Направи дарение на училище!

Автор: гл. ас. д-р Галин Вълчев, Институт по механика на БАН

Надали някой от вас си е задавал въпроса, какво би се случило, ако две идеално проводящи[1], електрически и магнитно неутрални, паралелно разположени една спрямо друга метални пластинки се поставят на малко отстояние (от порядъка на 10 нанометра или големината на най-малкия комерсиално произвеждан транзистор в момента) във вакуум? Естественият отговор е: нищо специално не се случва! Така са разсъждавали, и най-вероятно са смятали подобен тип въпроси за абсурдни, учените от средата на 18. до средата на 20. век, разполагайки с познанията, предоставени им единствено от класическата електродинамика. Нещата се променят през 1948 г., когато холандският физик Хендрик Казимир (H. Casimir) публикува една кратка статия, която преобръща представите ни за ефектите, които могат да възникнат в микро и нано мащаби, а и не само.

За да разберем как се стига до този момент в развитието на науката и какви последствия произтичат от него, се връщаме още по-назад във времето до епохата на Ренесанса. Този период от развитието на човешката цивилизация води със себе до освобождаване и усъвършенстване на научната мисъл, проявена на първо място в разработването на иновативни за времето си експериментални подходи в химията. Голяма част от тях са посветени на изучаването на поведението на газовете. За първи път връзката между налягането  на газ затворен в съд с обем , поставен при не променяща се температура  е получена от британските учени Ричард Таунли (R. Towneley) и Хенри Пауър (H. Power) на базата на техни експерименти започнали през 1653 г. Въпреки че те не публикуват получените от тях резултати, последните са потвърдени при експерименти с въздух, проведени от английският физик и химик Робърт Бойл (R. Boyle), който излага установената зависимост в публикация от 1662 г. В края на 17. век идеята за атомния строеж на материята е все още непозната и Бойл си представя въздуха като съвкупност от частици (малки твърди сфери) в покой, които са свързани една с друга посредством невидими пружинки. Изминава повече от десетилетие, преди френският физик и свещеник Едме Мариот (E. Mariotte) да достигне през 1676 г., независимо от Бойл, до същата връзка между налягането и обема. Математическата форма на, както е известен в наши дни, законът на Бойл-Мариот е

С нарастване на броя на изследователите провеждащи експерименти с газове, нарастват и наблюдаваните ефекти и явления. През 1802 г. френският химик Йозеф Гей-Люсак (J. Gay-Lussac) публикува своите експериментални наблюдения върху връзката между обема и температурата на газ, когато налягането остава постоянно. В тази своя публикация той посочва и по-ранното наблюдаване на тази зависимост описана в не публикуван материал от 1787 г. от френският физик и изобретател Жак Шарл (J. Charles). Така законът на Шарл (въпреки че за пръв път е математически формулиран от Гей-Люсак) гласи, че

Разбери повече за БГ Наука:

***

Натрупаното познание за физичното и химично поведение на различни газове, води до друго важно откритие през 1811 г. от италианския учен Лоренцо Авогадро (L. Avogadro). В своята работа той прави хипотетичното предположение, че два различни образеца газ [например водород (H) и хелий (He)], заемащи един и същ обем, и поставени при еднакви температура и налягане, съдържат един и същ брой  частици, т.е., , където  е количеството вещество газ, а  е т. нар. число на Авогадро[2].

На базата на тези три закона, през 1834 г. френският физик и инженер Бенуа Клапейрон (B. Clapeyron) извежда уравнението, описващо състоянието[3] на газ: , където  е константа, въведена от Лудвиг Болцман (L. Boltzmann). Всички еднокомпонентни газове или смеси от такива, чието термодинамично равновесно[4] състояние се описва от това уравнение, е прието да се наричат идеални газове.

[1] Спрямо съвременните разбирания, идеалните проводници са идеализирани вещества отразяващи всички електромагнитни вълни (с произволна честота).

[2] Числото на Авогадро определя броя градивни частици в 1 мол субстанция и се дефинира като броя на атомите, съдържащи се в точно 12 грама чист изотоп на въглерод-12 (¹²С). Въпреки че самият Авогадро не предлага числена стойност за тази своя константа, той предполага, че това е едно много голямо число. Днес знаем, че в 1 мол от кое да е вещество се съдържат  частици, колкото са звездите в участъка от Вселената, който сме успели да наблюдаваме, с най-мощните си телескопи.

[3] Състоянието на една система, да речем проба от някакъв материал, се определя при задаване на стойностите на всички променливи, описващи тази система, като например температура, налягане, обем, количество вещество и т.н.

[4] Една система се нарича равновесна в термодинамично отношение, когато тя е едновременно в топлинно, механично и химично равновесие, т.е. температурата, налягането и концентрацията на частиците (атоми или молекули) в отделни нейни точки не се променят с течение на времето.

Цялата статия може да прочетете в брой 99 на “Българска наука”

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!