42288

Уравнение состояния идеального газа

Лабораторная работа

Физика

Оборудование: Установка включающая в себя газовый шприц в стеклянном корпусе нагреватель датчик давления датчик температуры блок управления Cobr3 компьютер. Чтобы показать это раскроем физический смысл давления газа и температуры. Существует два определения температуры: одно использует термодинамический подход другое молекулярнокинетический. В термодинамике понятие температуры вводится как характеристика степени нагретости вещества.

Русский

2013-10-28

2.55 MB

6 чел.

Лабораторная работа № 26

Уравнение состояния идеального газа

Цель работы:

Экспериментальное изучение законов идеального газа на примере воздуха. Исследование изотермического, изохорного и изобарного процессов.

Оборудование:

Установка, включающая в себя газовый шприц в стеклянном корпусе, нагреватель, датчик давления, датчик температуры, блок управления Cobra-3, компьютер.

Продолжительность работы – 4 часа.

Теоретическая часть

Согласно современным молекулярно-кинетическим представлениям любое вещество состоит из малых частиц – молекул. Молекулы взаимодействуют друг с другом посредством молекулярных сил. На далёких расстояниях это силы притяжения, на близких – силы отталкивания. Молекулы находятся в постоянном движении. Если вещество находится в покое, не взаимодействует с другим веществом, то в результате столкновений установится хаотическое движение, не имеющее какого-либо преимущественного направления. Хаотическое движение молекул называется тепловым движением, его интенсивность связана с температурой вещества. О тепловом движении можно говорит только в том случае, если рассматриваемое вещество – это система очень большого числа молекул. Такая система называется макроскопической.

Макроскопическая система может находиться в различных термодинамических состояниях. Эти состояния характеризуются параметрами, которые могут быть получены в результате измерений. К термодинамическим параметрам относятся объём , давление , температура , количество вещества  и др. В равновесном состоянии термодинамические параметры имеют определённое и постоянное значение в любой части системы1. Состояние, в котором хотя бы один из параметров не имеет определённого значения, является неравновесным.

Одним из важных термодинамических параметров является количество вещества . Единицей измерения количества вещества является моль. Моль – это количество вещества, в котором содержится число частиц равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода 12С. Опытным путём установлено, что число частиц в моле вещества равно

моль-1.

Постоянная  называется постоянной Авогадро. Если  – масса вещества,  – число молекул,  – молярная масса (масса одного моля), то количество молей  равно

.

Если вещество – газ, находящийся в условиях, близких к нормальным2, то средние расстояния между молекулами велики по сравнению с их характерным размером. На таких расстояниях молекулярные силы слабы и не играют существенной роли. Они проявляются лишь на расстояниях порядка размера молекулы, при их столкновении. Под действием этих сил скорости молекул меняются как по модулю, так и по направлению. Между двумя последовательными столкновениями молекулы газа двигаются практически свободно. Чем более разрежен газ, тем длиннее средний путь, проходимый молекулой между столкновениями. Столкновения будут настолько редки, что большую часть времени молекулы будут двигаться свободно. Для достаточно разреженного газа в первом приближении можно пренебречь размерами молекул и их взаимодействием друг с другом. Такая простейшая модель приводит к законам идеального газа3. Чтобы показать это, раскроем физический смысл давления газа и температуры.

Пусть газ заключён в закрытый сосуд. Давление газа на стенку сосуда обусловлено большим количеством ударов его молекул. В результате удара каждой молекулы стенка получает импульс, который можно определить исходя из закона сохранения импульса. Средняя скорость изменения импульса стенки сосуда есть средняя сила, действующая на стенку со стороны молекул газа. Если бы в сосуде было всего несколько молекул, то стенка испытывала отдельные бесконечно малые толчки. В этом случае нельзя говорить ни о какой регулярной силе давления. При очень большом числе молекул бесконечно малые силы отдельных ударов складываются в конечную, почти постоянную силу. Эта сила, усреднённая по времени и есть давление газа. В молекулярно-кинетической теории выводится следующее уравнение для давления идеального газа:

