Лабораторная работа № 1 исследование закономерностей изотермического и изохорного процессов. Опытная проверка законов Бойля-Мариотта и Шарля.

 

В этой работе вам предстоит исследовать поведение газов в ходе изотермического и изохорного процессов.

Приборы и оборудование:

медицинский манометр, шприц, соединительная трубка, электронный термометр, линейка, горячая вода различной температуры, емкость для горячей воды.

 

Подготовительные работы:

Задание 1.

Ознакомьтесь с измерительными приборами. Запишите предел измерения термометра и манометра, цену деления этих приборов.

1 миллиметр ртутного столба – это давление, которое оказывает на дно столбик ртути высотой 1 мм. Как вы, наверное, знаете давление в системе СИ измеряется в паскалях. Установим связь между мм рт.ст и паскалем:

.

Кроме того, полезно помнить, что 1 атмосфера (1 атм = 1 бар) – это нормальное атмосферное давление 101325 Па или 760 мм рт.ст.

Задание 2.

Выразите максимальное давление, которое способен измерять манометр, в паскалях.

Задание 3.

Определите внутренний диаметр шприца. ВАЖНО! Установку разбирать не надо. Попросите у преподавателя такой же шприц. Если вы разберете установку, то нарушите герметичность, дальнейшие измерения станут невозможными.

Задание 4.

Определите внутренний диаметр трубки d. ВАЖНО! Установку разбирать не надо. Попросите у преподавателя кусочек такой же трубки. Если вы разберете установку, то нарушите герметичность, дальнейшие измерения станут невозможными. Используя формулу объема цилиндра V

Здесь L – высота цилиндра (длина соединительной трубки).

МЫ ВАС ДВАЖДЫ ПОПРОСИЛИ НИЧЕГО НЕ РАЗБИРАТЬ!

РАЗБЕРЕТЕ, вторую установку не дадим. Результат за работу будет 0.

 

Часть первая.

Изучение изотермического процесса.

 

    Напомним, что изотермический процесс – это процесс, в ходе которого температура системы остается постоянной. В пособии по теории для Летней школы достаточно подробно рассказано, как Роберт Бойль проводил опыты по установлению закономерностей поведения «газовой пружины». Бойль жил в 17 веке, и, конечно же, не располагал теми измерительными приборами, которые есть у нас сейчас. Поэтому ему нужно было придумать, как измерить давление при изменении объема газа, как создать давление, меньшее атмосферного и т.д.

У вас все будет немного попроще. Приборы для измерения давления (манометры) у нас есть. Исследовать будем атмосферный воздух, который заключен в обычном медицинском шприце. Шприц и манометр соединены гибкой трубкой.

    Мы должны проверить справедливость закона Бойля-Мариотта, который в современной формулировке звучит так: «в ходе изотермического процесса, проводимого с неизменной массой газа, произведение давления на объем остается постоянным», то есть

.

    Меняя объем воздуха в шприце, определяем показания манометра, показания заносим во второй и третий столбцы таблицы (см.таблица 1).

    Для того, чтобы знать объем воздуха, Вам надо знать объем соединительной трубки. А для этого Вы выполняли задание 4. Объем воздуха, находящийся в шприце, определите по делениям, нанесенным на его корпусе.

    Теперь посмотрим на таблицу 1.

Зачем так много столбцов? Казалось бы, достаточно трех – номер опыта, значение объёма и значение давления. Но подумаем… Какой график удобнее для построения p(V) – гипербола или прямая? Ответ: конечно же, прямая. Поэтому возникает четвертый столбец .

Зачем так много строк? Казалось бы, для построения прямой линии достаточно двух точек. Но… никто не сказал, что в наших опытах зависимость будет линейной, то есть наш воздух будет вести себя как идеальный газ. Поэтому следует провести семь-десять измерений (не менее семи!). Для этого Вам заранее (еще до проведения измерений) следует понять, с каким шагом Вам надо менять объем, чтобы получить не менее семи измерений. Например, если объем шприца 5 мл, а вы решили идти с шагом 1 мл, то точек у вас будет всего четыре. А если Вы будете измерять объем с шагом 0,5 мл, то точек будет достаточно.

Поэтому постарайтесь заранее продумать порядок работы.

Таблица 1

Зависимость давления от объёма

№	Объем, м3	Давление, Па
…
…

Задание 5.

По заполненной таблице 1 постройте график зависимости давления от обратного объема. Когда говорят, что надо построить график зависимости у от х, то это означает, что по горизонтали надо отложить х, а по вертикали у. Пожалуйста, постройте именно тот график, который предлагается. Другие графики засчитываться не будут. Графики строятся на миллиметровой бумаге.

Построив график, сделайте вывод о справедливости закона Бойля-Мариотта для тех объемов и давлений, которые вы использовали.

 

Часть вторая. Изучение изохорного процесса

    Изохорным процессом называется процесс, проводимый с постоянным объёмом газа.

    Для постоянной массы газа для изохорного процесса в идеальном газе выполняется закон Шарля

Здесь р – давление газа, Т – его температура по шкале Кельвина. Давление измеряется манометром.

    Если температура измеряется по шкале Цельсия, то зависимость давления газа от температуры t будет также линейной

    Здесь р₀ – давление газа при температуре 0⁰С, α – термический коэффициент давления.

Исследования проводятся на той же установке, с которой Вы исследовали изотермический процесс. Чтобы процесс изменения состояния газа был изохорным, надо зафиксировать поршень шприца и при проведении опытов следить, чтобы он не двигался. Менять температуру воздуха Вы можете, опуская шприц в воду различной температуры. Температура измеряется электронным термометром.

    Цель работы: проверить выполняется ли в исследуемом диапазоне давлений, объёмов и температур закон Шарля.