Khí biến thành chất lỏng

25

một vật thể có khối lượng nhất định được gắn vào. Và nó được biết đến bởi vì có một giai đoạn khối lượng mà khối lượng của bất kỳ vật thể nào có thể so sánh được, chẳng hạn như được mô tả trong § 23 của Vật lý 8.
Gia tốc của một vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi của lò xo được đo. Sau đó, các vật có khối lượng khác nhau nhưng cũng đã biết được gắn vào cùng một lò xo có biến dạng tương tự (sao cho lực không đổi) và gia tốc của chúng được đo lại.

Vì lực tác dụng lên các vật thể khác nhau là như nhau, nên những thay đổi đó sẽ dẫn đến một giá trị nhất định gắn liền với gia tốc là như nhau đối với mọi vật thể. Nó phải tương đương với lực tác dụng lên mọi vật thể (“Vật lý 8”, § 25). Các thí nghiệm được mô tả cho thấy rằng tích $ma$ hóa ra có cùng giá trị đối với tất cả các vật thể. Có nghĩa,

$$F = ma.$$

Như chúng ta thấy, cả hai phương pháp đều cho kết quả như nhau. Chúng tương đương với nhau, bởi vì không có gì khác biệt dù các lực khác nhau tác dụng lên cùng một vật hay cùng một lực tác dụng lên các vật khác nhau. Trong sách giáo khoa Vật lý 8, định luật II Newton được “khám phá” bằng phương pháp thứ hai, có lẽ vì nó dễ thực hiện hơn. Thực tế là phương pháp đầu tiên giả định rằng một mức lực nhất định đã được chọn - một loại lò xo bị biến dạng nào đó. Phương pháp thứ hai giả định rằng một giai đoạn khối lượng nhất định đã được chọn. Trong vật lý và công nghệ, họ đã đi theo chính xác con đường này - một giai đoạn khối lượng quốc tế cơ bản dưới dạng hình trụ ngày bạch kim. Tiêu chuẩn về khối lượng dễ dàng lưu trữ và tái tạo hơn tiêu chuẩn về sức mạnh.

Do đó, định luật cơ bản của động lực học - định luật thứ hai của Newton - tuy nhiên, là một định luật thực nghiệm thuần túy, giống như bất kỳ định luật nào khác của tự nhiên. Đồng thời, công thức $F = ma$ của định luật thứ hai cũng có thể dùng để định nghĩa lực như một đại lượng vật lý: lực là một đại lượng vật lý bằng tích của khối lượng của vật mà nó tác dụng và gia tốc của nó.

Đây không phải là trường hợp duy nhất khi cùng một công thức thể hiện một quy luật tự nhiên nhất định, đồng thời đóng vai trò là định nghĩa của một đại lượng vật lý nhất định.

Khí biến thành chất lỏng
(Từ lịch sử vật lý)

Trong một thời gian dài, loại khí duy nhất được khoa học biết đến là không khí trong khí quyển, loại khí này cũng được coi là một thứ giống như một nguyên tố, một phần không thể thiếu của mọi thứ thiết yếu. Và chỉ đến nửa sau của thế kỷ 18, nhờ nỗ lực của nhiều nhà khoa học hóa học, người ta đã xác định được rằng có những loại khí khác, bản thân không khí là một hỗn hợp các loại khí có tính chất và tính chất khác nhau. Tuy nhiên, từ “khí” không được sử dụng vào thời điểm đó. Cái mà ngày nay chúng ta gọi là khí lúc đó được gọi là “không khí”. Hydro là không khí dễ cháy, oxy là không khí bốc lửa, nitơ là không khí ngột ngạt, aminak là không khí kiềm, v.v.

Nhưng vào cuối thế kỷ 18, Khimki, và trên hết là nhà hóa học người Pháp Antoine Lavouzier, đã tìm cách hiểu được “nền kinh tế” khí đốt mới của họ. Lavouzier đã đặt tên cho tất cả 20 loại khí được biết đến vào thời điểm đó. Ông đề xuất từ ​​“khí” làm tên chung cho toàn bộ loại chất này. Lavouzier là người đầu tiên đưa ra khái niệm về trạng thái tổng hợp của vật chất.

Làm thế nào để biến khí thành chất lỏng? Về khả năng biến khí thành chất lỏng, Lavouzier bày tỏ ý tưởng sau: “… Nếu chúng ta có thể đặt Trái đất ở một vùng rất lạnh nào đó, ví dụ, trong bầu khí quyển của Sao Mộc hoặc Sao Thổ, thì… không khí, hoặc ít nhất là một số thành phần của nó, sẽ không còn vô hình và biến thành chất lỏng. Sự biến đổi kiểu này sẽ mở ra khả năng thu được chất lỏng mới mà chúng ta vẫn chưa biết.”

Đây là bằng chứng của một nhà hóa học xuất sắc, bằng chứng của những điều khác. Nhưng có một khả năng khác.