,     ()

где  – концентрация молекул, , ,  – импульс, скорость и масса одной молекулы, угловые скобки – это обозначение усреднения по совокупности всех молекул. При выводе уравнения  молекулы рассматриваются как бесструктурные материальные точки. В действительности при столкновении молекулы могут переходить в возбуждённое состояние, могут меняться скорости их вращения. Однако эти процессы не играют роли при вычислении давления газа. Существенно только изменение импульса молекулы. В уравнении  под  надо понимать скорость поступательного движения центра масс молекулы. Так, уравнению  можно придать вид

,     ()

где  – средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы. Уравнение  называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории.

Остановимся теперь на температуре. Температура – это одна из макроскопических характеристик внутреннего состояния макроскопической системы. Она не имеет смысла для систем, состоящих из небольшого числа молекул. Существует два определения температуры: одно использует термодинамический подход, другое молекулярно-кинетический. В термодинамике понятие температуры вводится, как характеристика степени нагретости вещества. Строгое определение понятия «более (менее) нагретое» вещество использует понятие энергии. Если при установлении теплового контакта между двумя макроскопическими системами одна из них передаёт энергию другой, то передающая система имеет большую температуру. Когда обмен энергией прекращается, это означает, что обе системы имеют одинаковую степень нагретости, то есть имеют одинаковую температуру. Говорят, что они находятся в тепловом равновесии.

Для определения температуры количественно, необходимо установить температурную шкалу, то есть принять некоторую систему правил, с помощью которых температура характеризуется определённым числом. Измерение температуры можно производить только косвенным путём, основываясь на физических свойствах веществ, которые зависят от температуры. Вещество, выбранное для измерения температуры, называется термометрическим телом. Физическая величина, служащая индикатором температуры, называется термометрической величиной. В качестве значения температуры можно выбрать любую монотонную функцию термометрической величины. Шкала температуры, устанавливаемая с помощью какого-либо термометрического тела, называется эмпирической.

Основной недостаток эмпирических шкал состоит в их зависимости от специфических особенностей конкретных термометрических веществ. В термодинамике на основании теоремы Карно дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества4. Эта температура называется термодинамической. Она по определению всегда положительна, и отчитывается от абсолютного нуля температуры. Температура, которая отчитывается от абсолютного нуля, называется абсолютной температурой. Абсолютная термодинамическая температура обозначается , за единицу её измерения в СИ принят кельвин (К).

При молекулярно-кинетическом подходе к определению температуры доказывается, что в равновесном состоянии нескольких макросистем, находящихся в тепловом контакте, средняя кинетическая энергия  всех молекул одинакова. Таким образом, величина  является мерой температуры. Следовательно, и любую монотонную функцию, зависящую от энергии, можно использовать  в качестве этой меры. По определению за температуру принимают величину

.      ()

Величина  называется энергетической или кинетической температурой. Она измеряется в джоулях.

Воспользовавшись циклом Карно с идеальным одноатомным газом, можно показать, что отношение энергетической температуры  к абсолютной температуре  есть универсальная постоянная, зависящая от выбора единиц измерения  и . Она называется постоянной Больцмана, её принято обозначать буквой . Так по определению

.      ()

По современным данным5  Дж/К. Из уравнений  и  следует, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы равна

.     ()

Опыт показывает, что в состоянии термодинамического равновесия объём , давление , температура  любых газов, а также однородных и изотропных тел в других агрегатных состояниях находятся в функциональной зависимости. Эта зависимость называется уравнением состояния. В условиях равновесия уравнение состояния связано с макроскопической системой в целом, и его можно записывать в интегральной форме. Подставив  в  получим:

.      ()

Уравнение  – это одна из форм уравнения состояния идеального газа. Если в объёме  содержится  молекул газа, то . Подставив  в уравнение  , получим:

.      ()

С другой стороны, для идеального газа справедливо уравнение Клапейрона - Менделеева:

,      ()

где  Дж/(моль*К) – универсальная газовая постоянная6. Сравнивая  с , получим

.

