Edme Mariotte
(16201684)

A levegõ természetérõl
1676, 1679

Collected Works, 1717

(in: William Francis Magie: A Source Book in Physics, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1963)


A levegõ nyomásának és térfogatának kapcsolata

A levegõ második tulajdonsága, hogy képes a szélsõséges összehúzódásra és tágulásra, valamint mindig megtartja rugóerejét, amellyel mindaddig visszalöki vagy megpróbálja visszalökni a reá nehezedõ testeket, ameddig vissza nem nyeri természetes kiterjedését. Más rugók általában egyre gyengébbek lesznek, de azt sosem tapasztaljuk, hogy a levegõ rugója gyengülne. Néhányan mondták nekem, hogy láttak olyan légpuskákat, amelyek egy évnél is tovább voltak töltve, és ugyanolyan hatást értek el, minyha éppen akkor töltötték volna meg õket. A levegõ hõ hatására is nagyon könnyen tágul, hideg hatására pedig összehúzódik, amirõl kísérlettel bármikor meggyõzõdhetünk.

Nem szabad azt hinni, hogy a föld felszínéhez közeli levegõnek, amelyet belélegzünk, természetes kiterjedése van: ami fölötte van, nehéz s rugóerõvel bír, ezért arra, ami itt lent van, a teljes atmoszféra súlya nehezedik, tehát ennek a levegõnek sokkal jobban össze kell húzódnia, mint annak, ami fent van és könnyen tágulhat; s annak, ami a két szélsõség között van, kevésbé kell összehúzódnia, mint ami a földön van, és kevésbé van kitágulva, mint a legtávolabbi.

A levegõ összehúzódásának ezt a különbségét megérthetjük az egymásra halmozott szivacsok példáján. Hiszen nyilvánvaló, hogy a halom tetején a szivacsok a természetes terjedelmüket veszik fel, az éppen alattuk levõk csak egy kicsit kevésbé vannak kiterjedve, s amelyek az egész halom alján vanank, nagyon össze vannak húzódva és nyomódva. Világos továbbá, hogy ha elvesszük azokat, amelyek legfelül vannak, az alsók rugóerejük révén visszanyerik természetes kiterjedésüket, és ha a legfelsõknek csak egy részét vesszük el, emezek kiterjedésüknek csak egy részét nyerik vissza.

Elsõként a következõ kérdést tehetjük fel: a levegõ pontosan a rá nehezedõ súllyal arányosan húzódik-e össze, vagy ez az összehúzódás más törvényeket és más arányokat követ-e.  A következõkben lépésenként elõadom érveimet, amelyekkel eldöntöttem, hogy a levegõ összehúzódása arányos-e a levegõt összenyomó súllyal.

Ha feltételezzük, hogy a levegõ amint a kísérlet mutatja jobban összehúzódik, amikor nagyobb súly nyomja össze, akkor arra kell következtetnünk, hogy ha az a levegõ, amely a föld felszínétõl a legnagyobb magasságig terjed (ahol végetér), könnyebb lenne, az alsóbb része kiterjedtebb lenne, mint most, és ha nehezebb lenne, ugyanez a rész, jobban összehúzódna. Ezért arra a következetetésre kell jutnunk, hogy az az összehúzódás, amely a föld közelében tapasztalható, bizonyos arányban van a fölsõ levegõ súlyával, amely összenyomja az alsót, és ez ebben az állapotban rugója révén pontosan egyensúlyban van annak a levegõnek a súlyával, amelyet megtart.

Ebbõl az következik, hogy ha valamennyi levegõt engedünk be a barométerbe a higanyon kívül, és elvégezzük a vákuumos kísérletet, a higany nem marad a szokásos magasságánál a csõben: az a levegõ, amelyet a kísérlet elõtt zártunk be, rugója révén egyensúlyt tart a teljes atmoszféra súlyával, vagyis  annak a levegõoszlopnak a súlyával, amely az edényben levõ higany felületétõl az atmoszféra határáig terjed, következésképp, mivel a csõben levõ higany semmit sem követ el, hogy egyensúlyban legyen vele, süllyedni fog, de nem teljesen, mert amikor süllyed, a csõbe zárt levegõ kitágul, és rugója már nem elég, hogy egyensúlyt tartason a fölötte levõ levegõ teljes súlyával. Ezért a higany egy részének a csõben kell maradnia olyan magasságnál, hogy mivel a bezárt levegõ az összehúzódás olyan állapotában van, amely csak akkora rugóerõvel ruházza fel, hogy az atmoszféra súlyának egy részét tarthatja meg a csõben maradó higany egyensúlyt tart a többivel, és ekkor egyensúly lesz a teljes levegõoszlop súlya, valamint a maradék higany súlya és a bezárt levegõ rugóereje között. Mármost ha a levegõ a rá nehezedõ súllyal arányosan nyomódik össze, szükségképpen az következik, hogy ha végrehajtunk egy olyan kísérletet, amelyben a higany 14 hüvelyk [kb. 36 cm] magasan marad a csõben, a csõ többi részébe zárt levegõ kétszer annyira tágul ki, mint amennyire a kísérlet elõtt tágult, feltéve, hogy ugyanekkor a levegõ nélküli barométerekben a higany pontosan huszonnyolc hüvelyknyire emelkedik.

