32783

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ

Лабораторная работа

Физика

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ На базе экспериментальных законов БойляМариотта ГейЛюссака Шарля Клапейрон установил что для разреженных газов выполняется соотношение 1 где P – давление газа Па V – объем газа м3 T – абсолютная температура К C – газовая постоянная зависящая от массы газа.=1013105 Па и T=273 К один моль любого газа занимает один и тот же объем равный =224 литра=224102 м3 поэтому для одного моля газа из соотношения 1 получаем: или 2 где величина R=831 одинакова для всех...

Русский

2013-09-05

532 KB

53 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

СЕВМАШВТУЗ

ФАКУЛЬТЕТ: IV

КАФЕДРА: ФИЗИКИ

Лабораторная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ

СЕВЕРОДВИНСК

2001
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ
  1.  ЦЕЛЬ И МЕТОД РАБОТЫ
Определить численное значение универсальной газовой постоянной методом термостатирования.
  1.  ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

На базе экспериментальных законов Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, Клапейрон установил, что для разреженных газов выполняется соотношение

,     (1)

где P – давление газа (Па), V – объем газа (м3), T – абсолютная температура (К), C – газовая постоянная, зависящая от массы газа.

Соотношение (1) называют уравнением Клапейрона. Известно, что при нормальных условиях, т.е. при P=1 атм.=1,013105 Па и T=273 К один моль любого газа занимает один и тот же объем, равный
=22,4 литра=2,24
10-2 м3, поэтому для одного моля газа из соотношения (1) получаем:
,
или ,
,     (2)
где величина R=8,31  одинакова для всех газов и называется молярной газовой постоянной или универсальной газовой постоянной.
Для произвольной массы m газа его объем V можно записать в виде:
,
откуда     ,     (3) где  - масса одного моля газа (кг/моль);  - объем одного моля газа
Подставляя соотношение (3) в (2) получим:
     (4)
Уравнение (4) называется уравнением Клапейрона-Менделеева. Оно справедливо для реальных газов при давлениях, существенно не превосходящих атмосферное, и для так называемых идеальных газов. Идеальным газом называется газ, между молекулами которого отсутствуют силы взаимного притяжения и отталкивания, а сами молекулы имеют пренебрежимо малый объем. Идеальный газ определяется требованием подчинения законам Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля.
Состояние газа или системы характеризуется параметрами состояния, т.е. значениями P, V и T. Если параметры состояния не изменяются бесконечно долгое время, то состояние называется равновесным. Переход газа (или системы) из одного равновесного состояния с параметрами P1 , V1 и T1 в другое равновесное состояние с параметрами P2 , V2 и T2 называется процессом. Если процесс состоит из последовательности равновесных промежуточных состояний, то процесс называется равновесным.
Процесс, происходящий при постоянном давлении P=const, называется изобарическим.
Процесс, происходящий при постоянной температуре T=const, называется изотермическим.
Процесс, происходящий при постоянном объеме V=const, называется изохорическим.
Рассмотрим изобарический процесс расширения газа из состояния P1, V1 и T1 в состояние P2 , V2 и T2 (рис.1). Представим себе газ, заключенный в цилиндр с поршнем, движением которого изменяется объем газа. Будем считать, что движение поршня происходит без трения. Площадь поршня равна S. Сила F, создаваемая давлением P1 газа на поршень площади S, равна   и, следовательно, работа, совершаемая газом при перемещении поршня на величину dh, равна , где  - изменение объема газа.
Условились считать, что работа, произведенная газом при увеличении его объема, имеет положительный знак, а работа произведенная внешними силами над газом, имеет отрицательный знак.
Работа изобарического расширения газа из состояния P1, V1, T1 в состояние P2 , V2 , T2 определяется интегралом
.   (5)

Так как при расширении газа объем увеличивается, то для сохранения постоянства давления к газу необходимо подводить теплоту Q.

