Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Проведите измерения, результат занесите в таблицу.
№ | t, 0C | р, Па |
… | ||
… |
Количество измерений – не менее 7.
Постройте график зависимости p(t), определите коэффициент α.
Лабораторная работа №2. Изучение изобарного процесса.
Закон Гей - Люссака. краткая историческая справка.
Следующим очевидным шагом в исследовании свойств газов было измерение расширения газа при нагревании. Но к тому времени подходящей температурной шкалы ещё не было. Физики того времени работали с приближённой температурной шкалой, при этом об изменении температуры следили по изменению объёма столбика ртути постоянной массы, находящегося в стеклянной трубке. Для построения однозначной температурной шкалы таким образом пришлось постулировать, что зависимость объёма (длины) столбика ртути от температуры является линейной.
В 1801 году Дальтон, по-видимому, впервые произвёл удовлетворительные измерения, используя ртутный термометр. Все исследователи до него для изоляции столбика воздуха от окружающей атмосферы применяли воду, их измерения давления были неточными из-за присутствия паров воды. Дальтон взял несколько газов (кислород, азот, водород и углекислый газ), тщательно осушил их и поместил в запаянные с одной стороны стеклянные трубки с делениями, заперев с других капелькой ртути. Трубки нагревались водой, пропускавшейся между ними и оболочкой, окружавшей их. Весьма удивлённый Дальтон обнаружил, что все газы ведут себя одинаково. Свои результаты дальтон сформулировал в весьма осторожной форме: «В общем я не вижу достаточной причины, мешающей нам заключить, что все «упругие» газы при одном и том же давлении одинаково расширяются при нагревании».
|
Гей-Люссак определял объём газа при различных значениях температуры в пределах от точки замерзания до точки кипения воды, вводя поправку на нагреваемую часть трубки. Он исследовал ряд газов и получил результаты для коэффициента расширения при атмосферном давлении, которые приведены в таблице 1.
|
Вид газа | Вид газа | ||
Воздух | 0,003671 | 0,003710 | |
Водород | 0,003661 | 0,003669 | |
Окись азота | 0,003720 | 0,003903 | |
Циан | 0,003877 |
Обобщив экспериментальные данные, Гей-Люссак установил, что с изменением температуры при постоянном давлении объем данной массы газа изменяется линейно.
V = V0(1 + αΔt).
Коэффициент пропорциональности α называется температурным коэффициентом объемного расширения. Среднее значение температурного коэффициента объёмного расширения равно , разброс – порядка 4%.
Впоследствии У. Томсон (1824-1907), который с 1892 г. стал лордом Кельвином, выдвинул предположение, что температура -273°С представляет собой абсолютный минимум температур, ниже которого невозможно опуститься. В настоящее время ученые пользуются абсолютной шкалой температур Кельвина, в которой 0 К = -273,15°С, а 0°С = 273,15 К.
Гей-Люссак распространил свои исследования на пары эфира, вставив в свой прибор две одинаковые трубки (одна с воздухом, вторая с парами эфира) и сравнивая их поведение, он не заметил заметной разницы.
Свои выводы Гей-Люссак сформулировал следующим образом:
- все газы и все пары одинаково расширяются при одном и том же повышении температуры;
- для постоянных газов (постоянными в те времена называли газы, которые в отличие от паров не переходили в жидкое состояние, позже, когда научились получать низкие температуры, их перестали считать несжижающимися) увеличение объёма каждого из них в пределах от температуры таяния льда до температуры кипения равно первоначального объёма.
В 1787 году те же результаты получил Шарль, но не опубликовал их. Гей-Люссак настоял, чтобы этот закон назывался в честь Шарля. Таким образом, в мире этот закон называют законом Шарля, хотя у нас этот закон называется законом Гей-Люссака, а законом Шарля мы описываем изохорное (при постоянном объёме) нагревание или охлаждение газа. Независимо от них закон был открыт в 1801 году английским физиком Джоном Дальтоном. Кроме того, качественно закон был описан французом Гийомом Амонтоном в конце XVII века. Но Гей-Люссак первым продемонстрировал, что закон справедлив не только для воздуха, но и для других газов и паров.
Нашей задачей является исследование изобарного процесса и проверка закона Гей-Люссака.
Приборы и оборудование:
Шприц с зафиксированным поршнем (поршень приклеен к корпусу шприца, двигаться не может), линейка, прозрачная трубка. Вода различной температуры, ёмкость для воды, электронный термометр. Опытную проверку закону Гей-Люссака мы можем провести следующим образом.
Оборудование и приборы: сосуд (шприц без иглы) с прикрепленной к нему трубочкой, внутри которой находится капелька воды, линейка, вода различной температуры, лёд, термометр.
Ход работы:
Установка имеет вид (либо а, либо б). Сосуд помещается в воду различной температуры. При изменении температуры объем воздуха, находящегося внутри сосуда, будет меняться.
ЗАДАНИЕ 1. Покажите, что процесс расширения (сжатия) газа внутри сосуда при его нагревании (охлаждении), как в случае а, так и в случае б является изобарным.
ЗАДАНИЕ 2.Определите объем сосуда и внутренний диаметр трубочки. Запишите формулу, по которой будет рассчитываться объем воздуха внутри сосуда.