Это соотношение позволяет определить постоянную Больцмана , как универсальную газовую постоянную, отнесённую к одной молекуле газа, .

Ещё раз отметим, что уравнения состояния  и  справедливы только, когда идеальный газ находится в равновесном состоянии. С помощью, например, изменения внешних условий можно любую макросистему перевести в другое равновесное состояние. Процесс перехода всегда связан с нарушением равновесия, он осуществляется через последовательность неравновесных состояний. Однако если внешние условия изменяются так медленно, что система проходит через последовательность состояний равновесия, то этот процесс называют квазиравновесным (почти равновесным). Для описания мгновенного состояния системы, совершающей квазиравновесный процесс, требуется столько же параметров, сколько и для макроскопического описания равновесного состояния. Поэтому в случае идеального газа уравнение его состояния  или  можно использовать для описания всего квазиравновесного процесса. Мы считаем, что все процессы, проводимые в настоящей работе, являются квазиравновесными.

Процесс, при протекании которого один из параметров состояния остаётся постоянным, называется изопроцессом: изотермический при , изохорный при  и изобарный при . В изохорном процессе давление есть функция только температуры . Такой процесс характеризуется температурным коэффициентом давления:

,     ()

где , Па – давление газа при температуре  К, индекс  у производной показывает, что она берется при . Величина  численно равна относительному изменению давления при изменении температуры на один градус в условиях неизменного объёма. Аналогично, в изобарном процессе объём есть функция только температуры . Такой процесс характеризуется температурным коэффициентом объёмного расширения:

,     ()

который численно равен относительному изменению объёма при изменении температуры на один градус в условиях неизменного давления,  – объем газа при температуре  К. Обе величины  и  измеряются в градусах в минус первой степени. В случае идеального газа, как следует из , уравнения изохорного и изобарного процессов имеют вид  и 7. Из этих уравнений следует, что

.     ()

Физический закон равенства  и  для идеальных газов  называют законом Гей-Люссака.


Рис. . Экспериментальная установка для проведения изопроцессов.

Описание установки

Экспериментальная установка для проведения изопроцессов показана на рис. . Объектом исследования является воздух внутри газового шприца 1 объёмом 100 мл. Объём воздуха ограничен поршнем 2. Шприц находится внутри стеклянного корпуса 3. Пространство между шприцом и стенками корпуса заполняют водой. Температуру воды можно изменять с помощью нагревателя 4, расположенного под нижней частью стеклянного корпуса 3. При нагреве воду перемешивают магнитной мешалкой 5, обеспечивая таким образом равномерный прогрев воздуха в шприце. Давление воздуха контролирует датчик 6. Датчик давления 6 соединён со шприцом посредством короткой трубки-переходника. В специальное отверстие в верхней части корпуса 3 помещают полупроводниковый датчик температуры 7. Нижняя часть датчика 7 должна быть погружена в воду. Датчик давления 6 подключают ко входу S1, а датчик температуры 7 ко входу S2 электронного блока Cobra-3 (8). Блок 8 является универсальным интерфейсом для контроля, измерения и обработки результатов эксперимента. Это устройство через информационный кабель 9 передаёт в компьютер показания датчиков.

Изотермический процесс проводится при комнатной температуре. В этом исследовании вручную изменяют объём воздуха в шприце, перемещая поршень 2. Значение объёма  можно определить по шкале, нанесённой на шприц. Текущее значение давления  измеряется датчиком 6.

