1. 盖-吕萨克定律的演示
视频中,当演示者将装有气体的易拉罐放入冰水中时,因为温度降低,易拉罐的体积也减小,而在空气中,由于温度升高,体积又重新恢复。
根据理想气体状态方程 当维持压强 不变时,体积 和温度 成正比,即 这就是盖-吕萨克定律。
第一次看到这个定律名字的人,很多都以为它是以盖和吕萨克俩人名字命名的。其实只有一个人,他名叫约瑟夫·路易·盖-吕萨克(Joseph Louis Gay-Lussac),盖-吕萨克是他的姓氏,他是法国物理学家和化学家。
电磁学中有个赫赫有名的定律叫毕奥-萨伐尔定律,这个真的是俩人名字,分别是毕奥(Jean-Baptiste Biot)和菲利克斯·萨伐尔( Félix Savart),来自法国的两位物理学家。
诚然,老外的名字的组织形式太多样化了。但话说回来,人家名字中间带了横杠,不代表翻译过来还要带上横杠啊。要不然,大名鼎鼎的盖尔曼还叫Murray Gell-Man呢,咋不翻译成盖尔-曼?
2. 查理定律的演示
一个简单的气体压强随温度变化的实验,在高人的手下竟然如此出神入化。
视频中,充气囊在温度降低后,压强变小,因此在外部的压力作用下,体积大大减小。而当气囊拿出后,温度升高,气体体积重新恢复。
这个现象背后是理想气体的一条实验定律在起作用,即 称之为查理定律。
3. 玻意耳定律的演示
上面的实验中,依次用气球、棉花糖和剃须膏放在真空杯中来做实验。当抽气时,那些东西都会膨大,而让气体充满时,那些东西就会缩小。这里面所反映的实验规律是温度恒定下气体的体积与压强的反比关系,即 该定律是由英国的玻意耳首先发现的。玻意耳是英国化学家,化学学科的开创者。他生活在英国资产阶级革命时期,也是近代科学开始出现的时代,这是一个巨人辈出的时代。伽利略、开普勒和笛卡尔都生活在这一时期。当然还包括比他小16岁的牛顿爵士。
玻意耳通过对空气研究,发现真空所产生的吸力乃是空气的压力。他做了一系列实验来考察空气的压力和体积的关系,并推导出空气的压力和它所占体积之间的数学关系。在他的著作《关于空气弹性及其物理力学的新实验》中,他明确地提出:“空气的压强和它的体积成反比”。
法国物理学家马里奥特在此后15年也根据实验独立地提出这一发现,因此这个规律被称作“玻意耳-马里奥特”,简称玻马定律。
根据此定律,一定质量的某种气体在保持温度不变时,压强和体积之间关系的图像是一条双曲线,曲线上任一点的的坐标乘积是确定的。
4. 大气压的演示实验
演示者将一个气球套在一个塑料瓶的口上(像套垃圾袋那样套),由于瓶内瓶外的大气压相同,所以气球保持平衡状态。如果你想吹气球的话,该怎么做?显然直吹太难了,因为瓶内有气压。
视频中的人的方法是,在瓶上开了一个小孔,然后用嘴从这个小孔吸气,这就破坏了瓶内瓶外的气压平衡,使瓶内的气压小于外面的大气压,于是在外界大气压力的作用下,气球被吹起来了!
这实验够酷吧!那么,大气压究竟是什么呢?
