Задание 6.. Лабораторная работа №2. Изучение изобарного процесса.

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».

рис.1

    Гей-Люссак (1778-1850) сформулировал тот же вывод более определённо и притом в количественной форме. Прибор, сконструированный Гей-Люссаком, приведён на рис.1. Тщательно осушенный газ содержится в баллончике А, в трубке находится капля ртути, запирающая газ. Трубка расположена горизонтально, поэтому изменения давления при расширении не происходит. Температура отсчитывалась по двум термометрам. 

    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.

Таб.1 Таблица результатов Гей-Люссака для расширения газов при атмосферном давлении

 

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 (p_n; V_n; T_n), 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 V_тон и объема широкой трубки V_шир , 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.