37895

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ И ПЛОТНОСТИ ГАЗА МЕТОДОМ ОТКАЧКИ

Лабораторная работа

Физика

10 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 124 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ И ПЛОТНОСТИ ГАЗА МЕТОДОМ ОТКАЧКИ 1. Цель работы Ознакомление с одним из методов определения молярной массы и плотности газа. Теоретическая часть Состояние некоторой массы газа определяется значениями трёх параметров: давлением P под которым находится газ его температурой T и объёмом V.1 представляет собой уравнение состояния данной массы газа.

Русский

2013-09-25

140 KB

89 чел.

Содержание

  1.  Цель работы……………………………………………………………4
  2.  Теоретическая часть…………………………………………………..4
  3.  Экспериментальная часть…………………………………………….7
    1.  Приборы и принадлежности………………………………………..7
    2.  Требования по технике безопасности………………………………8
    3.  Порядок выполнения работы……………………………………….8
    4.  Обработка результатов измерений…………………………………8
  4.  Требования к отчету…………………………………………………..9
  5.  Контрольные вопросы………………………………………………...9

Список литературы……………………………………………………..10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 124

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ И ПЛОТНОСТИ ГАЗА МЕТОДОМ ОТКАЧКИ

1. Цель работы

Ознакомление с одним из методов определения молярной массы и плотности газа.

2. Теоретическая часть

Состояние некоторой массы газа определяется значениями трёх параметров: давлением P, под которым находится газ, его температурой T и объёмом V. Эти параметры закономерно связаны друг с другом, так что изменение одного из них влечёт за собой изменение других. Указанная связь может быть задана аналитически в виде функции

.          (2.1)

Соотношение, дающее связь между параметрами какого-либо тела, называется уравнением состояния этого тела. Следовательно, (2.1) представляет собой уравнение состояния данной массы газа.

Если разрешить (2.1) относительно какого-либо из параметров, например P, уравнение состояния примет вид:

.         (2.2)

Это значит, что состояние газа определяется только двумя параметрами (например, давлением и объёмом, давлением и температурой или, наконец, объёмом и температурой), третий параметр однозначно определяется двумя другими. Если уравнение состояния известно в явном виде, то любой параметр можно вычислить, зная два других.

При не очень высоких давлениях, но достаточно высоких температурах газ можно считать идеальным. Под идеальным газом подразумевают такой газ, в котором можно пренебречь взаимодействием между молекулами, а  молекулы принять за материальные точки. Состояние такого газа описывается уравнением Менделеева – Клайперона:

,           (2.3)

где Р – давление газа, V – объём газа, m – масса газа, μ – молярная масса газа, R = 8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура газа.

Молярной массой называется масса одного моля вещества. В единицах СИ эта величина измеряется в килограммах на моль. Молем какого-либо вещества называется количество этого вещества, содержащее столько же структурных элементов (молекул, атомов, и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12C. Молярную массу газа можно определить из уравнения газового состояния.

Из уравнения (2.3) можно получить формулу молярной массы газа:

    .           (2.4)

Если измерение давления Р, объёма V, температуры Т газа, т.е. параметров газа, входящих в формулу (2.4) не вызывает особенных трудностей, то определение массы газа выполнить практически невозможно, так как взвешивание газа возможно только вместе с сосудом , в котором он находится. Поэтому для определения μ необходимо исключить массу сосуда. Это можно сделать, рассмотрев уравнение состояния двух масс m1 и m2 одного и того же газа при неизменных температуре Т и объёме V.

Пусть в колбе объёмом V находится газ массой m1 при давлении P1 и температуре Т. Уравнение состояния (2.3) для этого газа имеет вид:

    .          (2.5)

Откачаем часть газа из колбы, не изменяя его температуры. После откачки масса газа, что оставалась в колбе, и его давление уменьшились. Обозначим их соответственно m2 и P2  и снова запишем уравнение состояния:

   .          (2.6)

Из уравнений (2.5) и (2.6) получим:

  .                  (2.7)

Полученная формула (2.7) даёт возможность определить μ, если известны температура, объём, изменение массы газа (но не сама масса), а также изменение давления.

В данной лабораторной работе исследуемым газом является воздух, который представляет собой смесь азота, кислорода, аргона и других газов.

Формула (2.7) пригодна и для определения μ смеси газов. Найденное в этом случае значение μ представляет собой некоторую среднюю или эффективную молярную массу смеси газов. Молярная масса смеси газов может быть рассчитана и теоретически.

Пусть в сосуде объёмом V имеется находящаяся в состоянии теплового равновесия смесь различных газов, не реагирующих химически друг с другом. Для такой смеси уравнение состояния имеет вид:

     ,                  (2.8)

где μс – молярная масса смеси газов.

С другой стороны, согласно закону Дальтона давление смеси газов равно сумме парциальных давлений её компонентов

,         (2.9)

где – парциальное давление  i = 1,2,3…n – компоненты смеси газов.

