科學故事:人類歷史上第一個被發現的「定律」

科學故事:人類歷史上第一個被發現的“定律”

.​羅伯特·波義耳

在定量定溫下,理想氣體的體積與氣體的壓強成反比。是由英國化學家波義耳(Boyle),在1662年根據實驗結果提出:“在密閉容器中的定量氣體,在恆溫下,氣體的壓強和體積成反比關係。”稱之為波義耳定律。這是人類歷史上第一個被發現的“定律”。

波義耳生於伯爵之家,是英國科學協會的會員。在1662年科學協會的會議上,羅伯特·胡克(Robert Hooke)宣讀了一篇論文,論文描述法國關於“空氣彈性”的實驗。17世紀,科學家對空氣特徵產生了濃厚興趣。

法國科學家制造了一個黃銅氣缸,中間裝有活塞,安裝得很緊。幾個人用力按下活塞,壓縮缸裡的空氣。然後,他們鬆開活塞,活塞彈回來,但是沒有全部彈回來。不論他們隔多長時間做一次實驗,活塞總是不能全部彈回來。

通過這項實驗,法國科學家聲稱空氣根本不存在彈性,經過壓縮,空氣會保持輕微的壓縮狀態。波義耳宣稱法國科學家的實驗不能說明任何問題。他指出,活塞之所以不能全部彈回來,是因為他們使用的活塞太緊。有人反駁道,如果活塞稍松,四周就會漏氣,影響實驗。

科學故事:人類歷史上第一個被發現的“定律”

.氣體實驗儀器

羅伯特·波義耳許諾要製造一個鬆緊適中的絕好活塞,證明上述實驗是錯誤的。

兩週後,羅伯特·波義耳手持“U”形大玻璃管站在眾會員面前。這個“U”形玻璃管是不勻稱的,一支又細又長,高出3英尺多,另一支又短又粗,短的這支頂端密封,長的那隻頂端開口。

波義耳把水銀倒進玻璃管中,水銀蓋住了“U”形玻璃管的底部,兩邊稍有上升。在封閉的短管中,水銀堵住一小股空氣。波義耳解釋,活塞就是任何壓縮空氣的裝置,水銀也可以看作“活塞”。向法國實驗所期望的那樣,波義耳的做法不會因為摩擦而影響實驗結果。

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.“U”形實驗玻璃管

波義耳記錄下水銀重量,在水銀和空氣交界處刻了一條線。他向長玻璃管中滴水銀,一直把它滴滿。這時,水銀在短玻璃管中上升到一半的高度。在水銀的擠壓下,堵住空氣的體積變成不到原來的一半。

在短玻璃管上,波義耳刻下了第二條線,標示出裡面水銀的新高度和堵住空氣的壓縮體積。

然後,通過“U”形玻璃管底部的閥門,他把水銀排出,直到玻璃活塞和水銀的重量與實驗開始時的重量完全相等。水銀柱又回到它實驗開始的高度,堵住的空氣又回到它當初的位置。空氣果真有彈性,法國科學家的實驗是錯誤的,波義耳是正確的。

羅伯特·波義耳用玻璃活塞繼續實驗,發現了很多值得注意的事情。當他向堵住的空氣施加雙倍的壓力時,空氣的體積就會減半;施加3倍的壓力時,體積就會變成原來的1/3。當受到擠壓時,空氣體積的變化與壓強的變化總是成比例。他創建了一個簡單的數學等式來表示這一比例關係,現在我們稱之為“波義耳定律”。就認識大氣、利用大氣為人類服務而言,這一定律是極為重要的。

科學故事:人類歷史上第一個被發現的“定律”

.波義耳定律

波義耳創建的理論——波義耳定律,是第一個描述氣體運動的數量公式,為氣體的量化研究和化學分析奠定了基礎。該定律是學習化學的基礎,學生在學習化學之初都要學習它。

波義耳具有實驗天賦,還證實了氣體像固體一樣是由原子構成的。但是,在氣體中,原子距離較遠,互不連接,所以它們能夠被擠壓得更密集些。早在公元前440年,德謨克里特就提出原子的存在,在隨後的兩千年裡人們一直爭論這個問題。通過實驗,波義耳使科學界相信原子確實是存在的。

羅伯特·波義耳(Robert Boyle,1627年1月25日-1691年12月30日),愛爾蘭自然哲學家,在化學和物理學研究上都有傑出貢獻。雖然他的化學研究仍然帶有鍊金術色彩,他的《懷疑派的化學家》一書仍然被視作化學史上的里程碑。


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