查理定律（英文：Charles's law），又稱(chēng)查理-蓋·呂薩克定律，指的是由法國(guó)物理學(xué)家查理（Jacques Alexandre Cesar Charles）發(fā)現(xiàn)、蓋-呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac）發(fā)布的一種氣體實(shí)驗(yàn)定律。該定律表述為在恒壓下，一定質(zhì)量的氣體的體積和絕對(duì)溫度成正比，寫(xiě)成等式為：，所以當(dāng)氣體遵守查理定律時(shí)，氣體在冷凍時(shí)應(yīng)不得凝聚，進(jìn)而表明凝聚（液化）是一種非理想表現(xiàn)，實(shí)際氣體越靠近它的凝聚溫度時(shí)，性質(zhì)表現(xiàn)就越不理想。因此氣體僅在相對(duì)較高的溫度和低壓下，才表現(xiàn)為理想氣體或接近理想氣體。
1787年，法國(guó)物理學(xué)家查理在研究氣體的膨脹問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)了定量的氣體，如果升高它的溫度而不改變壓力時(shí)，它的容積必定會(huì)膨脹，且溫度與容積膨脹量成一定比例關(guān)系，但查理沒(méi)有發(fā)表他的發(fā)現(xiàn)，而是由另一名法國(guó)科學(xué)家約瑟夫·路易斯·蓋·呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac）偶然知道他的這一結(jié)果后于1802年發(fā)表。后來(lái)，約翰·道爾頓在1801年10月2日至30日發(fā)表的四篇論文中的兩篇中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了他所研究的所有氣體和蒸汽在兩個(gè)固定溫度點(diǎn)之間的膨脹量相同。次年一月，呂薩克偶然知道了查理的結(jié)論，隨后發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)并在法國(guó)國(guó)家研究所的演講中進(jìn)行了證實(shí)。一個(gè)世紀(jì)前，紀(jì)堯姆-阿蒙通斯（Guillaume Amontons）和弗朗西斯·豪克斯比（Francis Hauksbee）就已經(jīng)描述了基本原理。
簡(jiǎn)史
早期發(fā)現(xiàn)
1787年，法國(guó)物理學(xué)家查理在研究氣體的膨脹問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一定質(zhì)量的氣體在一定容積下，其壓強(qiáng)與開(kāi)爾文成正比，但查理沒(méi)有發(fā)表他的發(fā)現(xiàn)。
1801年10月2日至30日，物理學(xué)家約翰·道爾頓（John Dalton）發(fā)表的四篇論文中的兩篇中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了他所研究的所有氣體和蒸汽在兩個(gè)固定溫度點(diǎn)之間的膨脹量相同，并率先證明，該定律普遍適用于所有氣體，如果溫度遠(yuǎn)高于沸點(diǎn)，也適用于揮發(fā)性液體的蒸氣。
1802年，法國(guó)化學(xué)家約瑟夫·路易·蓋-呂薩克（L. J. GayLussac）對(duì)道爾頓的發(fā)現(xiàn)表示贊同，并向法國(guó)國(guó)家研究院發(fā)表的演講中證實(shí)了道爾頓的這一發(fā)現(xiàn)。蓋-呂薩克僅在水的兩個(gè)測(cè)溫定點(diǎn)（0°C和100°C）進(jìn)行了測(cè)量，卻無(wú)法證明體積與溫度之間的關(guān)系式是線性函數(shù)。一個(gè)世紀(jì)前，法國(guó)物理學(xué)家紀(jì)堯姆-阿蒙通斯（Guillaume Amontons）和英國(guó)科學(xué)家弗朗西斯·豪克斯比（Francis Hauksbee）就已經(jīng)描述了基本原理。