Thay vì làm mát - lăn. Năm 1792, nhà vật lý người Ấn Độ Van Marum đã cố gắng tìm hiểu xem định luật Boyle-Marriott (Vật lý 9, trang 45) có đúng đối với amoniac hay không (xét cho cùng, cả Boyle và Mariotte đều phát hiện ra định luật này bằng cách nghiên cứu không khí!). Để làm được điều này, Van Marum đã hớt amoniac trong xi lanh và thay đổi áp suất của nó, áp suất này sẽ tăng lên một cách tự nhiên. Nhưng thật bất ngờ, ở áp suất khoảng 7 atm (1 atm ≈ 10⁵ Pa), áp suất khí

26

sự sắp xếp lại ngày càng phát triển, mặc dù thực tế là khối lượng của nó tiếp tục giảm. Lúc này trong bình xuất hiện amoniac lỏng.

Trong Hình 1, đường liền nét thể hiện sự phụ thuộc của áp suất khí vào thể tích mà Van Marum thu được. Đường đứt nét thể hiện sự phụ thuộc của $p$ vào $V$, tương ứng với định luật Boyle-Mariotte; Đây là cách chúng hoạt động ở áp suất thấp, trong một bình chứa amoniac, một chất lỏng xuất hiện và tất nhiên, hơi nước bão hòa phía trên nó.

Do đó, hơi nước bão hòa có thể thu được không chỉ bằng cách làm bay hơi chất lỏng trong một bình kín (Vật lý 9, trang 79), mà còn bằng cách hớt khí, tất nhiên, cũng tương tự như vậy trong một bình kín. Kinh nghiệm của Van Marum dường như cho thấy rằng không cần thiết phải làm mát để giải phóng khí; nó có thể được thay thế bằng cách tăng tốc và tăng áp lực.

Người phát minh ra còi báo động làm nóng chất lỏng. Năm 1822, nhà vật lý người Pháp Cagnard de Latour, được biết đến là người phát minh ra còi báo động và là tác giả của nhiều nghiên cứu về dao động của dây, đã xuất bản một bài báo trong đó ông mô tả việc đun nóng một chất lỏng (rượu, ete, nước) đầu tiên trong một bình thép kín (làm từ nòng súng), sau đó trong các ống thủy tinh có thành dày kín (không nhìn thấy gì trong bình thép!). Ông nhận thấy rằng khi nhiệt độ ngày càng tăng, mức chất lỏng trong bình trước tiên sẽ theo sau (chất lỏng bay hơi) và sau đó tăng lên (chất lỏng nở ra khi đun nóng); ở một nhiệt độ nhất định, ranh giới giữa chất lỏng và hơi phía trên nó biến mất (Hình 2). Từ đó, Cagniard de Latour kết luận rằng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mà ranh giới biến mất, vật chất không thể tồn tại ở trạng thái lỏng – chỉ có thể tồn tại ở trạng thái khí.

Để thu được chất lỏng trở lại, chất này phải được làm lạnh. Cagniard de Latour thực tế đã quan sát được ranh giới lỏng-hơi của nhiều chất khi ống được làm lạnh. Chỉ đối với nước, anh không thể nhìn thấy sự biến mất của ranh giới - ngay cả trước đó, các đường ống đã vỡ.

Faraday bắt tay vào công việc. Một trong số ít người hiểu công việc của Canrade Latour là gợi ý thực tế là để thoát khí, không chỉ cần loại bỏ nó mà còn phải làm mát nó, là nhà vật lý người Anh Michael Faraday. Vào năm 1823, ông đã biến clo thành chất lỏng. Sau 20 năm, vào năm 1844, ông lại quay trở lại nghiên cứu loại bỏ khí. Hoạt động bằng cách làm mát và tăng áp suất, Faraday có thể loại bỏ hydro sunfua, carbon dioxide và anhydrit sulfuric. Đúng vậy, một số loại khí, chẳng hạn như oxy, nitơ, hydro, đã kiên quyết không được cung cấp cho đền tạm. Một số nhà nghiên cứu tin rằng chỉ áp suất thôi cũng đủ để giải phóng khí, nên những loại khí này phải chịu áp suất ngày càng cao hơn. Nhưng dù vào thời điểm đó có vẻ kỳ diệu nhưng áp suất 3.000 atm cũng không mang lại thành công. Đằng sau điều này, các loại khí đã khẳng định chắc chắn “danh tiếng” là không thể phá hủy và chúng bắt đầu được gọi là các loại khí “vĩnh viễn”.

Làm mát là cần thiết. Tuy nhiên, ngày càng nhiều nhà khoa học có xu hướng nghĩ rằng đối với mỗi chất đều có một nhiệt độ cao hơn mức nhiệt độ đó nó chỉ có thể tồn tại ở trạng thái khí. Faraday nghĩ vậy. D. nảy ra ý tưởng tương tự vào năm 1860. I. Mendeleev, người gọi nhiệt độ này là điểm sôi tuyệt đối.