При изохорном процессе нагревают воду, находящуюся в стеклянном корпусе 3. Если скорость нагрева не велика, температура воздуха в шприце равна температуре воды. При нагревании поршень будет перемещаться, чтобы выровнялись давления воздуха снаружи и внутри шприца. После повышения температуры на заданную величину поршень нужно вернуть в исходное положение и, удерживая его, зафиксировать значения давления и температуры.

При изобарном процессе измеряется зависимость объёма воздуха от температуры при атмосферном давлении. Для этого в процессе нагревания в шприце вручную устанавливается объём, который требует программа в очередном цикле измерений. Значение температуры сохраняется в тот момент, когда датчик давления фиксирует равенство давления воздуха внутри шприца атмосферному давлению.


Экспериментальная часть

Упражнение 1. Изотермический процесс.

1. Для подготовки к эксперименту выполните все пункты первой части Приложения.

2. Проведение изотермического процесса.

2.1. В окне «Объём V» отображается значение объёма, при котором надо сделать первое измерение. Переместите вращательным движением поршень шприца, чтобы установить соответствующий объём. Сделайте измерение: удерживая поршень, нажмите кнопку «Сохранить значение» в окне «Измерение». Программа «Measure» запомнит текущие показания датчиков давления и температуры, а также объём.

2.2. В окне «Объём V» появится значение объёма, при котором нужно провести следующее измерение. Переместите поршень шприца вправо до этого объёма. Измерьте новое давление и температуру, нажав кнопку «Сохранить значение».

2.3. Постепенно увеличивайте объём воздуха в шприце. Сохраняйте результаты измерения, нажимая кнопку «Сохранить значение». Измеренные значения будут отображаться на графике в соответствующем окне. Сделайте 10÷15 измерений. По окончании отпустите поршень.

2.4. В окне «Измерения» нажмите кнопку «Закрыть». На экране появится окно с графиками зависимостей  от номера измерений.

2.5. На панели инструментов нажмите кнопку «Таблица». Появится окно со всеми измеренными значениями. Перепишите в тетрадь давление , температуру  и объём , значения которых соответствует, примерно, среднему объёму в выполненном эксперименте. Эти значения нужны для расчета погрешности. Закройте окно с таблицей данных.

3. Определение количества воздуха в шприце.

Как следует из уравнения состояния идеального газа , в изотермическом процессе давление будет линейно зависеть от величины :

,

где  − угловой коэффициент приведённой линейной функции. По известному значению  можно найти  − количество воздуха в шприце при изотермическом процессе.

Рис. . Окно «Управление каналами».

По экспериментальным значениям давления и объёма постройте в программе «Measure» график . Для этого выберите пункт меню «Измерение»−>«Управление каналами». Щелчком мыши выберете поле («ось x»; «Адресат»). Оно выделится синим цветом. Затем в поле («ось y»; «Источник») выделите мышью  и нажмите кнопку «». В результате величина  станет аргументом будущего графика. Далее в поле («ось y»; «Источник») выделите «Давление » и кнопкой «» определите давление как ординату создаваемого графика (рис. ). Нажмите «Да», появится служебное окно, снова нажмите «Да», на экране отобразится график зависимости  (рис. ).


Рис. . Зависимости  от  и аппроксимирующая прямая.

Отобразите экспериментально измеренные точки. На панели инструментов нажмите кнопку «Параметры дисплея» (рис. ). В открывшемся окне, в пункте «Символы», выберите символ и нажмите «Да». Местоположения этого символа на графике будут соответствовать измеренным значениям  и .

В программе «Measure» реализована возможность аппроксимации дискретного множества измеренных величин линейной функцией. На панели инструментов нажмите кнопку «Регрессия». На экране появится аппроксимирующая прямая и её уравнение (рис. ). Передвигая мышью символ «■», выберите наиболее подходящую область аппроксимации. Запишите получившееся уравнение в тетрадь. Покажите график преподавателю. Зарисуйте его в тетрадь.

