Опыты Гей-Люссака и Джоуля

Гей-Люссак поставил опыт, из которого следовало, что для идеального газа внутренняя энергия не зависит от объема и является функцией только температуры. Но сам Гей-Люссак не сделал этого вывода. Кратко его опыт состоял в следующем. Два медных сосуда одинакового объема были соединены трубкой с краном. Один сосуд наполнялся воздухом, другой был откачан. При открывании крана воздух из первого сосуда устремлялся во второй. Гей-Люссак наблюдал, что температура воздуха в первом сосуде понижалась, во втором повышалась. При достижении теплового равновесия между сосудами, в них устанавливалась одна и та же температура, равная начальной. При этом внешняя работа не производилась (стенки сосудов и трубка жесткие). Теплота, поступившая за время опыта из окружающей среды, пренебрежимо мала. Поэтому внутренняя энергия воздуха в системе не изменилась. Осталась неизменной температура, удвоился объем воздуха. Отсюда следует, что при неизменной температуре внутренняя энергия воздуха не меняется с изменением объема. Обнаруженное Гей-Люссаком изменение температуры в сосудах в начале процесса, говорит о том, что совершался неравновесный процесс.

Джоуль повторил этот опыт в несколько измененном виде. В одном сосуде воздух находился под давлением 22 атм, другой сосуд был откачан. Оба сосуда погружались в воду, перемешиваемую во время опыта, чтобы температура ее во всех частях была одной и той же. При открывании крана никакого изменения температуры окружающей воды не происходило. Эти опыты не обладали достаточной чувствительностью. Причина малой точности состоит в том, что теплоемкость воздуха мала по сравнению с теплоемкостью сосудов и воды в калориметре.

Безупречные экспериментальные исследования были проведены совместно Джоулем и В. Томсоном. Эти исследования ответили не только на вопрос о зависимости внутренней энергии газа от объема. Было открыто важное физическое явление, получившее название эффекта Джоуля–Томсона.