Судя по этой работе Гей-Люссака, Шарль нашел, что кислород, азот, углекислый газ и воздух расширяются одинаково в интервале температур между 0 и 100° С. Гей-Люссак дополнил и обобщил работу Шарля и пришел к следующему фундаментальному утверждению: "Если полное увеличение объема разделить на число градусов, вызвавших это увеличение, то есть на 80, то мы получим, принимая объем при нулевой температуре равным единице, что увеличение объема на каждый градус составляет 1/213,33, или 1/266,66 на каждый градус стоградусной шкалы".
По существу здесь речь идет об исследованиях, отличающихся от упомянутых ранее исследований Вольты. Вольта показал, что воздух расширяется равномерно (если пользоваться ртутной шкалой), тогда как Гей-Люссак доказал, что для всех газов полное расширение в интервале температур от 0 до 100° С одинаково, и, принимая, что это расширение происходит равномерно, рассчитал коэффициент расширения для всех газов. Позже Гей-Люссак заметил, что предположение о равномерности расширения необоснованно, и для его доказательства провел еще одну серию опытов. Об этих опытах и применявшейся для них аппаратуре стало известно лишь после выхода в 1816 г. курса физики Био. Сейчас они описаны во всех учебниках по физике.
Международный конгресс физиков, созванный в Комо в сентябре 1927 г. по случаю столетия со дня смерти Вольты, выпустил обращение, призывающее в разделе о расширении газов давать в учебниках физики формулировки двух законов: закона Вольты о постоянстве коэффициента расширения воздуха и закона Гей-Люссака о том, что коэффициент расширения всех газов одинаков. Однако это предложение, имевшее целью напомнить о заслуге Вольты в этом вопросе, оказалось, по-видимому, не очень жизненным.
Данное Гей-Люссаком значение коэффициента расширения 1/266,66 = 0,00375 было подтверждено Био, принято Лапласом и в течение 35 лет рассматривалось как одна из наиболее точно известных физических констант. Но в 1837 г. Фридрих Рудберг (1800—1839) предпринял новое определение этой постоянной и нашел для нее меньшее значение. В связи с этим Магнус, приписав расхождение различию примененных экспериментальных методов, повторил опыты Гей-Люссака и получил значение постоянной, совпадающее с данными Рудберга. Ошибку Гей-Люссака он приписал тому, что тот (в отличие от Вольты) применял для ограничения исследуемой массы воздуха ртуть, которая значительно менеепригодна для газоизоляции чем масло.
Но в том же, 1841 г., когда Магнус произвел свои измерения, появилась классическая работа Реньо, которая дала для коэффициента расширения значение 0,0036706, оставшееся почти неизменным до наших дней. Достаточно сопоставить со значением коэффициента Реньо значения, найденные Вольтой и Гей-Люссаком, чтобы заметить большую точность значения Вольты, несмотря на скромные экспериментальные средства, которыми он располагал.
В соответствии с уже ранее полученными Магнусом результатами Реньо установил (1842 г.), что коэффициенты расширения газов не в точности постоянны. Те газы, которые легко сжижаются, имеют больший коэффициент расширения, причем, как заметил Дэви, он даже увеличивается с ростом плотности газа. В 1847 г., вводя поправку в утверждение Дюлонга и Араго, считавших закон Бойля точным, Реньо, на основании проведенных опытов с давлением до 30 атм, показал, что при обычных температурах все газы (кроме водорода) сжимаются сильнее, а водород сжимается слабее, чем того требует закон Бойля. Эти выводы, к которым пришел также Л. Баччелли в 1812 г., впоследствии были подтверждены и дополнены другими физиками (Шаппюи, Рэлеем, Сачердоте и др.).
Пары
Начиная с 1789 г. Вольта, как это видно из его многочисленных неизданных рукописей, свыше пятнадцати лет интенсивно занимался исследованием поведения паров, не опубликовав, однако, ни одной законченной работы. О своих исследованиях он сообщал друзьям (Вассали, Ландриани, Маскерони), говорил о них в своих университетских лекциях, и порой эти лекции вызывали академические дискуссии. Вольта принадлежит опыт, и сейчас повторяемый в курсах физики, с четырьмя барометрическими трубками, в которых производится испарение воды, спирта и эфира и наблюдается различное давление в них. Он же установил, что давление пара при 0° С не равно нулю, т. е. что лед испаряется. Вольта полагал, что по данным измерений при различных температурах давления пара в барометрической трубке, погруженной в ванну с изменяемой температурой, можно сформулировать три закона поведения паров. Но очень скоро обнаружилось, что первые два закона (при увеличении температуры в арифметической прогрессии давление пара растет в геометрической прогрессии; давление паров всех жидкостей одинаково при одинаковом расстоянии от точки кипения) неверны; третий закон гласил, что давление пара одинаково независимо от того, какое пространство он занимает — пустое или же заполненное воздухом любой плотности.