Рассчитайте среднее значение количества воздуха в шприце:

,

где  − угловой коэффициент аппроксимирующей прямой. Все вычисления необходимо проводить в международной системе единиц (СИ). Например, 1 мл = 10-3 л = 10-6 м3.

При расчёте абсолютной погрешности учтите следующее. Погрешность объёма определяется толщиной риски на поршне шприца. Рекомендуется считать, что  мл. Погрешность давления и температуры зависит как от погрешности калибровочных значений , , так и от приборной погрешности соответствующих датчиков. Проверьте, что погрешности калибровочных значений равны  гПа и  К8. По данным производителя погрешность датчиков  гПа и  К. В итоге  гПа,  К. Запишите значения ,  и  в тетрадь.

Рассчитайте относительную погрешность , используя значения p, V и T из пункта 2.5. Рассчитайте абсолютную погрешность . Запишите результат в виде  моль.

Упражнение 2. Изохорный процесс (выполняется бригадами с нечётным номером).

1. Для подготовки к эксперименту выполните все пункты второй части Приложения.

2. Проведение изохорного процесса.

2.1. Сделайте первое измерение: перемещая вращательным движением поршень, доведите объем в шприце до 50 миллилитров, в окне «Измерение» нажмите кнопку «Сохранить значение».

2.2. Включите нагреватель (рис. )9

. В процессе нагрева не забывайте перемешивать воду в стеклянном корпусе с помощью магнитной мешалки.

2.3. После каждого увеличения температуры на  К устанавливайте объем воздуха в шприце в 50 миллилитров, перемещая поршень вращательным движением. Сохраняйте результат измерения давления и температуры, нажимая кнопку «Сохранить значения».

2.4. При температуре примерно 360 К выключите нагреватель.

2.5. В окне «Измерения» нажмите кнопку «Закрыть». На экране появится окно с графиками зависимостей  от номера измерения.

3. Определение количества воздуха в шприце.

Как следует из уравнения состояния идеального газа , в изохорном процессе давление линейно зависит от температуры:

,

где  − угловой коэффициент приведённой линейной функции. По угловому коэффициенту  можно найти  − количество воздуха в шприце при изохорном процессе.

На панели инструментов нажмите кнопку «Таблица». Появится окно со всеми измеренными значениями. Перепишите в тетрадь значение давления  и температуры  не менее чем в пяти экспериментальных точках. Закройте окно с таблицей данных.

На миллиметровой бумаге постройте график зависимости . Интервал значений температуры  на оси абсцисс рекомендуется такой, чтобы  К. Интервал значений давления  на оси ординат рекомендуется следующий: гПа. Обозначьте на графике поля погрешностей. Значения , ,  возьмите в первом упражнении. Определите угловой коэффициент  Па/К. Зная , определите . При расчетё  учтите, что к объёму шприца 50 мл нужно прибавить 1 мл – это объём короткой трубки-переходника. Сравните  со значением .

4. Определение .

Из  и  следует, что температурный коэффициент давления  связан с  уравнением . Экстраполируйте прямые с максимальным и минимальным угловым коэффициентом до оси ординат. Определите  − давление воздуха при температуре  К − и погрешность этого давления. Рассчитайте  и сравните его с теоретическим значением, приведенным в уравнении , сделайте выводы.

Упражнение 3. Изобарный процесс (выполняется бригадами с чётным номером).

1. Для подготовки к эксперименту выполните все пункты третьей части Приложения.

2. Проведение изобарного процесса.

2.1. Проверьте равенство объёма шприца значению объёма на экране монитора. Сделайте первое измерение: в окне «Измерение» нажмите кнопку «Сохранить значение». Программа «Measure» сохранит текущие значения параметров  и . В окне «Объём V» появится значение объёма, при котором нужно провести следующее измерение.

2.2. Запишите в тетрадь показание датчика давления.

2.3. Включите нагреватель10. В процессе эксперимента не забывайте перемешивать воду в стеклянном корпусе с помощью магнитной мешалки. Вручную перемещая поршень, установите величину объёма равную значению, заданному в окне «Объём V».

