Глаз-алмаз

Гей-Люссак во время одного из своих опытов лишился глаза. Епископ Сиезский недоумевал по этому поводу:
- Не понимаю, как можно быть ученым, имея всего один глаз? Что можно увидеть одним глазом?
- Да побольше вашего, - ухмыльнулся Гей-Люссак.- Вот, например, я вижу у вас два глаза, а вы у меня - только один.

Что же открыл пэр Франции и депутат Жозеф Луи Гей-Люссак. Почти очевидные закономерности: как давление (при постоянном объеме), так и объем (при постоянном давлении) газа линейно возрастают с ростом температуры. В современных обозначениях эти зависимости записываются в виде

. (3)

Здесь и давление и объем газа при температуре .

Что в этом удивительного? Так же ведут себя и жидкости (это свойство жидкостей проверено и использовано Фаренгейтом, Реомюром … при создании термометров), и твердые тела. Удивительно и поразительно другое - коэффициенты (называемые термический коэффициент давления в первом случае, и термический коэффициент объемного расширения – во втором) одинаковы, более того они одинаковы для всех исследованных газов! Газы различаются по составу, атомной массе, цвету, запаху … но эти коэффициенты одинаковы! Если бы так же вели себя и жидкости, то не возникло бы спора между Фаренгейтом и Реомюром. Теперь появилась возможность создать шкалу, не зависящую от рода термометрического вещества, только бы оно находилось в газообразном состоянии. Кстати, такая температурная шкала была разработана, и получила название газовой. До сих пор газовые термометры одни из самых точных и чувствительных.

От законов Гей-Люссака совсем не далеко до абсолютной температурной шкалы. Действительно, измеренное значение коэффициента . Поэтому можно преобразовать, например, для объема:

.

Теперь достаточно сместить нуль температуры, тем самым ввести новую температурную шкалу, связанную со шкалой Цельсия соотношением , и получить не просто линейную зависимость, а еще более простую прямо пропорциональную зависимость между давлением, объемом и температурой. Эта новая шкала появилась, но только через 46 лет и получила название абсолютная температурная шкала, или шкала Кельвина, но об этом речь еще впереди. В законах Гей-Люссака неявно присутствует и абсолютный нуль температуры (настоящий), так как при температурах меньших не только давление (с чем еще можно смириться), но и объем (чего даже представить не возможно) становятся отрицательными.

Постоянство указанных коэффициентов позволяет очевидным образом объединить три газовых закона

. (4)

Что было сделано всего через 30 лет Клапейроном (об этом тоже впереди) – странно, что этого не сделал Гей-Люссак, но не появилось еще обобщающей идеи уравнения состояния.

Таким образом, к 1802 году уравнение (1) обрело еще один множитель, но самого уравнения еще не было – история сделала «зигзаг» и обратилась к поиску неизвестного коэффициента в уравнении (4)

Первое десятилетие XIX века оказалось богатым на новые газовые законы, открытые не только во Франции. Видно влияние Наполеона было сильным и в Италии, покоренной Наполеоном, и в Англии, которая в конце-концов победила его.

Бросим же беглый взгляд на эти страны. В Англии развивал атомистическое учение Джон Дальтон, обиженный Гей-Люссаком и вынужденным открывать свой собственный закон (без соавторов).

Джон Дальтон

Джон Дальтон ( англ.John Dalton ) английский химик и физик родился 6 сентября 1766 года в семье ткача. В школе проявил незаурядные способности к математике и физике. Так как семья бедствовала, продолжить учебу не удалось. Тогда двенадцатилетнему Джону предложили заменить уехавшего учителя, он согласился. По заданию одного популярного издания начал с 1787 года вести дневник метеонаблюдений. Изучение погоды стало его основным занятием, причем от простых наблюдений он перешел к анализу состава и свойств атмосферы. В 1793 году был приглашен в Манчестер преподавателем физики и математики в колледже.

В 1794 году сделал доклад о частичной световой слепоте, дефекте зрения, который в последствии был назван «дальтонизмом».

Исследуя свойства газовых смесей, в 1801 году открыл закон парциальных давлений (закон Дальтона), а в 1802 году – газовый закон, устанавливающий зависимость объема газа от его температуры (чуть ранее этот же закон был открыт Гей-Люссаком и сейчас носит его имя). В 1803 году открыл закон зависимости растворимости газов от их парциального давления (позже этот закон в более общей форме был сформулирован Генри, поэтому носит его имя).

Занимаясь химическими исследованиями, Дальтон ввел понятие атомного веса, определил атомные веса для целого ряда химических элементов. Большое значение в этой области имел открытый дальтоном в 1804 году закон кратных отношений в химических реакциях. Так, в 1804 в целом была сформулирована химическая атомистика. В 1808 году была опубликована книга «Новая система химической философии», содержащая основные положения атомистики. Дальтон внес существенный вклад в развитие химической символики. Ученый стал известен, в 1817 году он стал председателем Манчестерского литературно-философского общества. В 1822 году стал членом Лондонского королевского общества.

Умер Дальтон 27 июля 1844 года.

Его именем названа атомная единица массы (обозначение а. е. м.), она же дальто́ н, — внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц.

Осознание того, что погода есть состояние атмосферы, а атмосфера есть смесь газов, привело Дальтона к открытию закона парциальных давлений. Поэтому законы Гей-Люссака справедливы и для любых смесей газов. Действительно, запишите уравнения (3) для каждой из компонент смеси и просуммируйте их. При выполнении этой операции не забудьте, что в смеси температуры всех ее компонент одинаковы. Кроме того, если в десятилитровом баллоне находится смесь газов, то каждый из них занимает объем в 10 литров. Идеальное мирное существование – никто никому не мешает! Вот смысл закона Дальтона. Итак, газ тело, собственной фигуры не имеющее, как поручик Киже.

А еще Дальтон прославил (или наоборот, ославил) свое имя названием дефекта зрения, учитесь собственные недостатки превращать в достоинства.

Джон Дальтон сам был дальтоником (но не знал этого термина), не различал красный цвет, он узнал о своей цветовой слепоте только в 26 лет. У него были три брата и сестра, и двое из братьев страдали цветослепотой на красный цвет. Дальтон подробно описал свой семейный дефект зрения в небольшой книге. Благодаря его публикации и появилось слово «дальтонизм», которое на долгие годы стало синонимом не только описанной им аномалии зрения в красной области спектра, но и любого нарушения цветового зрения.

Переместимся с туманного острова на солнечный Аппенинский полуостров и познакомимся с еще одним химиком, опередившим свое время, гипотеза которого стала законом уже после его смерти.