Объем газа V1 в начальном состоянии согласно уравнения (4), равен
Рис. 1 Изобарический процесс расширения газа в координатах PV.
,                        (6)
а объем газа V2 в конечном состоянии будет равен
.      (7)
Из уравнений (6) и (7) получаем
.   (8)
Подставив выражение (8) в уравнение (5) будем иметь:
.   (9)
Если масса газа m равна массе одного моля газа m, а в процессе изобарического расширения температура газа увеличилась на 1К, т.е.=1К, то из уравнения (9) мы получим
     (10)
Таким образом, универсальная газовая постоянная R численно равна работе, совершаемой одним молем идеального газа при изобарическом расширении вследствие нагревания на один Кельвин.

3. ВЫВОД РАБОЧЕЙ ФОРМУЛЫ

В результат проведения лабораторной работы известны:
  1.  Объем воздуха в сосуде V.
  2.  Атмосферное давление P.
  3.  Плотность воздуха в сосуде r.
  4.  Изменение объема DV воздуха в сосуде в результате изменения температуры воздуха на величину DT при P=const.
Рассчитать универсальную газовую постоянную.
При расширении воздуха в условиях P=const, работа, совершаемая воздухом равна
,     (11)
где - изменение объема воздуха при расширении.
Приравнивая правые и левые части уравнений (9) и (11), получим
     ,    (12)
где - изменение температуры воздуха в сосуде; m - масса воздуха в сосуде.
Изменение объема воздуха можно определить по изменению уровня жидкости в левом колене манометра (см. рис. 2), вызванное расширением воздуха при его нагреве:
,     (13)
где S – площадь поперечного сечения трубки манометра;
- изменение уровня жидкости в левом колене манометра, взятое по шкале в мм.
Массу m воздуха в сосуде можно определить по плотности r воздуха, взятой из таблиц в зависимости от температуры и давления при начальных условиях опыта, т.е.
     .     (14)
С учетом (13) и (14) из уравнения (12) получим
    - рабочая формула.
Величина  для воздуха равна 29 10-3 .
ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ
В данной лабораторной работе требуется определить численное значение универсальной газовой постоянной с помощью установки, принципиальная схема которой представлена на рис.2.