僅從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，約瑟夫·路易·蓋-呂薩克的論文不允許指定任何說(shuō)明線性關(guān)系的定律。約翰·道爾頓和蓋-呂薩克的主要結(jié)論都可以用數(shù)學(xué)表達(dá)為：其中，是給定氣體樣品在100°C時(shí)所占據(jù)的體積；是相同氣體樣品在0°C時(shí)所占據(jù)的體積；k是一個(gè)常數(shù)，對(duì)于恒壓下的所有氣體都是相同的。該方程不包含溫度，因此不是后來(lái)的查爾斯定律。約瑟夫·路易·蓋-呂薩克的k值（）與道爾頓早先的蒸汽值相同，并且非常接近現(xiàn)代的的值。
在沒(méi)有確切記錄的情況下，有關(guān)體積與溫度的氣體定律不能歸功于查爾斯。道爾頓測(cè)量溫度的范圍比約瑟夫·路易·蓋-呂薩克大得多，他不僅測(cè)量了水的固定點(diǎn)的體積，還測(cè)量了兩個(gè)中間點(diǎn)的體積。由于沒(méi)有意識(shí)到當(dāng)時(shí)的水銀溫度計(jì)在定點(diǎn)之間等分的不準(zhǔn)確性，約翰·道爾頓在論文II中得出結(jié)論，認(rèn)為就蒸汽而言，"任何有彈性的流體幾乎以均勻的方式膨脹成1370或1380份，熱量為180度（華氏）"，但卻無(wú)法證實(shí)氣體也是如此。
后續(xù)發(fā)展
1834年，克拉珀龍（Benoit Pierre Emile Clapeyron）根據(jù)波義耳定律和查理定律后，導(dǎo)出一定量氣體的體積與壓力和溫度的關(guān)系，用開(kāi)爾文表示成數(shù)學(xué)式為：。后來(lái)，科學(xué)家克勒尼希（Kronig）和魯?shù)婪颉た藙谛匏?/a>（Clausius）分別于1856年和1857年基于分子運(yùn)動(dòng)論，從理論上推導(dǎo)出上式，并表述為：在同樣體積中在相同的溫度與壓力下，無(wú)論這些氣體的性質(zhì)和重量如何，它們都含有同樣數(shù)目的分子，進(jìn)而闡明了關(guān)于分子和原子的基本概念以及證明分子存在最合乎邏輯的出發(fā)點(diǎn)。
相關(guān)實(shí)驗(yàn)
零度為起點(diǎn)所計(jì)算的溫度稱(chēng)為理想氣體絕對(duì)溫度，當(dāng)氣體遵守查理定律時(shí)，那么在冷凍時(shí)應(yīng)不得凝聚。因此認(rèn)為凝聚（液化）是一種非理想表現(xiàn)，實(shí)際氣體越靠近它的凝聚溫度時(shí)，性質(zhì)表現(xiàn)就越不理想。這表明氣體僅在相對(duì)較高的溫度和低壓下，才表現(xiàn)為理想氣體或接近理想氣體，這個(gè)結(jié)論和從波義爾定律所得的結(jié)論一致。
實(shí)驗(yàn)器材
燒瓶、U形管、水槽和溫度計(jì)。
實(shí)驗(yàn)步驟
先將燒瓶放入水槽中，U形管一端與燒瓶連接，另一端倒入汞，兩管中水銀保持水平，記錄水銀高度，如示例圖a所示。加熱水槽，達(dá)到熱平衡時(shí)，調(diào)節(jié)可動(dòng)管，使左管水銀面恢復(fù)到原來(lái)的位置，記錄加熱前后，水槽的溫度差，以及管內(nèi)密閉空氣的體積差，如示例圖b所示。1787年，查理根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出（未發(fā)表）：固定質(zhì)量的干燥氣體在0℃下，每升高或降低1℃，其體積就增加或減少1/273倍。
適用條件
實(shí)驗(yàn)證明，此定律只對(duì)理想氣體才嚴(yán)格成立，其他氣體在壓強(qiáng)不太高、溫度不太低時(shí)也遵循這個(gè)規(guī)律。
相關(guān)定律
在壓強(qiáng)不太高、溫度不太低的條件下，各種氣體都遵從羅伯特·波義耳定律，查理定律和蓋·呂薩克定律。嚴(yán)格遵從上述三條定律的氣體稱(chēng)為理想氣體。由氣體的三大定律可以得到質(zhì)量為、摩爾質(zhì)量為的理想氣體狀態(tài)方程為：。式中。
波義耳—馬略特定律
設(shè)1公斤的某理想氣體放在有活動(dòng)活塞的氣缸內(nèi)，開(kāi)始時(shí)的熱力參數(shù)為，經(jīng)加熱或冷卻以后，氣體狀態(tài)變成則從公式得如果使溫度保持不變，則得。如果使溫度保持不變，則則上面兩式就相等，即或這就是羅伯特·波義耳—埃德姆·馬略特定律。即在一定溫度下，理想氣體的比容與壓力成反比，而其比重與壓力成正比。