A konklúzió igaz voltának eldöntésére, Hubin úrral végeztem kísérleteket, aki sokféle barométer és hõmérõ készítésében járatos. Negyven hüvelyk hosszú csövet használtunk, amelyet huszonhét és fél hüvelyk magasan töltöttem meg higannyal, így tizenkét és fél hüvelyk levegõ maradt. Amikor ezt a csövet egy hüvelyknyire az edény higanyába merítjük, harminckilenc hüvelyk maradhat a tizennégy hüvelyknyi higanyra és huszonöt hüvelyknyi levegõre, amely az eredeti térfogatának kétszeresére tágul. Nem csalódtam várakozásaimban: amikor a megfordított csövet belemerítettük az edény higanyába, a csõben levõ higany süllyedt, és némi oszcilláció után tizennégy hüvelyk magasságon állapodott meg; következésképpen a bezárt levegõ, amely ekkkor huszonöt hüvelyket foglalt el, annyira kiterjedt, hogy térfogata megduplázódott, huszonöt hüvelyknyi lett az eredeti tizenkét és fél hüvelyk helyett.

Megkértem Hubin urat egy másik kísérletre, amelyben huszonnégy hüvelyk levegõt hagyott a higany fölött, s a higany hét hüvelykre süllyedt a feltevéssel összhangban; a hét hüvelyk higany ugyanis egyensúlyt tartott a teljes atmoszféra súlyának negyedével és a maradék háromnegyedet a bezárt levegõ rugója tartotta meg; ez a levegõ harminckét hüvelyknyire tágult, s ugyanolyan arányban volt az eredeti kiterjedésével, huszonnégy hüvelykkel, mint a levegõ teljes súlya ugyanennek a súlynak a háromnegyedével.

Megkértem Hubin urat még néhány hasonló kísérlet elvégzésére, amelyben több-kevesebb levegõ maradt ugyanebben a csõben vagy különbözõ méretû csövekben, és mindig azt találtam a kísérletek során, hogy a kitágult levegõnek és annak a levegõnek az aránya, amely a higany fölött volt a kísérlet elõtt, ugyanannyi, mint az atmoszféra teljes súlyát jelentõ huszonnyolc hüvelyk higanynak és annak a különbségnek az aránya, amely a huszonnyolc hüvelyk és a kísérlet utáni higanymagasság között volt. Így elég világossá vált, hogy szabálynak vagy természeti törvénynek tekinthetjük, hogy a levegõ a rá nehezedõ súllyal arányosan húzódik össze.

Ha érzékenyebb kísérleteket akarunk végezni, hajlított csõre van szükségünk, amelynek a szárai egymással párhuzamosak, az egyik körülbelül nyolc láb [kb. 240 cm] hosszú, a másik tizenkét  hüvelyk [kb. 12 cm]. A hosszú csõ tetejének nyitottnak kell lenni, a másikat gondosan le kell zárni.

Elõször egy kevés higanyt töltünk bele, hogy feltöltsük a csõ alját, ahol a két szár érintkezik, és úgy intéztük, hogy a higany egyik szárban se álljon magasabban, mint a másikban, tehát a bezárt levegõ ne legyen se jobban összenyomva, se jobban kitágulva, mint a szabad leevgõ.

Ezután apránként higanyt töltünk a csõbe, ügyelve arra, hogy a rázkódás ne juttasson be több levegõt, mint amennyi már be volt zárva, és azt látjuk, amit én is töbször tapasztaltam, hogy amikor a higany négy hüvelyknyire emelkedik a rövid szárban, a másikban tizennégy hüvelyknyivel magasabb lesz, vagyis tizennyolc hüvelykkel lesz az összekötõ csõ fölött: éppen ennek kell történnie, ha a levegõ a rá nehezedõ súllyal arányosan nyomódik össze. Hiszen a bezárt levegõt ekkor nyomja az atmoszféra súlya, amely huszonyolc hüvelyk higany magasságával egyenlõ, és nyomja a tizennégy hüvelyknyi higany súlya is; az összeg, 42 hüvelyk, úgy aránylik a 28 hüvelykhez (ez a súly tartotta a levegõt tizenkét hüvelyk magasan az üveg szárában), mint a tizenkét hüvelyknyi kiterjedés a maradék nyolc hüvelyknyihez.

Ha annyi higanyt öntünk még a csõbe, hogy a kisebbik szárban 6 hüvelyknyire emelkedjen a higany, akkor 6 hüvelyknyi levegõ lesz bent, és a hosszabbik szárban a higany 28 hüvelykkel áll magasabban. Ugyanennek a hipotézisnek az alapján éppen ennek kell történnie: mert a bezárt levegõt 28 hüvelyk higany és a levegõ súlya nyomja, amely szintén 28 hüvelyknyi, a kettõ összege 56, ami kétszer annyi, mint 28, hiszen a levegõ kezdeti, 12 hüvelykes kiterjedése kétszer akkora, mint a 6 hüvelyk, ami most maradt. Ha a hosszú szárba tovább töltjük a higanyt, és a kis szárban 8 hüvelykre emelkedik, akkor 56 hüvelyk higany lesz a hosszú szárban fölötte, amibõl ismét ugyanaz az arány adódik.

Ha tovább akarjuk folytatni a kísérletet, még több higanyt tölthetünk be, egészen addig, amíg a kis szárban a levegõ 3 hüvelyknyire nem csökken; ekkor azt látjuk, hogy a másik szárban a higany 84 hüvelyknyivel áll feljebb, ami a levegõ súlyának 28 hüvelykjével 112-t tesz ki, négyszer 28-at, ahogyan a kezdeti, 12 hüvelykes kiterjedés is négyszerese az utolsó, 3 hüvelykes kiterjedésnek.

Ahhoz, hogy ezeket a kísérleteket sikeresen hajthassuk végre, a rövid szárnak azonos keresztmetszetûnek kell lennie, de a hosszú szár keresztmetszetének nem kell pontosan ugyanolyannak lennie az egész hossz mentén.


Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/ 
http://www.chemonet.hu/