В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

Шарль пошел несколько дальше – он выяснил, что происходит, если температуре тоже позволить изменяться. В те времена, в конце XIX века, первые воздушные полеты совершались на шарах, наполненных горячим воздухом. 19 сентября 1783 года в первый полет на построенном братьями Жозефом и Этьеном Монгольфье воздушном шаре, наполненном горячим воздухом, отправились перепуганные овца, утка и петух. Человек сделал свой первый, маленький и рискованный, но имевший огромное значение шаг в воздушный океан спустя несколько недель. Очень скоро небо завоевали шары, наполненные водородом, а вскоре после них и бытовым газом: последние были гораздо более доступны, но зато имели меньшую подъемную силу, и к тому же этот газ легко воспламенялся и был ядовит. Тем не менее они почти вытеснили шары с горячим воздухом, и только в 1950-х им на смену пришли современные баллоны, для наполнения которых использовался сжиженный пропан или бутан. Теперь исчезла необходимость иметь в корзине воздушного шара горелку для постоянного подогрева газа. Да и в полете воздушные шары с горячим воздухом могли оставаться только пока не будет израсходован весь тяжелый запас топлива для горелки. Но, независимо от типа воздушного шара, для его эксплуатации было очень важно знать, как температура влияет на свойства воздуха, а следовательно, и на грузоподъемность шара. У шаров с горячим воздухом подъемная тяга определялась пониженной плотностью их содержимого; подъемная сила газовых шаров зависела от температуры окружающего воздуха, которая меняется с высотой. Пионер-исследователь свойств газов Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) со своим коллегой в 1804 году отважно поднялся на воздушном шаре на рекордную для того времени высоту 7016 метров, или 20 018 футов (точность этого измерения подозрительно высокая!), чтобы проанализировать изменения состава и свойств атмосферы с высотой.

Шарль, тоже один из первопроходцев воздушного океана, в результате ряда опытов установил закон, который мы сегодня называем законом Шарля: если поддерживать неизменный объем газа, то давление, создаваемое фиксированным его количеством, растет пропорционально его температуре. Удвойте температуру, и давление газа тоже удвоится. Однако здесь надо помнить, что в этом законе «температура» – это абсолютная температура, отсчитываемая по шкале Кельвина, о которой я рассказал в главе 4, а не по более искусственным шкалам Цельсия и Фаренгейта. Так что, если начальная температура газа 20 °C, надо перевести ее сначала в 293 K, а затем удвоить до 586 K (что соответствует 313 °C), – тогда удвоится и давление газа, но если удвоить 20 °C до скромных 40 °C, то не стоит ждать того же результата.

Законы Бойля и Шарля можно объединить в единый закон – закон совершенного газа. Сформулировать его можно так: давление газа обратно пропорционально его объему и прямо пропорционально его абсолютной температуре[39]. Этот закон называют еще законом идеального газа [40]. Он является универсальным в том смысле, что применим к любому газу, независимо от его химического состава, а также и к смесям газов, таким как воздух. Более того, математическая форма закона содержит всего одну фундаментальную постоянную, неизобретательно называемую газовой постоянной, и эта постоянная одна и та же для всех газов. По сути, газовая постоянная в скрытом виде уже встречалась нам в главе 4, поскольку на самом деле это замаскированная более фундаментальная постоянная Больцмана. Благодаря такой «маскировке» газовая постоянная может прокрадываться во многие другие выражения, не имеющие как будто никакого отношения к газам, – например в выражение для вычисления напряжения.