Газовые законы
Существуют законы, определяющие поведение газов при изменении их состояния. Нагреем газ в закрытом сосуде. Ясно, что атомы или молекулы начнут двигаться быстрее, а значит, с большей силой случать в стенки. Вывод: при постоянном объеме газа его давление пропорционально температуре (закон Шарля).
Если газ нагревать и дать возможность расширяться (как в воздушном шарике), то будет расти уже его объем. Следовательно, при постоянном давлении объем газа пропорционален его температуре (закон Гей-Люссака).
Наконец, если сжать газ (уменьшить объем), сохраняя его температуру, молекулы в меньшем объеме будут быстрее преодолевать расстояние между стенками и чаще ударяться о них. Больше ударов — больше давление. Отсюда следует, что давление газа при постоянной температуре обратно пропорционально его объему (закон Бойля—Мариотта).
История открытия
Хотя Роберта Бойля и называли «отцом химии», именно он открыл самый известный газовый закон физики. Бойль описал, как давление газа связано с объемом. Этот и еще пара других газовых законов стали первым ключом к тому, как устроена материя на непостижимом пока атомном уровне.
Паскаль изучал силы в жидкостях, Гук занимался упругими свойствами твердых тел, а Роберт Бойль вслед за Отто фон Герике занялся газами, или, как говорили тогда, «воздухом». (Не забывайте, что даже в самые древние времена считалось, что элементов природы четыре — воздух, земля, огонь и вода.)
Бойль воспитывался под влиянием Фрэнсиса Бэкона, английского философа, опубликовавшего одно из первых описаний научного метода исследований. (Другие ученые, не говоря уже об аль-Хайсаме и Галилео, уже использовали похожий метод исследований.) Бойль начал с традиционного скептицизма, который составляет в наши дни в науке саму основу, а именно отбросил принимаемые на веру положения алхимии, в основе которой лежали не факты, а религиозные предрассудки.
Воздушная пружина
Будучи родом из богатой ирландской семьи, Бойль и в науке зарекомендовал себя как джентльмен. Он построил лабораторию в своем доме в Лондоне и привлек Роберта Гука для изготовления «пневматической машины» — по сути, вакуумного насоса, подобно насосу Герике.
Бойль также привлек к работе лучшего лондонского мастера стекольных дел, который изготавливал ему необычные стеклянные емкости — без них не состоялась бы даже первая серия опытов Бойля. Кстати, их результаты были опубликованы в 1660 году в статье под названием «Новые физико-механические эксперименты: пружинящий воздух и другие эффекты». Эксперименты показали, что в вакууме звук распространяться не может, а пламя в отсутствие воздуха не горит. Также Бойль доказал, что без воздуха не могут жить не только животные, но и растения.
Бойль много занимался физической природой «воздуха». Например, он показал, что в вакууме перо падает столь же быстро, как и камень. Это наводило на мысль, что воздух содержит материю, хоть и невидимую глазом.
В 1662 году Бойль опубликовал то, что мы теперь знаем как «закон Бойля». Он обнаружил, что давление в сосуде с газом растет при уменьшении объема сосуда, и установил закон роста давления. Выражаясь современными словами, давление газа (P) обратно пропорционально объему (V): P 1/V. Бойль воспользовался этим эмпирическим законом, чтобы доказать свою идею о том, что воздух состоит из «корпускул» — крошечных частиц, хаотично двигающихся во всех направлениях, сталкивающихся друг с другом и со стенками сосуда и создающих таким образом давление.
Другие газовые законы
Прошло более ста лет, и к закону Бойля добавилось еще два газовых закона, учитывающих температуру. Закон Чарльза (1780) гласит, что объем газа пропорционален температуре, а по закону Гей-Люссака (1802) температуре пропорционально давление газа. Вместе эти три закона образуют основу современной атомной теории. Как и предполагал Бойль, поведение воздуха (впоследствии ученые писали «газы») согласовывается с древнегреческим представлением о хаосе, который лучше всего описывает поведение огромного количества взаимно независимых частиц. Сейчас, оглядываясь назад, можно даже подумать об очевидности существования атомов, однако в свое время для подтверждения атомной теории потребовалось не одно столетие.