理想氣體定律
玻以耳定律和查理定律可以合并成為一個(gè)公式，稱(chēng)為理想氣體定律，其表達(dá)為：。
當(dāng)時(shí)，理想氣體定律就變成玻以耳定律，為：，其中為常數(shù)；當(dāng)時(shí)，理想氣體定律就變成查理定律，為：，其中為常數(shù)。理想氣體狀態(tài)方程的另一種表達(dá)方法是，這也是理想氣體的定義，但實(shí)際上不存在理想氣體，它只不過(guò)提供了一種研究氣態(tài)理論的對(duì)象。
相關(guān)概念
絕對(duì)零度
如下圖所示，圖中直線很快與坐標(biāo)軸相交，這表示體積為零，它不能象另一邊（高溫）那樣無(wú)限地延長(zhǎng)這條線，加上具有負(fù)體積的氣體是沒(méi)有意義的，而將這一點(diǎn)的起點(diǎn)叫做溫度的絕對(duì)零度。
查爾斯定律意味著氣體的體積在特定溫度降至零，蓋-呂薩克在他的描述中明確指出：除非壓縮蒸氣完全保持彈性狀態(tài)，否則最后一個(gè)結(jié)論就不可能成立，這要求它們的溫度足夠高，以使其能夠抵抗使它們呈現(xiàn)液態(tài)的壓力。因此在絕對(duì)零溫度下，氣體擁有零能量，分子可以限制運(yùn)動(dòng)。呂薩克又指出：當(dāng)乙醚的溫度僅略高于其沸點(diǎn)時(shí)，其凝結(jié)速度比大氣的凝結(jié)速度要快一些。這一事實(shí)與許多物體在從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)表現(xiàn)出的現(xiàn)象有關(guān)，但在比發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度高幾度的情況下，這種現(xiàn)象不再敏感。
1848年，英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森（William Thomson）首次提到氣體體積可能降至零的溫度，但又補(bǔ)充了?273°是溫度計(jì)無(wú)法達(dá)到的點(diǎn)。然而，開(kāi)爾文溫標(biāo)上的“絕對(duì)零”最初是根據(jù)約瑟夫·湯姆遜本人在1852年描述的熱力學(xué)第二定律定義的。湯姆森并不認(rèn)為這等于“零體積點(diǎn)”查爾斯定律，只是說(shuō)查爾斯定律提供了可以達(dá)到的最低溫度。后來(lái)，奧地利物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）的統(tǒng)計(jì)觀可以證明兩者是等價(jià)的。后來(lái)，查爾斯也表示：溫度每升高或降低1°C，固定質(zhì)量的干燥氣體的體積就會(huì)增加或減少0°C時(shí)體積的倍，并給出公式：，，其中是溫度下的氣體體積，是0°C下的體積。
動(dòng)力學(xué)理論
空氣動(dòng)力學(xué)理論將氣體的宏觀特性（例如壓力和體積）與構(gòu)成氣體的分子的微觀特性（特別是分子的質(zhì)量和速度）聯(lián)系起來(lái)。為了從動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)出查爾斯定律，因此要對(duì)溫度有一個(gè)微觀定義：這可以方便地理解為與氣體分子的平均動(dòng)能成正比的溫度為，根據(jù)這個(gè)定義，理想氣體狀態(tài)方程的動(dòng)力學(xué)理論等價(jià)將與平均動(dòng)能聯(lián)系起來(lái)，其表達(dá)式為：。
參考資料 >
Animated Charles and Gay-Lussac's Law.www.grc.nasa.gov.2024-05-10
Recueil de mémoires concernant la chimie et les arts qui en dépendent.books.google.com.2024-05-10
查理定律.中國(guó)大百科全書(shū).2024-04-09