破裂 。是的，多亏了查尔斯 。
汽车
汽车的发动机由一系列连续的活塞组成，当活塞正上方有液体或没有液体时，活塞会周期性地上下摆动 。活塞的两端以一种独特的方式连接到曲轴上，因此它们的上下驱动轴旋转 。曲轴的相对两端连接在汽车的后轮上，所以当杠杆转动时，车轮也会转动 。


再次，查理定律是深层原因 。活塞由燃料燃烧产生的气体驱动 。燃烧产生大量的热量 。结果，温度飙升，转换后的气体立即膨胀，导致沸腾的颗粒冲向活塞 。他们完全推动活塞来驱动车辆前进 。


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