热气球的原理（热气球、充气轮胎和汽车背后的工作原理）

查理定律定义：
查理定律指出，当压力保持恒定时，气体的体积直接随温度变化。查尔定律方程可以表示为：V∝T
其中，V代表气体的体积，T代表温度。
这个定律规定了体积与温度的线性关系。温度通常用开尔文（国际单位温度）来测量。
那是1783年6月，约瑟夫和艾蒂安·蒙哥尔菲用热空气将一个直径30英尺的气球充气，并使它漂浮在空中。这个巨大的弯曲的气球在空中飞行了0.5英里后坠落于草地。这个消息没过多久就传遍了整个法国。
听到这次飞行，雅克?亚历山大?塞萨尔?查理感到十分惊奇，并决定在自己的气球上进行一个类似的实验（他是一个著名的气球手，这两个词的组合，你可能认为你永远不会看到在一起），并制定了现在被称为的查理定律。
雅克·查尔斯做了一个简单的实验，在5个气球中加入不同的气体，但压力和体积相同。他发现在80摄氏度的高温下气体都均匀膨胀。
查理定律的解释与表述：
物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦给出了一个准解释。他声称，气体所占的空间量完全取决于其粒子的运动。这些粒子不停地颠簸，并与它们所在的容器碰撞。无数气体粒子的快速攻击在容器表面施加了一种力。这个力转化成一定的压力。
这种碰撞的冲击力是无关紧要的，但总的来说，碰撞会对容器表面施加相当大的压力。例如，在一个氦气球内，每秒大约有1e24个氦原子以每秒大约一英里的速度撞击每平方厘米的橡胶，这种压力称为气体压力。

如上图所示，查理定律也有助于我们定义绝对温度（0 K或-273.15 C）。根据表达式，绝对温度是气体体积为零的温度。
应用：
1.热气球
这是查理定律最常见的应用。其中一个在风中游荡的人的精神形象激发了查理自己思考其膨胀背后的潜在机制。从公元前三世纪开始，我们就知道当一个物体的重量小于它所置换的流体的重量时，它会漂浮在流体中。或者简单地说，当一个物体的密度小于它试图漂浮的流体时，它就会漂浮。
查理定律为热气球的工作原理提供了简洁的解释。根据查理定律，如果气球充满了热气体，它的体积必须膨胀。当体积增大时，气球在与周围空气相同的重量下占据更大的体积，其密度现在小于冷空气，因此气球开始上升。
这也解释了为什么氦气球在较冷的温度下会收缩。内部的暖空气本能地服从热力学定律，并向外部的寒冷地区扩散。暖空气的离开降低了内部的压力，因为冷空气分子在周围晃动的次数更少，需要的空间也更少。简单地说，随着气球内部温度的下降，它的体积也会减小。
2.充气轮胎
这不完全是一个应用，而是一个恶习，可能是第二个引用最多的查尔斯定律的应用。查理定律是导致轮胎在炎热的夏季被困时膨胀的管子从轮胎中伸出的原因。外界的剧烈热量稳定地流入内胎，并逐渐导致轮胎膨胀，使轮胎变形或完全爆裂。
强烈建议您在夏季定期检查轮胎。注意力不集中和持续的循环会导致极其危险的后果，因为轮胎如果受到进一步的膨胀，在任何一秒钟都会爆裂，另外由于摩擦产生的热量不可避免地流入。是的，这得多谢谢查理。
3.汽车
汽车的发动机由一系列排列整齐的活塞组成，当活塞正上方没有或存在液体时，活塞会周期性地上下摆动。活塞的两端以一种特殊的方式连接在曲轴上，这样活塞的上升和下降使轴旋转。曲轴的另一端与汽车的后轮相连，因此当连杆转动时，车轮也随之转动。
再说一次，查理定律在这场行动中发挥了重要作用。活塞由燃料燃烧产生的气体推动。燃烧产生大量的热量。结果，温度升高，转化后的气体立即膨胀，使其沸腾的颗粒冲向活塞。他们使出浑身解数把车向前推进。
气体压力与碰撞的大小和它们在某一特定区域上的作用力成正比。因此，碰撞越多，压力就越大。一个重要的发现是气体粒子的运动和它们碰撞的频率取决于气体的温度。这意味着更热的气体对墙壁的压力更大，产生更高的压力。这就是众所周知的盖·吕萨克定律。
然而，必须认识到，压力随着温度的升高而增加，前提是容器的体积是刚性的、有界的，或者简单地说是一个常数。这一点在空气泵的行为中很明显，当活塞周期性地被推拉时，空气泵会喷出热空气。然而，在这个过程中被泵出的球本身呢？当它接触到这种被加热的气体时，它的体积会增加，因为它的体积是没有界限的——当气球膨胀时，即使压力在增加，它也会不断地增加，从而被限制在一个恒定的值内。随着越来越多的热气体被泵入，橡胶膨胀，兴奋的颗粒反弹并推动表面内侧，向外推动。它完全符合查理定律。