大气压力是由行星对地表上方大气气体的引力引起的,它由行星质量、地表半径、气体的数量和组成等决定,还会受到行星自转和风速、温度引起的密度变化和成分变化等局部效应的影响。
17世纪,意大利物理学家托里拆利通过水银的实验证实了气体具有质量,并对周围的物体产生压力,地球的大气的压力大致能与76厘米高的水银柱的重力抗衡。托里拆利的实验第一次完全证实了大气压的存在。
????地球海平面上的大气压力值叫标准大气压(atm),是一个压力单位,也叫760毫米汞柱(mmHg),若采用牛顿/平方米,即帕斯卡(Pa)为单位,则为 101,325 帕斯卡。
一个大气压相当于大约 10.3 米的水柱的重量引起的压力。因此,潜水员在水下 10.3 m 处承受大约 2 个大气压(想想为什么?)。相反,10.3 m 是在标准大气条件下 使用吸力可以将水升高到的最大高度。
纯水在地球标准大气压下的沸点为 100 °C 。沸点是蒸气压等于水周围大气压的温度。正因为如此,水在较低压力下容易沸腾,沸点随压力升高而升高。所以在高海拔地区烹饪需压力锅辅助。
可以通过测量水沸腾的温度来粗略估计海拔高度;在 19 世纪中叶,这种方法被探险家使用。
5. 阿伏加德罗定律的演示
同温同压下,相同体积的任何气体含有相同的分子数,称为阿伏加德罗定律。该定律源自1811年由意大利化学家阿伏加德罗提出的一条假说,后来被科学界所承认。
这一定律揭示了气体反应的体积关系,用以说明气体分子的组成,为气体密度法测定气态物质的分子量提供了依据。对于原子分子说的建立,也起了一定的积极作用。
气体的体积是指所含分子占据的空间,通常条件下,气体分子间的平均距离约为分子直径的10倍,因此,当气体所含分子数确定后,气体的体积主要决定于分子间的平均距离而不是分子本身的大小。
上面的实验中,从左到右的反应物碳酸氢钠的摩尔数依次为0.048mol,0.095mol,0.19mol,0.38mol,反应放出的气体摩尔数也是按此比例,而实验发现,这些气体的体积的确差不多也是按此比例。考虑到气压和温度是基本相同的,这就验证了阿伏加德罗定律。
6. 热机的原理
上述这个好玩的东东叫斯特林热机杯盖, 上有买的,大概200块左右一个。它最早由英国工程师斯特林(Robert Stirling,1790~ 1878) 于1816年首先提出。
它的主体结构是一个圆柱容器,里面有气体,圆柱地面有一个孔,空上面连着一个管子,管子里有一个活塞。这个活塞通过一个转轮连接一个另一个大活塞,该大活塞与圆柱容器的内壁之间有一定的缝隙,所以实际上它不算是一个活塞,它的作用是推动空气在圆柱中来回,也叫置换器(Displacer)或推移活塞。
斯特林热机只需要一定的温差就可以工作。其基本的物理原理是一个热力学循环,该循环包含两个等温和两个等容过程,即斯特林循环,如下图所示。
过程1→2和3→4是等温过程,而2→3和4→1是等容过程。因为等容过程的传热刚好抵消了,所以循环的有效热交换就是1→2和3→4过程。这使得斯特林循环的效率与卡诺循环一样,也是 值得注意的是,斯特林热机并不是工作来两个恒温热源之间的热机,所以它不是卡诺热机。
下面简单的描述一下斯特林热机的工作过程。
实验中,在底部放了一个高温物体,一开始时置换器在圆柱靠顶部位置,气体从底部的高温热源吸热膨胀推动活塞往上运动,对外做功。随着活塞向上运动到顶部,轮子会推动置换器向下运动,气体与高温热源隔开,气体向外放热,气体经历等温压缩,活塞下降,这又会带动置换器上升,气体又被推到下边与高温热源接触,新的循环又开始。
如果你把斯特林热机放在一块冰上,沿着与上述方向相反的方向推动一下轮子,它就会持续的地转动起来。这时候,它通过吸收环境中的热来做功,并把一部分热送给冰块。
7. 蒸汽机模型
这是一种蒸汽机模型的演示。
蒸汽机是一种使用蒸汽作为工作物质的热机。蒸汽压力产生的力在气缸内来回推动活塞,通过连杆和曲柄转化为旋转力来做功。
第一个商业上成功的蒸汽机由英国人纽卡门(Thomas Newcomen)于 1712年左右发明,后来被被英国发明家家詹姆斯·瓦特(James Watt,1736—1819)改进,效率大大提高。
8. 蒸汽机的玻璃模型
一个纯玻璃的蒸汽机模型,不做具体介绍了。
9. DIY一个热声发动机
各位可以照着做做。
10. 冰箱制冷的原理
本视频不是一个演示实验,它通过动画解释了冰箱制冷的原理。
制冷机基于的工作循环是一个负循环,热机对工作物质做功,从低温热源吸热,向高温热源放热。起决定作用的是一个节流过程,它能让中温高压的液态制冷剂变成低温低压的气体。
下面这个动态也简单的给出了制冷的基本过程。
一般的制冷机有四大核心部件,分别是压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。
下面简单的说说制冷机的工作过程。
首先,通过外界做功,压缩机负责把低温低压的气体(制冷剂)压缩成高温高压的气体;接着冷凝器负责把高温高压的气体变成中温高压的液态制冷剂;然后是膨胀降压,通过节流阀把中温高压的液态制冷剂变成低温低压的气体;最后靠蒸发器让低温低压的制冷剂气体吸热变成低温低压的气体。这样,制冷机就完成了一个循环,接着进入下一个循环。
END
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