实验 11．2

〔目的〕研究一定质量的气体，在压强不变时，体积与温度的关系。

〔器材〕注射器、温度计、烧杯、酒精灯、铁架台。

〔 步 骤 〕 1．在注射器内密封一定质量的气体。

2．保持气体压强不变（图 11-8），将注射器浸没在水里，用酒精灯加热，每升高一定的温度测出密封气体的体积。

〔记录〕

根据记录数据，在图 11-9 上作出一定质量的气体在压强不变时的V-t 图象。

〔结论〕一定质量的气体，当压强不变时，体积随温度的 而线性地 。

进一步的精确实验表明，一定质量的气体，在压强不变的情况下， 温度每升高（或降低）1℃，增加（或减小）的体积等于它在 0℃时体

积的 1

273

，这一规律是法国物理学家盖·吕萨克（1778～1850）在1802

年发现的，因而叫做盖·吕萨克定律。用数学式可以表达如下：

Vt − V0 t

= V0 ，

273

Vt − V0

= V0 t ，

273

Vt = V0 (1 +

t ) 。273

式中 Vt、V0 依次为一定质量的气体在压强不变的情况下，t℃和 0℃ 时的体积。图 11-10 就是压强不变时，一定质量的气体的体积-温度图象，简称 V-t 图。

从图 11-10 可以看出：一定质量的气体的体积-温度图象是一条直线，如果将直线向低温方向延长，则当温度降低到－273℃时，气体体积将减小为零，这显然是不可能的。因为气体温度在未达到－273℃前，早已液化甚至凝固成固体，而不再遵守盖·吕萨克定律，这个温度（－273

℃）叫做绝对零度。理论与实践都证明，这是自然界中只能接近而无法到达的极限温度。

英国科学家开尔文（1824～1907）提出的以－273℃为零度的温标， 叫做热力学温标。用热力学温标表示的温度叫做热力学温度。

热力学温度用符号 T 表示，在国际单位制中，热力学温度的单位名称是开〔尔文〕，单位符号为 K，它是国际单位制的基本单位之一。目前国际公认的绝对零度为－273.15℃。热力学温标的 1 度的大小等于摄氏温标的 1 度大小，因此热力学温度 T 与摄氏温度 t 的换算关系式是

T=t＋273.15。

在一般的计算时，可以取

T=t＋273。

采用热力学温标，可使盖·吕萨克定律的表达式简化为

Vt = 1 + t

= t + 273 = Tt 。

V0 273 273 T0

这样，盖·吕萨克定律又可表述为：当压强不变时，一定质量气体的体积与热力学温度成正比。即

V1 = T1 。

V2 T2

将图 11-10 中的 V-t 坐标向左平移到绝对零度，直线通过新坐标的原点，就成了一定质量的气体的体积-热力学温度图象，简称 V-T 图象

（图 11-11）。在物理研究中，常用此法来简化物理量关系的表达式。我们把这种保持压强不变，而只有体积与温度在变化的过程叫做等压过程或等压变化。

[例题 11．4] 图 11-12 所示的是一个水平放置的气缸，活塞截面积为 1×102cm2，气缸内盛有一定质量的空气。在室温 7℃时，体积是 1× 10−3m3，如将密封空气温度升高到 127℃时，活塞将向右移动多少距离？解 在温度升高的过程中，气体的压强始终与大气压强相等而保持不

变，因此活塞内密封的空气是等压变化。由于

T1=（273＋7）K=280K， T2=（273＋127）K=400K， V1=1×10−3m3，

根据盖·吕萨克定律

V1 = T1 ，

V2 T2

可以求得温度升高到 127℃时的体积

V2 =

V1V2 T1

= 1× 10⁻³ × 400 ₃

280

= 1.43 × 10

−3 m3 。

那么，活塞向右移动的距离

V − V 1.43 × 10⁻³ − 1 × 10⁻³

d = 2 1 =

S

= 4.3 × 10⁻² m。

1 × 10² × 10⁻⁴ m

一定质量的气体，压强保持不变时，既然它的体积与热力学温度成正比，那么，可以推知气体的密度和热力学温度成反比。即

ρ1 = T2 。

ρ2 T1

事实上，只要气体的压强保持不变，无论质量是否改变，这个关系总是成立的。

热气球就是利用这个原理制成的。热气球的下方开口处，用发热器将气球内空气加热，减小其密度，使热气球受到外界空气的浮力超过热气球所受的重力，热气球就冉冉上升（图 11-13）。