實驗八 波以耳定律與查理定律

一、目的

藉由簡單安全的裝置進行氣體體積與溫度、壓力間關係的量測，驗證查理定律與波以耳定律。

二、原理

      關於氣體普遍物理性質的科學量測與描述，最早是由 17 世紀的英國科學家波以耳開始。波以耳在一端封閉的J型管中灌入水銀，封入固定量氣體，藉由控制水銀量來調整施加於封入氣體的壓力，觀察在不同壓力下氣體體積的改變，得到在固定溫度下，一定量氣體的體積和壓力的倒數成正比（V = constant / P）的結論，此即為波以耳定律。

18 世紀末，法國科學家查理和給呂薩克在熱氣球相關的研究中發現，一定量的氣體在固定壓力下，其體積和溫度呈線性關係。查理定律的另一重要之處在於指出絕對零度的存在：不會液化的理想氣體在某溫度體積縮小為 0，因體積不可能為負值，故此溫度為物理上可能達到的最低溫度。若使用絕對溫度，查理定律可表示為 V = constant × T，一定量氣體的體積和絕對溫度成正比。

波以耳實驗的裝置和操作並不複雜，但用水銀來增加對固定量封閉氣體的壓力，其危險性較高，若改用其他流體則因密度遠低於水銀而不利操作。因此本實驗改為使用簡易水流抽氣器降低對固定量封閉氣體的壓力，觀察降低壓力時氣體體積的膨脹。

查理定律實驗則是直接量測不同溫度下氣體體積的變化量，推算絕對零度 0 K = T₀ºC：

氣體在溫度 T ºC 時的總體積為 V，則

( T – T₀ ) = V×c       c 為常數

T = V×c + T₀

繪製溫度-體積圖或用最小平方法對實驗數據進行線性迴歸，所求得之截距即為絕對溫度零度時之攝氏溫度 T₀。

三、器材

波以耳定律：

真空壓力計、簡易水流抽氣器、U型管、熱熔膠條、轉接頭、橡皮管（厚管壁）

查理定律：

100 mL 量筒、500 mL 抽濾瓶、安全吸球、有玻璃管穿透之橡皮塞、玻璃管、U型管、橡皮管、溫度計、燒杯、水盆

四、實驗步驟

波以耳定律

1. 實驗裝置如圖一。安裝簡易水流抽氣器於水龍頭下，連接真空壓力計。可用手指封閉真空壓力計另一端開口，打開水龍頭測試是否抽氣以及真空壓力計是否正常運作，若簡易水流抽氣器安裝方向錯誤會無法抽氣，須拆下重新以正確方向安裝。

2. U 型管裝入適量的水，以熱熔膠條作為塞子封閉較短的一端，使封閉端空氣體空氣柱長度約 1.5 公分。

3. 連接 U 型管開口端至步驟 1. 之裝置，固定 U 型管。

圖一

4. 開啟水龍頭，使系統內壓力下降，藉調整抽氣時間與水流速度控制系統內壓力高低，觀察 U 型管封閉端或空氣柱長度變化。注意真空壓力計上的讀數為實驗裝置內與外界大氣間的壓力差，而非裝置內氣壓。

5. 記錄壓力與空氣柱長度間關係，需六組數據。

查理定律

6. 取 100 mL 量筒、500 mL 燒杯、500 mL 抽濾瓶、U型管、溫度計、有玻璃管穿透之橡皮塞及安全吸球架設儀器裝置如圖二所示，注意量筒與水面需垂直架設並確實穩定，U 型管開口端儘量遠離水面。

7. 檢查裝置氣密性：使用安全吸球調整系統內空氣量，使量筒內水面高於量筒外水面，觀察一分鐘。若裝置氣密度良好，量筒內水位不會下降。

圖二

8. 根據之後實驗將控制的溫度差，估計空氣體積的改變量。，使用安全吸球調整系統內空氣量，讓量筒內水面在之後實驗中不會流入 U 形管且能讀取水面刻度。記錄刻度與溫度。

9. 將錐形瓶置入冰浴 5 分鐘，此時系統內空氣體積將減少而使量筒內水面上升，注意勿讓水流入 U 型管。紀錄量筒內空氣體積、冰浴溫度。

10. 將錐形瓶移出冰浴，置入約溫水或室溫之涼水浴中，待溫度平衡空氣體積不再快速變化後，記錄水浴溫度以及量筒內空氣體積。

11. 調整水浴溫度並記錄空氣體積，總共需四組數據，建議每組溫度差在 5 至 10°C 間。

12. 拆卸實驗裝置，量測抽濾瓶和管路容積（可加水入抽濾瓶和管路，量取加入水之體積），再加上量筒內空氣量作為實驗裝置中空氣總體積。

五、實驗結果

波以耳定律

實驗室氣壓：

查理定律

抽濾瓶容積：__________  ，管路容積：__________，共：__________

六、問題與討論

請使用試算表軟體（如微軟Excel），簡單操作說明請見附錄（二）

1. 由波以耳定律實驗結果，繪製「空氣柱長度-壓力」、「空氣柱長度-(1/壓力)」 圖，並說明其意義。

2. 由查理定律實驗結果，繪製「體積改變量-溫度」關係圖，並說明其意義。

3. 試討論查理定律實驗所求得絕對溫度零度時之攝氏溫度誤差來源。