在桌球室中總有一堆撞凹的兵乓球

不管我們怎麼擠壓

都擠不回原本的形狀

又不像籃球、足球一樣有個打氣孔

充飽氣就可以變回原來的樣子

難道這些撞凹的兵乓球只能報廢嗎？

其實你可以試試看這個方法

將撞凹的乒乓球丟到滾水裡面煮個一陣子後

你會看到乒乓球居然慢慢回復原狀了

仔細觀察完全密封的乒乓球

氣體不可能是由外部傳進去的

那麼到底是為什麼乒乓球會恢復原狀？

同學們可以按下暫停鍵想一想

回到剛剛的問題

乒乓球是個無縫隙的結構

自然不會有物質上的進出

那什麼使乒乓球恢復原狀呢？

聰明的你有想到答案嗎？

沒錯

就是能量

熱能由外部進入了乒乓球內

加熱球內空氣

受熱的空氣膨脹了起來

就把撞凹的地方給推開了

還有哪些類似的現象呢？

在臺東有著遠近馳名的熱氣球

熱氣球是如何飛上天的呢？

它也是利用加熱氣體的概念

透過點火

將汽球內部的氣體加熱

受熱的氣體開始膨脹

增加體積

由於氣體的質量不變

但體積卻一直變大

造成整體密度下降

比周圍空氣的密度還低

我們知道密度小的東西會上浮

熱氣球就靠著周圍空氣的浮力向上飛升了

由這兩個例子你可以發現

氣體體積與溫度是有著相當的關聯

其他如點燃的線香、蠟燭等

從可以看到的煙都可看出

由高溫使氣體體積變大、密度降低

而使煙向上飛升

回顧化學所學習過的概念

你還記得1莫耳的氣體在零度C時一大氣壓時

體積有多少嗎？

沒錯

是22.4公升

也是化學的標準狀況

但在25度C一大氣壓時

1莫耳的氣體體積就來到24.5公升

在化學稱為一般狀況

這兩個狀況更能數據化說明

溫度上升造成氣體體積增加的影響

氣體的溫度上升

可以造成體積變大

如果反過來操作

降低氣體溫度

難道體積會變小嗎？

沒錯

就是如此

你可以在網路上找到許多影片

將汽球吹氣綁好後放入

溫度零下的液態氮中

就可以很明顯看到氣球體積縮小

但這不是因為氣球洩氣了

它仍是綁好的

是因為氣體體積遇冷縮小了

所以法國的科學家查理做了一系列的實驗證明

體積與溫度是成正比的

我們可以看到

體積跟溫度確實是呈現線性成長

但問題是成正比的概念是

當溫度兩倍時

體積也應該變成兩倍

當溫度來到負值時

體積也要負值

咦？負的體積是什麼意思呢？

如果像剛剛的例子觀察

化學的標準狀況S.T.P.

在零度C時還是有體積

氣球丟到溫度零下的液態氮中

體積是變得更小而不是負的體積

所以很有可能是我們座標取的不好

法國科學家查理做了相關的實驗發現了

透過外插法

也就是將實驗數據往外延伸

可以觀察到所有氣體在零下273.15度C時

體積都會變成零

回到剛剛成正比的話題

如果我們將座標原點水平位移到攝氏零下273.15度的位置時

體積為零

並且也設定該溫標為零時

就可以藉由相似三角形的邊長成正比得知

兩個三角形底邊邊長比等於高度比

也就是說溫度比等於體積比

當溫度變成兩倍時

體積也會變成兩倍

經過移動後的體積與溫度成正比

經過移動過後的溫度原點

我們稱為絕對零度

這是將攝氏零下273.15度設為新的溫標零度

這種溫標稱為凱氏溫標

單位為K

因為只是將座標平移

並沒有壓縮或是拉長刻度

所以凱氏溫標的刻度與攝氏溫標的刻度相同

所以攝氏零下273.15度就是凱氏溫標的0K

而攝氏零度C

就是凱氏溫標的273.15K

有了凱氏溫標

我們就可以說氣體體積與凱氏溫度

也就是絕對溫度成正比

而絕對溫度的概念在後面的熱學有重要的物理意義

需要同學們注意一下。

整理一下前面的資訊

尤其是化學的標準狀況S.T.P.與一般狀況N.T.P.

除了觀察溫度與體積的關係外

你有發現它有條件限制嗎？

就是必須固定氣體分子數量為1莫耳及固定氣壓為1大氣壓

才開始討論體積與溫度

所以查理定律的定義是

在固定壓力與固定數量的氣體分子狀況下

氣體的體積與絕對溫度成正比

除了之前提到的生活案例

工業上也很多查理定律的應用

比如引擎點火爆炸後

活塞內的空氣分子受到劇烈加熱而溫度升高

氣體體積迅速膨脹

我們藉著氣體膨脹的推力將活塞推出使得外部物件工作

這也是查理定律的應用

從上一節我們也知道

壓力與體積有著反比的關係

那如果我們將氣體放入固定體積的容器時

加熱氣體後

由於體積無法膨脹

那又會有什麼變化呢？

透過實驗觀察

我們知道是壓力升高了

生活中常見的化妝品所使用的噴霧鋁罐

都會建議放置在陰涼處

避免接近火源

就是因為高溫會使噴霧罐內的氣體壓力升高

使得噴霧罐有爆炸風險

同樣的類似情境也包含在車胎充氣上

一般而言腳踏車或是汽車車胎不會完全灌飽

如果一開始就將胎壓灌得太飽

當輪胎在地上滾動時車胎溫度會上升

進而使車胎壓力上升

提高路上爆胎的風險

由上述的例子我們知道

壓力與溫度也有著一定的關係

透過法國科學家給呂薩克的實驗記錄

我們知道氣體壓力與絕對溫度也是呈現正比關係

就像查理定律一樣

都與溫度成正比

只是對象從氣體體積變成氣體壓力

而且巧合的不只如此

我們也利用外插法來推估多少溫度時

氣體壓力會應該會歸零

同學們猜猜看是多少度呢？

沒錯

也是攝氏零下273.15度C

也是我們設為凱氏溫標的0K

現在我們來複習一下今天所講述的兩個原理吧

分別是查理定律與給呂薩克定律

查理定律是指在固定壓力下

定量的氣體

氣體體積與絕對溫度成正比

而給呂薩克定律是指在固定體積下

定量的氣體

氣體壓力與絕對溫度成正比

你是不是覺得這兩個定律好像有點關係

而且再結合上一節的波以耳定律

我們可以將氣體壓力、體積、溫度之間的關係

描述成壓力與體積的乘積與溫度成正比

看看這個公式

如果固定壓力

那麼體積就和絕對溫度成正比

如果固定體積

那麼壓力就和絕對溫度成正比

我們把這個公式稱為查理-給呂薩克定律

最後

在夏天去海邊或是露天泳池玩耍前

我們會先將漂浮玩具充飽氣

然而充飽氣的漂浮玩具一下水後

卻覺得好像沒有充飽

這是為什麼呢？

和溫度有關嗎？

想想看囉

歡迎留言告訴我們你的想法

下次見囉

bye bye