На основе набора по молекулярной физике и термодинамике предлагается описание лабораторных работ по изучению изотермического, изохорного и изобарного процесов над газами. Данные работы предназначены для учащихся 10-го класса.
I. ИЗУЧЕНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ГАЗЕ
Цель работы: экспериментально проверить закон Бойля – Мариотта путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.
Оборудование: трубка – резервуар с двумя кранами, манометрическая трубка, измерительная лента, спиртовой термометр, барометр-анероид.
Теоретическое обоснование
Закон Бойля – Мариотта определяет взаимосвязь давления и объема газа данной массы при постоянной температуре. Запись закона Бойля – Мариотта имеет вид: P1V1 = p2V2.
Вычтем из обеих частей этого равенства произведение p2V1 , получим
V1(p2 – p1) = p2(V1 – V2) или V Δp = p ΔV.
Порядок выполнения работы
1. Соберите экспериментальную установку.
2. Кончик манометрической трубки опустите в стакан с водой на глубину 1 см.
3. На другом конце трубки – резервуара закройте кран. Медленно надавите на трубку – резервуар в конце после крана, например ученической линейкой. Подсчитайте количество выделившихся пузырьков из манометрической трубки в воде N. Объем одного пузырька равен 4.7 * 10– 9м3 (ΔV = N*4,7*10– 3 м3).
4. Медленно уберите линейку. Оставшийся газ расширится, а давление уменьшится. Уменьшение давления можно определить по высоте столба воды в манометрической трубке h (Δp = ρж g h). Здесь ρж = 103кг/м3, g = 10 м/с2.
5. Измерьте высоту столба воды в манометрической трубке h.
6. Расчет производится по формуле V0 Δ p = p0 ΔV. Где p0 определяется по барометру, V0 объем трубки – резервуара (L = 2 м, D = 4*10– 3м, V0 = L πD2/4).
7. Опыт проводится при температуре окружающей среды T0.
Данные занесите в таблицу 1.
Таблица 1
| Т, oС | V0, м3 |
P0, Па |
Δp, Па |
ΔV, м3 |
P0 ΔV, Дж |
V0Δp, Дж |
|
|
|
|
|
|
|
8. Определите, на сколько процентов отличается значения в последних двух столбцах.
9. Сделать вывод.
II. ИЗУЧЕНИЕ ИЗОХОРНОГО ПРОЦЕССА В ГАЗЕ
Цель работы: экспериментально проверить закон Шарля путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.
Оборудование: трубка – резервуар с двумя кранами, манометрическая трубка, измерительная лента, спиртовой термометр, барометр-анероид.
Теоретическое обоснование
Закон Шарля p1/T1 = p2/T2 определяет взаимосвязь давления и объема газа данной массы при постоянном объеме (V = const). Чтобы убедится в справедливости закона Шарля необходимо знать термодинамические параметры в двух состояниях газа. Атмосферное давление p0 при температуре Т2 и p при температуре окружающей среды Т1.
Порядок выполнения работы
1. Укладываем трубку-резервуар виток к витку в калориметр, предварительно закрыв кран на нижнем конце трубки. Кран, который окажется сверху, должен оставаться открытым.
2. Нальем в калориметр воду, нагретую до температуры 55 – 60oС, до тех пор, пока верхний кран не окажется на глубине 5-10 мм.
3. Подождать, пока из открытого крана не перестанут выделяться пузырьки воздуха. Температура воздуха в трубке и температура воды сравняются. Измерить температуру воды Т2. Давление газа при этом будет равно атмосферному р0. С помощью барометра измерить это давление.
4. Закрыть краник и подсоединить манометрическую трубку.
5. Извлечь трубку-резервуар из калориметра. Конец трубки-манометра опустить в стакан с водой и открыть кран. По мере остывания воздуха в трубке-резервуаре в манометрическую трубку будет заходить вода.
6. Подождать, пока газ охладится до температуры окружающей среды и измерить высоту столба в манометрической трубке h. Давление газа в трубке-резервуаре определится по формуле р1 = (р0 – Δр), где Δр = ρжg h. Температуру перевести в шкалу по Кельвину T = 273 + toC.
Полученные данные занести в таблицу 2.
Таблица 2
| Т1, К | Т2, К | р0*10– 5,Па | h, м | Δр*10– 5Па | Р1*10– 5. Па | Р0/Т2 | Р1/Т1 |
7. Определите, на сколько процентов отличается значения в последних двух столбцах.
8. Сделать вывод.
III. ИЗУЧЕНИЕ ИЗОБАРНОГО ПРОЦЕССА В ГАЗЕ
Цель работы: экспериментально проверить закон Гей-Люссака путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.
Оборудование: трубка – резервуар с двумя кранами, манометрическая трубка, измерительная лента, спиртовой термометр, барометр-анероид.
Теоретическое обоснование
Закон Гей-Люссака определяет взаимосвязь объема и температуры газа данной массы при постоянном давлении (p = const), которая имеет вид V1/T1 = V2/T2. Чтобы проверить закон Гей-Люссака достаточно измерить объем и температуру газа в двух состояниях при постоянном давлении.
Порядок выполнения работы
1. Укладываем трубку-резервуар виток к витку в калориметр, предварительно закрыв кран на нижнем конце трубки. Кран, который окажется сверху, должен оставаться открытым.Нальем в калориметр воду, нагретую до температуры 55-60oС, до тех пор, пока верхний кран не окажется на глубине 5-10 мм.
2. Подождать, пока из открытого крана не перестанут выделяться пузырьки воздуха. Температура воздуха в трубке и температура воды сравняются. Измерить температуру воды Т1. Объем газа V1 равен объему всей трубки-резервуара V1 = Ls, где s – площадь сечения трубки-резервуара, L – длина трубки-резервуара (200 см).
3. Извлечь из калориметра трубку-резервуар, оставляя открытый конец трубки в воде, создать в ней мениск длиной не более 2 см. Этот мениск будет играть роль поршня.
По мере охлаждения газа поршень-мениск будет перемещаться в сторону уменьшения объема. Как только температура газа достигнет температуры окружающей среды Т2, мениск остановится.
4. Измерить длину l, которую прошел мениск до своего окончательного положения. Новый объем газа будет равен V2 = (L – l)s.
5. Найти отношения T1/L и T2/(L – l).
Полученные данные занести в таблицу 3
Таблица 3
Т1, К |
Т2, К | L, см | L, см | T1/L | T2/(L – l) |
6. Определите, на сколько процентов отличается значения в последних двух столбцах.
7. Сделать вывод.
Литература:
1. Учебное оборудование для кабинетов физики. Под ред. Г.Г.Никифорова. 3-е издание. – М.: Дрофа, 2008.