Рассмотрим другой пример. На дне океана находится пузырек воздуха. С какой глубины он сможет подняться? Всем прекрасно известно о страшном давлении воды на больших глубинах, способном раздавить корпус подводной лодки. Естественно, пузырек будет сжиматься, и на определенной глубине плотность воздуха сравняется с плотностью воды. Воздух перестанет быть легким, следовательно, пузырек не сможет всплыть.

Поскольку, согласно закону Бойля-Мариотта, плотность газа прямо пропорциональна его давлению, то не будет ошибкой предположить, что при давлении 81 040 кПа (в 800 раз больше атмосферного) воздух сожмется в 800 раз. Его плотность окажется в 1,03 раза выше плотности воды. Поскольку такое давление царит на больших глубинах Мирового океана (свыше 4000 м), то практически нигде здесь воздушный пузырек не может всплыть на поверхность. Однако в таких рассуждениях как раз и содержится ошибка.

Закон Бойля-Мариотта справедлив лишь для небольших давлений. При столь существенном сжатии он уже перестает действовать. Полностью соответствует закону идеальный газ — модель, в которой игнорируются размеры молекул и их взаимное отталкивание. В природе из всех реальных газов подобен идеальному только водород, и то его молекулы не позволяют свободно менять давление и плотность газа. Воздух же отступает от действия закона уже при сжатии до давления 20 260 кПа (в 200 раз больше атмосферного). Его плотность превосходит плотность воздуха при нормальном давлении всего в 190 раз.

Дальше отступления от закона Бойля-Мариотта становятся все более существенными. Под давлением около 81 МПа плотность воздуха возрастает примерно в 400 раз, что в 1,9 раза меньше плотности воды. Воздух становится практически несжимаемым при давлении 151 980 кПа. Чтобы довести его до плотности воды, потребуется приложить давление 506 625 кПа, т. е. свыше 500 млн Па! Таким образом, пузырек воздуха всплывет даже со дна Марианской впадины (11 022 м) — самого глубокого желоба Мирового океана.

К слову, все прочие газовые законы — Шарля и Гей-Люссака — справедливы также при низких давлениях и температурах, близких по значению к норме. Под нормой, а точнее, нормальными условиями в физике понимаются условия с температурой +20 °C и атмосферным давлением (101 325 Па, или приближенно 101,3 кПа). Вообще, оба названных газовых закона следует считать законами Гей-Люссака, именно так они и называются во многих книгах. Дело в том, что именно этот ученый вывел оба закона, хотя обоснован один из них (изохорический) был Шарлем.

Оба закона показывают изменение температуры сначала при постоянном давлении, а затем при постоянном объеме. Впоследствии, в середине XIX в., на основании найденных Бойлем, Мариоттом, Шарлем и Гей-Люссаком соотношений английский инженер Б. Клайперон и великий русский химик Д. И. Менделеев вывели объединенный газовый закон. Он гласит, что отношение произведения давления на объем к температуре газа есть величина постоянная.

Благодаря соотношению газовых параметров удалось объяснить принципы адиабатического процесса в газах, протекающего на больших высотах в атмосфере, когда расширяющийся воздух остывает. Изменение объема и давления этого воздуха происходит одновременно и вызывает вполне естественное изменение температуры. Кинетическая теория добавляет к этой зависимости свое толкование. Воздух затрачивает внутреннюю энергию на такое расширение. Поскольку нагретость газа является условной мерой энергии движения молекул, то падение энергии неизбежно приводит к понижению температуры.

Дизельный двигатель был сконструирован при попытках повысить коэффициент полезного действия обыкновенных автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Если при адиабатическом расширении газа его температура сильно падает, то обратный процесс — сжатие — должен приводить к существенному повышению температуры. Чем горячее сжатый газ, тем быстрее он сгорает. Горение при высоких температурах повышает эффективность работы двигателя.

Но в двигателях внутреннего сгорания сильно сжимать газ невозможно. Если превысить нормальное сжатие более чем в 5 раз, то газ воспламеняется значительно раньше положенного времени. Горючее вещество детонирует, что может привести к взрыву.

Немецкий изобретатель P. Дизель в конце XIX в. сконструировал двигатель нового типа, где эта проблема решалась сама собой. Начальный вариант устройства был предложен конструктором в 1897 г. Двигатель Дизеля, называемый ныне просто дизелем, позволял развивать 10-кратное сжатие газа.

Любопытно, что самим газом является не горючее вещество, а просто воздух. Он разогревается настолько, что в нем самовоспламеняются капельки жидкого топлива (прежде это была главным образом нефть). Оно намеренно разбрызгивается через форсунку посредством нагнетаемого компрессором воздуха. Сегодня наличие такого компрессора не является обязательным, он отсутствует на многих моделях дизеля. Температура сжатого воздуха в дизеле составляет +600 °C. Двигатель не нуждается в системе зажигания и способен работать на неочищенном топливе, в т. ч. и на нефти. У дизеля есть и множество других достоинств.

Один из самых первых массовых дизельных двигателей был поставлен в 1921 г. на тракторе марки «Ланц-Бульдог» германского производства. Примечательной чертой раннего дизеля следует назвать особенности его работы. Двигатель запускался посредством 10-минутного разогрева головки цилиндра. Для этой цели тракторист использовал паяльную лампу.

Когда эта процедура была выполнена, тракторист нацеплял съемное рулевое колесо на ось маховика и раскручивал последний. Затем рулевое колесо возвращалось обратно на колонку. Чтобы двигатель начинал вращаться в обратную сторону, трактористу требовалось сбавить число оборотов до предельно минимального значения и резко дать газ. Только таким способом удавалось добиться движения трактора задним ходом.

В наше время обращение с двигателем значительно упростилось, хотя устройство по-прежнему требует от водителя высокой технической культуры. Устанавливать дизель на автомобили не совсем удобно, хотя ряд его несомненных преимуществ перед четырехтактным газовым двигателем заставил инженеров поработать и в данном направлении. Широкое распространение легковые автомобили на дизелях получили только в 1970–1980-е гг. Какова окажется дальнейшая судьба этого вида транспорта, покажет будущее.

Газовые законы обязательно учитываются при изготовлении кислородных и других газовых баллонов, манометров, судов на воздушной подушке и прочих устройств. Подводные исследования с аквалангом, организованные благодаря Ж.-И. Кусто, обязаны своим проведением физике газов. Если бы создатели приспособлений для подводного плавания не учли сжимаемости воздуха, то аквалангисты непременно погибли бы. Читатель наверняка удивится, когда узнает, что человек не может находиться на глубине свыше 2 м.

Уже глубина в 60 см плохо влияет на сердечную деятельность и дыхание, а метровые глубины для многих опасны. Так происходит, если ныряльщик дышит воздухом, давление которого равно атмосферному. Давление воды на грудную клетку человека значительно выше, и если оно не уравновешивается противодавлением, то это неизбежно приведет к физиологическим нарушениям. Данное утверждение было проверено учеными на себе в смелых опытах. Экспериментаторы пытались дышать атмосферным воздухом через соломинку, пребывая на глубине 2 м.

Баллоны акваланга заполняют сжатым воздухом, а для больших глубин, во избежание появления у аквалангистов кессонной болезни, используют смесь кислорода с гелием, т. н. гелиокс. Соотношение компонентов газовой смеси подбирается опять же таким образом, чтобы ее давление уравновешивало давление воды на тело ныряльщика.