ЗАДАНИЕ 3. Снимите зависимость объёма воздуха внутри сосуда от температуры. Заполните таблицу экспериментальных результатов. Важно – ожидаемая зависимость линейная. Вы, наверное, знаете, что прямую линию можно построить по двум точкам. Но это совсем не означает, что Вам нужно провести только два измерения. Минимальное количество точек – 7 – 10.
Заполните таблицу экспериментальных результатов.
V, м3 | ||||||||
t0С |
Постройте график этой зависимости.
ЗАДАНИЕ 4. Определите коэффициент α.
ЗАДАНИЕ 5. Определив α, рассчитайте температуру, при которой объем воздуха должен быть равным нулю.
ЗАДАНИЕ 6.Рассчитайте массу воздуха внутри сосуда и постройте график теоретической зависимости объема от температуры на том же графике, на котором вы строили экспериментальную зависимость.
ЗАДАНИЕ 7. На рисунках а и б представлены горизонтальное расположение трубки с капелькой воды и ее вертикальное расположение. Считая, что атмосферное давление одинаково, температуры равны, определите, отношение объемов воздуха в случае а и в случае б. Определив массу капельки воды, а также площадь поперечного сечения трубки, посчитайте отношением объёмов.
Лабораторная работа № 3 объединённый газовый закон
Запишем уравнение состояния идеального газа
Здесь m – масса газа, V – его объём, р – давление, Т – температура, М – молярная масса газа, R – универсальная газовая постоянная.
Поделим левую и правую часть уравнения на Т и получим
Если масса газа остается постоянной, то
Если мы для фиксированной массы газа будем контролируемо менять параметры, то есть газ из состояния (p1; V1; T1) мы переведем в состояние (p2; V2; T2), затем в (p3; V3; T3), …., затем в (pn; Vn; Tn), то можем записать
Записанное соотношение называется объединённым газовым законом.
Целью работы является поиск ответа на вопрос, можно ли пользоваться объединенным газовым законом для атмосферного воздуха в исследуемом диапазоне давлений, температур и объемом.
Для этого вам предлагается достаточно простая установка: шприц с надетой на него узкой трубкой, которая герметично соединена с U-образной широкой трубкой, в которой находится столб воды, линейка, ёмкость с горячей водой, электронный термометр.
При изменении объема шприца (например, при уменьшении, как показано стрелкой) давление воздуха, находящегося в шприце, тонкой трубке и части широкой трубки, примыкающей к тонкой будет увеличиваться, следовательно, уровень воды в нижнем колене U-образной трубки будет понижаться, а, следовательно, в правой будет расти. Обозначим V – объем воздуха, находящегося в шприце, тонкой трубке и части широкой трубки, примыкающей к тонкой, р – его давление, Т – температура. При передвижении поршня шприца, меняем объем воздуха, его давление, разность уровней Δh уровней воды в левом и правом коленах U-образной трубки, результаты записываем в таблицу.
Опустив шприц в горячую воду, снова проделываем те же опыты.
О том, как выровнять уровни воды в левой и правом коленах, чтобы привести установку в начальное состояние, спросите у преподавателя. ПОЖАЛУЙСТА, САМИ НИЧЕГО НЕ РАЗБИРАЙТЕ – МОЖЕТ НАРУШИТЬСЯ ГЕРМЕТИЧНОСТЬ. Установка придет в негодность. Результат за работу будет 0 баллов.
Для измерения объема воздуха Вам понадобится знание объема шприца. Объем воздуха, находящегося в шприце, Вы можете определить, просто считав показания измерительной шкалы шприца, не забыв перевести мл и кубические метры. Еще Вам понадобится знание объема тонкой трубки Vтон и объема широкой трубки Vшир , примыкающей к тонкой.
Для расчета давления Вам следует вспомнить, как работает водяной манометр. Если в U – образной трубке с жидкостью в левом и правом колене давления одинаковы, то одинаковы и уровни жидкости. Если же давление в левом колене больше, то уровень жидкости в левом колене будет ниже, чем в правом. У нас в левом колене давление равно давлению воздуха, поведение которого мы исследуем, давление в правом колене равно атмосферному, если разница уровней жидкости в левом и правом колене равна Δh, то давление воздуха равно
где ρ – плотность воды. Величину атмосферного давления узнайте у преподавателя.
Для измерения температуры вы будете использовать электронный термометр. У него есть длинный провод с металлический наконечником. Этот наконечник нужно поместить в то место, где Вы хотите измерить температуру. Вы опускаете наконечник в горячую воду, в которой находится шприц. Термометр в этом случае будет показывать температуру воды. Будем считать, что температура воды и воздуха внутри шприца одинаковы.
Задание 1:
Проделав нужное количество опытов (см.ниже), заполните таблицу и сделайте вывод.
Таблица экспериментальных результатов:
№ | V, м3 | Δh, мм | р, Па | T, К | |
… | |||||
… | |||||
… |
Количество опытов:
5-8 значений температур, для каждой температуры не менее 3-5 значений объемов В вашей таблице должно быть не менее 25 строк.
Задание 2:
Придумайте способ определения массы воздуха, который Вы исследуете, и определите её. Молярная масса воздуха 29 г/моль.
Дата публикования: 2023-10-24; Прочитано: 1811 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!