К этим же выводам пришел независимо Джон Дальтон (1766—1844) в своей работе, опубликованной в 1802 г. Из упомянутого выше третьего закона, ныне называемого законом Дальтона, он, повторяя ранее приведенные рассуждения Вольты, пришел к заключению, что никакая теория (в то время они были очень в моде) не может объяснить испарение как химическое явление, т. е. как соединение воды с воздухом.
В 1816 г. Гей-Люссак распространил закон Дальтона на случай смеси паров. Однако в 1836 г. Магнус показал, что закон Дальтона верен лишь для паров несмешивающихся жидкостей (например, вода и масло). Если же жидкости смешиваются (например, эфир и спирт), то для таких паров полное давление смеси паров меньше суммы давлений компонент. Этот результат был затем подтвержден и развит Реньо.
Все большее распространение паровой машины вызвало особый интерес к исследованиям давления водяного пара при больших температурах. Уже в 1813 г. Иоганн Арцбергер (1778—1835) произвел довольно грубые измерения для давлений до 8 атм. В 1829 г. Дюлонг и Араго по поручению Парижской Академии наук приступили к систематическому измерению давления водяного пара и достигли 24 атм. Их данные, как и данные их предшественников, не были абсолютно точными, поскольку в опыте недостаточно гарантировалась одинаковость температуры всей массы газа, так что измеренное давление оказывалось соответствующим давлению в самой холодной области согласно "принципу холодной стенки", приписываемому часто Уатту, но в действительности сформулированному Фонтана (1730—1805) в 1779 г.
Первые тщательные измерения были выполнены в 1844 г. немецким физиком Эрнестом Густавом Магнусом (1802—1870). Он применял изолированный тремя слоями воздуха калориметр, в который вводились U-образные трубки с газом и воздушный термометр. Но наиболее фундаментальное исследование, выполненное новыми методами и с большим мастерством, было проведено Анри Виктором Реньо (1810—1878) и описано в его знаменитой работе "Сообщение об опытах, предпринятых по распоряжению министра общественных работ и по предложению Центральной комиссии паровых машин, с целью определения основных законов и численных величин, применяемых при расчете паровых машин", Париж, 1847. В этом большом труде Реньо ввел поправки в результаты Дюлонга и Араго и нашел значения давления водяного пара при температурах от —32 до 100° С и от 110 до 232° С.
Тепловым измерениям, представляющим интерес для практики, Реньо посвятил всю жизнь. Применяя новые методы, обеспечивающие ранее недостижимую точность, он повторял опыты предшествующих ученых. Его достойные восхищения тщательность и искусство экспериментатора позволили получить результаты, которые и сейчас, спустя столетие, относятся к разряду наиболее надежных. Помимо сказанного, следует напомнить об исследованиях Реньо по тепловому расширению твердых и жидких тел, сжимаемости воды, определению удельных теплоемкостей тел, измерению скорости звука в газах и термоэлектричеству. Существует мнение, что Реньо не хватало того творческого духа, который открывает новые пути в физике, однако внесенный им вклад в технику эксперимента и прикладную физику составил целую эпоху.
Сжижение газов
Опытный факт охлаждения вещества при испарении был известен издавна и даже практически использовался (например, применение пористых сосудов для сохранения свежести воды). Но первое научное исследование этого вопроса предпринял Джан Франческо Чинья и описал в работе 1760 г. "De frigore ex evaporationе" ("О холоде вследствие испарения").
Чинья доказал, что чем быстрее происходит испарение, тем интенсивнее остывание, а Меран показал, что если дуть на влажный шарик термометра, понижение температуры окажется больше, чем при таком же опыте с сухим шариком термометра. Антуан Боме (1728—1804) обнаружил, что при выпаривании серного эфира охлаждение происходит сильнее, чем при испарении воды. Основываясь на этих фактах, Тиберио Кавалло создал в 1800 г. холодильную машину, а Волластон построил в 1810 г. свой известный криофор, применяемый и в наше время. На основе этого прибора в 1820 г. был создан гигрометр Даниэля. Холодильная машина стала практически применимой лишь после 1859 г., т. е. после того, как Фернан Карре (1824— 1894) опубликовал свой метод получения льда с помощью испарения эфира, впоследствии замененного аммиаком. В 1871 г. Карл Линде (1842—1934) описал созданную им холодильную машину, в которой охлаждение достигается за счет расширения газа. В 1896 г. он скомбинировал эту машину с противоточным теплообменником, описываемым в курсах физики, и это позволило ему получить жидкий водород. Достигнутые к тому времени физиками экспериментальные результаты начали внедряться в промышленность.
Проблема сжижения газов имеет вековую историю, берущую свое начало во второй половине XVIII столетия. Началось все с сжижения аммиака простым охлаждением, которое произвел ван Марум, серного ангидрида — Монж и Клуэ, хлора — Нортмор (1805 г.) и сжижения аммиака компрессионным методом, предложенным Баччелли (1812 г.).