2.4. Когда показание датчика давления станет равно значению давления, записанному в тетрадь в пункте 2.2, нажмите кнопку «Сохранить значение». Возможно, что перед этим потребуется дополнительная регулировка положения поршня.

2.5. Следя за увеличением значения объёма в окне «Объём V», устанавливайте соответствующий объём в шприце. Выполняйте очередное измерение, когда давление будет достигать величины, зафиксированной в п.2.2

2.6. После достижения температуры 360 К выключите нагреватель.

2.7. В окне «Измерения» нажмите кнопку «Закрыть». На экране появится окно с графиками зависимостей  от номера измерения.

3. Определение количества воздуха в шприце.

Как следует из уравнения состояния идеального газа , в изобарном процессе объём будет линейно зависеть от температуры:

,

где  − угловой коэффициент приведённой линейной функции. По угловому коэффициенту  можно найти  − количество воздуха в шприце при изобарном процессе.

На панели инструментов нажмите кнопку «Таблица». Появится окно со всеми измеренными значениями. Перепишите в тетрадь значение объёма  и температуры  не менее чем в пяти экспериментальных точках. К каждому значению объёма шприца нужно прибавить 1 мл – это объём короткой трубки-переходника. Закройте окно с таблицей данных.

На миллиметровой бумаге постройте график зависимости . Интервал значений температуры  на оси абсцисс рекомендуется такой, чтобы  К. Интервал значений объёма  на оси ординат рекомендуется следующий: мл. Обозначьте на графике поля погрешностей. Значения , ,  возьмите в первом упражнении. Определите угловой коэффициент  м3/К. Зная , определите . Сравните  со значением .

4. Определение .

Из  и  следует, что температурный коэффициент объёмного расширения  связан с  уравнением . Экстраполируйте прямые с максимальным и минимальным угловым коэффициентом до оси ординат. Определите  − объём воздуха при температуре  К − и погрешность этого объёма. Рассчитайте  и сравните его с теоретическим значением, приведенным в уравнении , сделайте выводы.

Подготовка к работе

1. Физические понятия, величины, законы, знание которых необходимо для успешного выполнения работы:

  •  Молекулярно-кинетические представления о веществе;
  •  макроскопические и микроскопические параметры, моль вещества;
  •  модель идеального газа;
  •  основное уравнение молекулярно-кинетической теории;
  •  тепловое движение атомов и молекул, температура в молекулярно-кинетической теории, абсолютная термодинамическая температура, постоянная Больцмана;
  •  уравнение состояния идеального газа, универсальная газовая постоянная;
  •  термодинамическое равновесие, квазиравновесный процесс.

2. Расчетное задание.

  •  Рассчитайте число молей идеального газа , если известно, что  мл,  Па,  К, где  – номер бригады. Для заданного объёма и рассчитанного количества газа постройте на миллиметровой бумаге график зависимости давления от температуры в изохорном процессе при  К.

Примечание. Пункт 2 выполните письменно при подготовке к лабораторной работе.

Литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. – 4-е изд., стереот. – М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2003. – §§ Введение, 1, 3, 4, 7, 8, 31, 32, 59, 62.

2. Савельев И.В. Курс общей физики : в 5 кн. : кн. 3. Молекулярная физика и термодинамика. – М.:АСТ: Астрель, 2007. – §§ 1.1, 1.3, 1.7, 1.8, 2.2-2.5, 3.3.

2. Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы / И.Е.Иродов. – 3-е изд., стереотипное. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – §§ Введение, 1.1, 1.3, 1.5,.


Приложение

1. Подготовка к проведению изотермического процесса

1. Убедитесь, что экспериментальная установка соответствует рис. . Проверьте, чтобы датчик температуры был частично погружён в воду. Если это не так, позовите инженера.

