Hvem var det egentlig, der fandt ud af, at gasser udvider sig, når de opvarmes under konstant tryk, og at de trækker sig sammen ved efterfølgende afkøling?
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 12, 2002 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Ole Bostrup
I det følgende beskrives et småforsøg, som viser, at gasser udvider sig, når de opvarmes under konstant tryk, og at de trækker sig sammen, når de efterfølgende afkøles [1].
Forsøget kan give anledning til at studere, hvem det egentlig var, som fandt ud af det. Man kan starte med fremstillingerne og fra dem gå til kilderne [2]. I nogle tidligere afhandlinger har nærværende forfatter skrevet om udenlandske og danske bestræbelser [3,4,5].
Et demonstrationsforsøg
Til alles forundring starter vi med at koge et æg i 12 min, afkøle det og pille det.
Vi får brug for en konisk 1-L kolbe. Diameter af halsen skal være således, at ægget kan ligge på kolben med den spidse ende nedad. Halsen smøres indvendigt med vaseline.
Kolben spændes op i et stativ ved hjælp af kloen. Kolbens bund opvarmes forsigtigt med en bunsenbrænders lysende flamme, se figur.
Mens kolben endnu er varm, anbringes ægget på kolben, Kolben anbringes ved hjælp af klemmen om halsen i et isvandbad. Ægget hopper ind i kolben!
Nu vender man kolben med halsen nedad og opvarmer kolbens bund med den lysende flamme. Ægget glider ud af kolben!
Forsøget er en demonstration af, at volumen af en gasmængde vokser med temperaturen.
Boyles lov
Luft var noget uhåndgribeligt. Fra 1600-tallet kender vi Evangelista Torricelli (1608-1647), der opfandt kviksølvbarometeret og opdagede, at atmosfærisk luft har et tryk. Otto von Guericke (1602-1686), der opfandt en luftpumpe og frembragte et vakuum i sine berømte halvkugler. Robert Boyle (1627-1691) som i 1662 opdagede relationen pV = konstant for en afspærret luftmængdes tryk p og dens volumen V ved konstant temperatur. Boyles lov blev genopdaget af abbed Edmé Mariotte (1620-1684) i 1676 og kaldes ofte for Boyle & Mariottes lov.
Amontons’ lov
Guillaume Amontons (1663-1705) var instrumentmager, og han fremstillede forbedrede hygrometre, barometre og lufttermometre. Han opdagede i 1699, at lige store tilvækster af temperatur i et lufttermometer medførte lige store tilvækster i gassens tryk, når volumen holdes konstant.
Amontons blev ignoreret af sin samtid og eftertid.
Charles’ lov
Brødrene Joseph-Michel Montgolfier (1740-1810) og Jacques Étienne Montgolfier udførte forsøg med aerostatiske maskiner (varmluftballoner). Den 5. juni 1783 kunne de opsende en ubemandet ballon, som under stor opmærksomhed fløj henover Paris.
Samtidigt udførte brødrene Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) og Robert Charles forsøg med balloner, hvor bæregassen var brændbar luft (dihydrogen), og i august 1783 foretog brødrene den første bemandede ballonfærd. Få måneder efter gennemførte de en flyvning, hvor de kom op til højden 3 km.
Såvel brødrene Charles som brødrene Montgolfier var klar over risikoen ved de store mængder brændbar gas og en pludselig gnist f.eks. fra et lyn. De skrev i 1784 en advarsel og en opfordring til, at man søgte en mindre farlig gas. – Katastrofen med luftskibet Hindenburg i 1937 skyldtes en gnist og dihydrogen som bæregas.
Jacques Charles kastede sig over studiet af ændringerne ved gassers opvarmning og opdagede, at volumen af en gas ved konstant tryk øges med konstant væksthastighed med temperaturen. Han blev berømmet af datidens forskere, han blev professor i fysik i Paris, men han publicerede ikke resultatet.
Daltons lov
John Dalton (1766-1844) studerede gassers egenskaber. I 1801 holdt han foredrag i Manchester Litterary and Philosophical Society om gassers udvidelse ved varmen; foredraget blev trykt året efter (1802). Dalton kunne berette, at hans forsøg viste, at alle gasser ved konstant tryk udvider sig lige meget ved samme temperaturtilvækst. Volumen ved en bestemt temperatur (32ºF) blev benyttet som enhed.
Gay-Lussacs lov
Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) var ingeniør af uddannelse. Han blev berømt for sin varmluftballon. I 1804 foretog han en ballonfærd sammen med Jean Baptiste Biot (1774-1862). De viste, at luftens sammensætning ikke ændredes med højden. Gay-Lussac nåede ved en senere færd højden 7 km.
Gay-Lussac opdagede i 1801, at volumen af en gas har en konstant væksthastighed, når temperaturen ændres. Volumenudvidelseskoefficienten fandt han til 0,00375 K-1. Nu – tohundrede år efter – regnes med 0,00366 K-1 = 1/(273 K).
Konklusion
I moderne kemiundervisning springer man lige ud i det og fortæller, at der er noget, der hedder et lukket system. For et lukket system bestående af en ideal gas eller en blanding af ideale gasser er produktet af systemets tryk p og systemets volumen V lig med produktet af stofmængden n, gaskonstanten R og kelvintemperaturen T
p·V = n·R·T
Et småforsøg og en historisk fortælling omfattende Münchhausen kunne tænkes at skabe interesse. Man skal nu være ret velbefaren i fysik og kemi for, at udsagnet, R = 8,31 J/(mol·K) giver nogen mening.
Litteratur
SHAKHASHIRI, B.Z. 1985: Chemical Demonstrations 3 (Wisconsin): 24
MILLARD, D. mfl. 1989: Concise Dictionary of Scientists (Cambridge: Chambers)
BOSTRUP, O. 1994: De revolutionære og de konservative. Den kemiske revolution 1774-1808 (København: Dansk Selskab for Historisk Kemi)
BOSTRUP, O. 1996: Dansk kemi 1770-1807. Den kemiske revolution (København: Teknisk)
BOSTRUP, O. 1997: Münchhausens 4. sørejse. Dansk Kemi 9: 16