                    Рис. 2  Принципиальная схема установки
Опытная установка включает в себя термостат Т, манометр М, сосуд с воздухом В. Сосуд с воздухом вмонтирован в термостат, залитый водой, и соединен герметично резиновой трубкой с манометром. С помощью крана К1 сосуд с воздухом может быть соединен с атмосферой. Термостат имеет нагреватель Н, включаемый тумблерами «Нагрев 1500 Вт» и «Нагрев 700 Вт», и холодильник Х, через который пропускается проточная холодная вода. С помощью крана К2 можно включать или отключать проточную воду. Для перемешивания воды в термостате имеется мешалка ММ, приводимая в действие электродвигателем, установленным на термостате. Включение электродвигателя производится тумблером «электродвигатель». Холодильник предназначен для создания необходимой температуры воздуха в начале опыта. В процессе нагрева сосуда с воздухом нагреватель должен быть включен, а холодильник отключен (кран К2 закрыт). Мешалка позволяет выравнивать температуру воды по всему объему термостата и в процессе проведения опыта должна быть включена. Температура воды в термостате измеряется термометром Т1, а температура воздуха в сосуде термометром Т2. При нагревании воды в термостате через стенки сосуда В нагревается воздух, который, расширяясь, понижает уровень жидкости в левом колене манометра на Dh (см. рис. 2). В результате этого давление внутри сосуда будет больше атмосферного на некоторую величину DP, определяемую разностью уровней жидкости (воды) в манометре. Однако, если разность уровней жидкости в манометре не превосходит 10 см, то это составит не более 1% от атмосферного давления P. Поэтому можно считать, что в процессе проведения опыта давление воздуха в сосуде постоянное и равно атмосферному давлению, которое определяется по барометру в лаборатории.
  1.  ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
  2.  По барометру определить давление P окружающей среды, записать его в Па.
  3.  Тумблеры «нагрев» термостата поставить в положение «выключено». Подключить термостат в сеть 220 В.
  4.  Краном К1 сосуд с воздухом соединить с атмосферой, при этом разность уровней жидкости в манометре должна быть равна нулю.
  5.  Включить электродвигатель механической мешалки.
  6.  Зафиксировать по термометру Т1 температуру воды в термостате, а по термометру Т2 температуру воздуха в сосуде. Если температура воздуха в термостате не равна температуре воды в термостате, то подождать, пока они не станут равными.
  7.  При достижении равновесного состояния воздуха в сосуде (температура воздуха в сосуде по термометру Т2 и температура воды в термостате по термометру Т1 станут равными, а показания термометров перестанут изменяться) закрыть кран К1 и включить нагреватель термостата тумблерами “Нагрев 1500 Вт” и  “Нагрев 700 Вт”
  8.  Нагреть воду в термостате по термометру Т1 на  и выключить нагреватель термостата.
  9.  Наблюдая за изменением уровня жидкости в левом колене манометра и изменением температуры воздуха в сосуде по термометру Т2 дождаться равновесного состояния воздуха в сосуде, в котором температура воздуха по термометру Т2 и температура воды в термостате станут равными. В равновесном состоянии записать изменение температуры  воздуха в сосуде по термометру Т2 и изменение уровня  жидкости в левом колене манометра.
  10.  Открыть кран К1 и выровнять уровни жидкости в манометре.
  11.  Закрыть кран К1 и аналогично провести еще 4 раза измерения  и .
  12.  Открыть кран К2 и охладить воду в термостате до начальной температуры.
  13.  Закрыть кран К2.
  14.  Выключить установку.
  15.  ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА
  16.  По рабочей формуле рассчитать универсальную газовую постоянную для каждой пары значений  и .
  17.  Рассчитать среднее значение универсальной газовой постоянной  
  18.  Рассчитать среднюю абсолютную погрешность , где  , , ,
   , .
  1.  Записать значение  в виде .
  2.  Сравнить значение  с табличным и сделать вывод о соответствии опытного и табличного значений.
7.  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
  1.  Параметры состояния газа и единицы их измерения.
  2.  Дать определение идеального газа.
  3.  Написать уравнение состояния идеального газа.
  4.  Дать определение молярной массы газа.
  5.  Раскрыть физический смысл универсальной газовой постоянной.
  6.  Дать определение термодинамического процесса. Работа газа при изопроцессах.
  7.  Вывести рабочую формулу.
  8.  Объяснить работу установки и порядок проведения работы.
ЛИТЕРАТУРА
  1.  Савельев И. В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1982. Т 1
  2.  Зисман Г. Д., Тодес О. М. Курс общей физики.-  М.: Наука, 1972. . Т.1
  3.  Яворский Е. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1980.
ПРАВИЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ.
  1.  Во время лабораторной работы запрещается касаться оголенных токоведущих частей схемы, отходить от приборов и установок, находящихся под напряжением, заниматься посторонними делами.
  2.  Убедиться, что все шланги, по которым течет проточная вода, надёжно закреплены и обеспечен сток воды в раковину.
  3.  В случае прекращения подачи электроэнергии необходимо отключить все источники питания на рабочем месте.
  4.  После работы убрать свое рабочее место, выключить установку.
Описание откорректировал ст. преподаватель
Шерстобитов И.В._____________
Зав. кафедрой доцент Горин С.В.______________
Декабрь 2001 г.