Из уравнений (2.8) и (2.9) получим:

,              (2.10)

где , , . . .  – относительное содержание каждой компоненты смеси газов.

Если известна молярная масса газа, то можно легко определить ещё одну важную характеристику газа – его плотность ρ. Плотность газа – это масса единицы объёма газа:

.         (2.11)

Определив  из уравнения Менделеева – Клайперона, получим

.         (2.12)

Плотность смеси газов можно вычислить по формуле (2.12), подразумевая под μ эффективную молярную массу смеси.

3. Экспериментальная часть

3.1. Приборы и принадлежности

Для определения молярной массы воздуха предназначена установка ФПТ 1– 12, общий вид которой показана на рисунке 1.

Рабочим элементом установки является стеклянная колба 4, соединённая со стрелочным вакуумметром 6, показания которого «Р» есть разность между атмосферным давлением в лаборатории P0 и давлением в колбе PК.

Рис. 1   Общий   вид   экспериментальной   установки  ФПТ  112:

1 блок измерительный; 2 – блок приборный; 3 – весы; 4 – колба;

5 – стойка; 6 – вакуумметр; 7 – кран.

Колба имеет отросток с краном 7, который с помощью резиновой трубки соединяется с входным патрубком измерительного блока 1, а  тот в свою очередь – с компрессором 5. Колба установлена на тарелке электронных весов 3. Значение объёма V колбы указано на рабочем месте.

3.2. Требования по технике безопасности

  1.  Перед началом выполнения лабораторной работы, внимательно ознакомьтесь с описанием экспериментальной установки.
  2.  Все электрические приборы, используемые, в экспериментальной установке должны быть обязательно заземлены.
  3.  Запрещается класть какие-либо посторонние предметы на приборы экспериментальной установки.
  4.  Запрещается прикасаться к оголённым участкам электрооборудования, предварительно их не обесточив. При обнаружении таковых – обратиться к преподавателю.
  5.  По окончании работы обесточьте приборы, приведите в порядок рабочее место.

3.3. Порядок выполнения работы

  1.  Подать напряжение питания на электронные весы, включив установку тумблером «Сеть».
  2.  С помощью электронных весов определить массу колбы с воздухом (m0 + m1) при давлении P1.
  3.  Включив компрессор тумблером «Пуск» и, открыв кран, откачать воздух из колбы. Определить массу колбы с воздухом (m0 + m2) при давлении P2. Полученные результаты занести в таблицу.
  4.  Повторить измерения согласно пунктам 2 – 3 не менее 3 раз.
  5.  Измерить температуру воздуха в лаборатории.
  6.  Выключить установку тумблером «Сеть».

Таблица

№ изме- рения

m0+m1,кг

m0+m2,кг

m1m2, кг

P1,Па

P2,Па

P1P2, Па

Т

µ,

кг/моль

ρ, кг/м3

3.4. Обработка результатов измерений

  1.  Для каждого проведённого измерения определить массу откачанного воздуха (m1m2) и разность (Р1 – Р2)
  2.  По формуле (2.7) вычислить для каждого измерения значение молярной массы воздуха μ. Найти среднее значение <μ>.
  3.  По формуле (2.12) вычислить для каждого измерения плотность воздуха, используя найденное значение молярной массы μ.
  4.  Вычислить абсолютную и относительную погрешности измерений μ и ρ.
  5.  Сравнить полученные данные молярной массы и плотности воздуха с табличными данными справочной литературы.

4. Требования отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

  1.  номер, название лабораторной работы и цель работы;
  2.  приборы и принадлежности для выполнения работы;
  3.  блок–схему установки и основные расчётные формулы;
  4.  результаты измерений и вычислений в форме таблицы,   формулы и вычисления погрешностей измерений;
  5.  выводы по результатам работы.

5. Контрольные вопросы

  1.  Что такое молярная масса вещества, и в каких единицах она измеряется?
  2.  Запишите и объясните уравнение Менделеева – Клайперона. В каких случаях его можно использовать для практических вычислений?
  3.  Выполняется ли универсальный газовый закон для идеального газа, количество которого не сохраняется?
  4.  При каких условиях газ можно считать идеальным?
  5.  Как теоретически рассчитать молярную массу смеси газов?
  6.  Что такое плотность газа и как её можно определить экспериментально?
  7.  Выведите расчётную формулу для определения молярной массы, которая используется в данной работе.
  8.  Почему молярную массу газа нельзя определить непосредственно, используя уравнение Менделеева – Клайперона?
  9.  В чём заключается метод откачки для определения молярной массы газа?
  10.  Какие основные источники погрешностей измерений в лабораторной работе?

Список литературы

  1.  Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т.1:Механика. Молекулярная физика. – М.: Наука, Гл.ред.физ.-мат.лит.,1989, С.209–217.
  2.  Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. – М.: Наука, 1976, С.24–39.
  3.  Сивухин Д.В. Курс общей физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. T.2. 4-е изд., стереот. – М.: Физматлит., Изд-во МФТИ, 2002, С.33–39.

