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热气球的原理是什么（热气球为何升空？带你走近查理定律）

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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

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：

vT

其中v是气体体积，t是温度。

这个定律规定了体积和温度的线性关系。一般温度以开尔文K为单位，国际单位制。

1783年6月，约瑟夫和艾蒂安蒙戈菲耶用热空气给一个直径30英尺的气球充气，使它漂浮在空中。这个庞然大物在空中飞行了1.5英里，然后它被重新发现时覆盖着草和灰尘。这个消息很快传遍了法国。

听到这次飞行的消息，雅克亚历山大塞萨尔查尔斯充满了好奇，决定用自己的气球进行类似的实验(他是著名的气球爱好者，――人大概不会把这两个词放在一起)，并制定了现在所谓的查理定律。

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。然后把它们放入80摄氏度的高温中。他发现所有的气球都充气了。

查理定律的解释和表述

科学家麦克斯韦给出了一个准解释。他表明气体所占据的空间只与它的粒子运动有关。粒子不断与容器碰撞。大量气体粒子的快速冲击对容器表面施加了一个力。这个力转化成一定的压力。

这个冲击力无所谓，但总体来说，冲击力会对容器表面产生很大的压力。举个例子，在氦气球里，每平方厘米橡胶一秒钟大约有[10]24(1000亿)个氦原子，速度高达每秒1英里！这个压力叫做气压。

在一定气压范围内与碰撞和力成正比。所以碰撞越多，压力越大。发现气体分子的运动和碰撞频率取决于气体的温度。这意味着壁上较热气体的压力较大，产生的压力也较大。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有界的，或者简单地说是常数，压力就会随着温度的升高而增加。泵显然显示了这一点。当我们推拉活塞时，它会排出热空气。但是在这个过程中，气球本身发生了什么？

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，压力也会匀速增加，从而被限制在一个恒定值。随着越来越多的热气体被泵入，橡胶随之膨胀，活跃的气体粒子跳跃，推动内表面并将其向外推。这完全受制于查理定律。

上图表明，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。这些风中的精神意象启发查理思考其膨胀背后的潜在机制。公元前三世纪以后，人们已经知道，当一个物体的重量小于它所排开的液体时，它可以浮在液体上。或者简单的说，如果一个物体的密度小于液体的密度，它就会浮起来。

查理定律简明地解释了热气球的工作原理。根据查理定律，如果一个气球充满加热的气体，它的体积会增加。体积增大后，与周围同等质量的空气相比，气球占据的体积更大，为――。它的密度现在比冷空气的密度小，所以气球开始上升。

这也解释了为什么氦气球遇冷容易收缩。内部的热空气本能地遵循热力学定律，并扩散到较冷的区域。热空气的流出降低了内部压力，因为较冷的气体分子振荡幅度较小，需要的空间较小。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

这不是一个应用，但它相当于一个副产品，它可能是查理定律的第二大引用应用。当轮胎在炎炎夏日搁浅时，查尔斯定律负责将轮胎从外胎中抢救出来。外部的激流稳定地进入内胎，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。而忽视和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，随时都有爆胎的可能。此外，由于摩擦不可避免的热量流入会加剧轮胎的破裂。是的，多亏了查尔斯。

汽车

汽车发动机由一系列连成一排的活塞组成，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，因此它们的上下运动驱动曲轴旋转。曲轴的两端与汽车的后轮相连，因此当连杆转动时，车轮也会转动。

还是那句话，查理定律是深层次原因。燃料燃烧产生的气体推动活塞。产生大量热量。结果温度飙升，转化的气体立刻膨胀，导致沸腾的粒子冲向活塞。他们全力推动活塞，推动车辆前进。

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