EMBED PBrush  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33025. Основные подходы к изучению общества 18.61 KB
  Основные подходы к изучению общества Основные подходы к изучению общества. В процессе развития научных знаний сложилось несколько основных подходов к исследованию и объяснению общества. Этот подход проявляется также в понимании общества как особого живого организма.Культурноисторический подход к изучению общества характерен для конца XIX начала XX в.
33026. Общество как система. Характеристики общества как системы 33.31 KB
  Пушкарева отмечает что общество представляет собой универсальный способ социальной организации социального взаимодействия и социальных связей обеспечивающий удовлетворение всех основных потребно^ стей людей самодостаточный саморегулирующийся и самовоспроизводящийся Во всех этих определениях есть рационально зерно так как общество действительно состоит из активно действующих субъектов связанных между собой достаточно устойчивыми отношениями. Причем эти части и элементы не изолированы друг от друга не обособлены а напротив тесно...
33027. Социальная структура. Социальные слои 39.64 KB
  Основными элементами социальной структуры общества являются индивиды занимающие определенные позиции статусы и выполняющие определенные социальные функции роли объединения этих индивидов на основе их статусных признаков в группы социальнотерриториальные этнические и иные общности. Социальная структура выражает объективное деление общества на общности классы слои группы и т. В зависимости от того какой элемент выделяется в качестве главного структура общества может быть представлена как групповая классовая общностная и т. Таким...
33028. Материальное производство и его структура 17.05 KB
  Теория материального производства разработана марксизмом.Главной особенностью материального производства которая служит его показательным отличием от любого другого вида производства различные виды производства духовных продуктов и нематериальных благ является наличие в процессах материального производства обязательного взаимодействия человека с природой.Таким образом в процессе материального производства человек воздействует на природу с помощью какихлибо средств труда. Сырье – природный материал который в процессе производства...
33029. Муниципальные финансы: понятие, структура. Роль муниципальных финансов в решении социальных задач территорий 38.5 KB
  Муниципальные или местные финансы совокупность социальноэкономических отношений возникающих по поводу формирования распределения и использования финансовых ресурсов для решения задач местного значения. Эти отношения складываются между органами местного самоуправления и населением живущим на территории данного муниципального образования а также хозяйствующими субъектами. Муниципальный бюджет это бюджет соответствующего муниципального образования формирование утверждение и исполнение которого осуществляют органы местного...
33030. Формы и методы воздействия государственных и муниципальных финансов на развитие экономики и социальной сферы 33.5 KB
  Формы и методы воздействия государственных и муниципальных финансов на развитие экономики и социальной сферы. ГМФ путем соответствующего направления средств на: структурную перестройку экономики; ускорение НТП; повышение эффективности производства; рост жизненного уровня народа.секторов экономики наиболее развитых программ развития производства и общественного сектора организаций и учреждений бюджетной сферы и т. Их функционирование направлено на достижение общих целей развития социально ориентированной...
33031. Государственный кредит: понятие, субъекты, формы, функции 35 KB
  Государственный кредит: понятие субъекты формы функции В целях бесперебойного финансирования многообразных потребностей общества государство может привлекать к покрытию своих расходов свободные финансовые ресурсы хозяйствующих субъектов и средства населения. Главным способом их получения является государственный кредит. Государственный кредит это совокупность финансовых отношений между государством в лице его органов власти и управления с одной стороны и физическими и юридическими лицами с другой при которых государство выступает в...
33032. Государственные займы: понятие, классификация 49.5 KB
  Государственные займы: понятие классификация ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЗАЙМЫ форма получения кредита государством при которой государство получает взаймы денежные средства но становится должником. Государственные займы можно классифицировать по ряду признаков: по субъектам заемных отношений – займы размещаемые центральным и территориальными органами власти; по обращению на рынке – рыночные которые свободно покупаются и продаются и нерыночные которые не могут менять своих владельцев; по валюте заимствований внутренние и внешние;...
33033. Государственный долг: понятие, формы государственного долга, основания возникновения, методы управления. Государственный долг РФ 34.5 KB
  Государственный долг: понятие формы государственного долга основания возникновения методы управления. Формы государственного долга В соответствии с законодательством РФ в состав государственного долга включаются: кредитные соглашения и договоры заключенные от имени РФ как заемщика с кредитными организациями иностранными государствами и международными финансовыми организациями; государственные займы осуществляемые путем выпуска ценных бумаг от имени Российской Федерации; договоры и соглашения о получении РФ бюджетных ссуд и...