PAGE  7

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74423. СТРОЕНИЕ СТЕБЛЯ ОДНОДОЛЬНЫХ 38.5 KB
  У большинства однодольных система листовых следов определяет основные черты анатомического строения стеблей в гораздо большей мере нежели у голосеменных и двудольных что отчасти объясняется отсутствием вторичного прироста. Из основания каждого листа у однодольных в стебель входит значительное число закрытых проводящих пучков коллатерального строения. Таким образом все сосудистые пучки однодольных представляют собой листовые следы.
74424. Осевой цилиндр корня 39 KB
  В осевом цилиндре корня можно различать сложный радиальный проводящий пучок и паренхиму ткань периферическая часть которой в виде кольца клеток называется перициклом рис. Эти клетки удлиняются в радиальном направлении делятся тангентальными перегородками и образуют корнеродную дугу со слоями клеток функционирующими по тому же типу как в кончике корня. Заложение боковых корешков происходит весьма близко к конусу нарастания образующего их корня выход же их наружу на значительном расстоянии.
74425. Строение типичного зеленого листа 58 KB
  В пластинке листа уже с помощью лупы можно различить 4 группы тканей: 1 покровную кожицу или эпидермис; 2 основную питательную мезофилл1; 3 проводящую сосудистоволокнистые пучки жилки; 4 механическую придающую листу жесткость определяющую положение листа в пространстве. Эпидермис стебля переходит на черешок и пластинку листа. Местами преимущественно на нижней стороне листа в эпидермисе находятся устьица.
74426. Флоэма 39 KB
  При изучении формирования члеников ситовидной трубки можно видеть что сначала членик представляет живую тонкостенную клетку с протоплазмой ядром лейкопластами и центральной вакуолей через полость которой проходят тяжи протоплазмы. Клетка членик ситовидной трубки растет; замыкающие пленки пор при этом растягиваются утоньшаются; в них образуются мелкие перфорации; в остальной части клеточная оболочка значительно утолщается под микроскопом она сильно блестит. Денатурация протоплазмы обнаруживается тем что членики трубки уже не...
74427. Бесполое и половое размножение хвощей 29 KB
  Благодаря этим лентам споры обычно сцепляются в рыхлые комочки разносимые ветром из вскрывшихся спорангиев и заростки развивающиеся из спор бывают скучены группами. Раньше заростки хвощей считали раздельнополыми: одни более мелкие только с антеридиями другие более крупные только с архегониями. Однако в недавнее время у некоторых видов были обнаружены и обоеполые заростки. Возможно что они потенциально обоеполы у многих видов и что кажущаяся их однополость объясняется неодновременностью развития архегониев и антеридиев архегонии...
74428. ЧЕРЕДОВАНИЕ ПОЛОВОГО И БЕСПОЛОГО ПОКОЛЕНИЙ И СМЕНА ЯДЕРНЫХ ФАЗ 37.5 KB
  У большинства же зигота немедленно начинает делиться и образует новое растение или зародыш его; последний у семенных растений временно задерживается в дальнейшем развитии. У большинства оно способно размножаться вегетативно; кроме того у очень многих растений на нем или в нем образуются бесполым путем специальные клетки служащие для размножения носящие нередко различные названия и объединяемые под общим наименованием спор бесполого размножения. Каждый вид растений характеризуется определенным диплоидным и вдвое меньшим гаплоидным числом...
74429. Эпиблема (волосконосный слой) 31 KB
  На расстоянии 0110 мм обычно на расстоянии 123 мм от крайней точки корня клетки эпиблемы начинают образовывать корневые волоски. Корневые волоски многих травянистых растений длиннее чем у большинства древесных пород. При свободном росте при развитии корней в воде или во влажном воздухе волоски имеют форму цилиндра или конуса с закруглением на конце. Корневые волоски играют и механическую роль давая опору верхушке корня пробивающейся при росте между частицами почвы и способствуя заякориванию корневой системы в земле.
74430. Бесполое и половое размножение равноспоровых папоротников 31.5 KB
  Стенка спорангиев однослойная; содержимое их археспорий образует после редукционного деления клеточных ядер многочисленные темные споры служащие для бесполого размножения папоротников. Раскрывание созревших и начинающих подсыхать спорангиев происходит у громадного большинства папоротников при содействии группы клеток его стенок расположенных у многих кольцом и имеющих частичные утолщения...
74431. Бесполое и половое размножение разноспоровых, или водяных, папоротников 31.5 KB
  У некоторых разноспоровых папоротников а также других представителей высших споровых растений селагинелл изоэтеса произошла еще большая редукция мужских и женских заростков а также потеря и женским гаметофитом способности к фотосинтезу. У селагинелл близких к плаунам мега и микроспорофиллы собраны в колоски; мегаспоры прорастают в мегаспорангиях еще на материнском растении; у некоторых видов микроспоры переносятся на мегаспорофиллы и мегаспорангии где происходит оплодотворение начинается развитие зародыша и мегаспорангии отпадает...