2. Включите компьютер. Войдите в операционную систему под логином «Student». Запустите программу «Measure» двойным щелчком по соответствующему ярлыку на рабочем столе

3. Выберите пункт меню «Прибор» −> «Кобра3 Идеальный газ». На экране монитора появится окно, вкладка «Каналы». Установите настройки в этом окне в соответствии с рис. 1-а.

4. Откройте вкладку «Начало/Конец», выберите «нажатием клавиши».

5. Откройте вкладку «Другие установки» (рис. 1-б). В этой вкладке определяется характер и объём информации, которая будет выводиться на экран в процессе эксперимента. При установке флажка в поле «Цифр. дисплей 1» (рис. 1-б) появится окно «Параметры дисплея». Если флажок уже установлен, необходимо его снять и снова поставить. Выберите «Давление р» в качестве канала для «Цифр. дисплея 1» (рис. а). Аналогично настройте «Цифр. дисплей 2» для вывода «Температуры Т» и «Цифр. дисплей 3» для вывода «Объёма V». Отметьте флажком поле «Диаграмма 1» (рис. 1-б). На экране появится окно настройки графиков, которые будут выводиться в процессе эксперимента (рис. б). Установите пределы ,  и «ось х» в соответствии с рис. б и подтвердите выбор, нажав кнопку «Да».

а

б

Рис. 1-. Окна вкладок «Каналы» (а) и «Другие установки» (б) для настройки программы «Measure» при изотермическом процессе


а

б

Рис. 1-. Окна настроек «Цифр. дисплея» (а) и «Диаграммы» (б).

Рис. 1-. Окно измерений вначале проведения эксперимента.

6. Откройте вкладку «Калибровать». Для калибровки датчика давления определите по лабораторному барометру атмосферное давление . Введите в соответствующее поле вкладки «Калибровать» значение  в гектопаскалях (1 гПа = 1 hPa = 100 Па). Вручную, плавно вращая поршень, установите его в положение равновесия такое, чтобы давление воздуха в шприце стало примерно равно атмосферному. Нажмите кнопку «Калибровать». Для калибровки датчика температуры достаньте датчик 7 из стеклянного корпуса 3 (рис. ). Дождитесь, чтобы температура датчика сравнялась с комнатной. Определите комнатную температуру  по лабораторному термометру, введите её в градусах Кельвина в соответствующее поле вкладки «Калибровать». Нажмите кнопку «Калибровать». Поместите датчик 7 обратно в стеклянный корпус 3.

7. Нажмите «Далее». На экране появится окно контроля параметров воздуха в процессе эксперимента (рис. 1-).


Рис. 1-. Окно вкладки «Каналы» при изохорном процессе

Рис. 1-. Окно вкладки «Каналы» при изобарном процессе

2. Подготовка к проведению изохорного процесса

1.1. Закройте и запустите заново программу «Measure». В открывшемся окне, в пункте меню «Прибор», выберите «Кобра3 Идеальный газ».

1.2. Должно появиться окно вкладки «Каналы» для настройки конкретного процесса (рис. 1-). При проведении изохорного процесса изменяются давление и температура. Объём необходимо поддерживать постоянным. Поэтому в поле «V» −> «Источник» выберете «постоян.». Задайте «Постоян. объём» равным 50 мл (рис. 1-). Запишите этот объём в тетрадь. Проверьте соответствие остальных полей вкладки «Каналы» на экране монитора рисунку 1-.

1.3. Нажмите «Далее». Программа «Measure» настроена для проведения изохорного процесса.

3. Подготовка к проведению изобарного процесса

1.1. Закройте и запустите заново программу «Measure». В открывшемся окне, в пункте меню «Прибор», выберите «Кобра3 Идеальный газ».

1.2. Должно появиться окно вкладки «Каналы» для настройки конкретного процесса (рис. 1-). При проведении изобарного процесса давление постоянно, изменяются объём и температура. Проверьте соответствие окна на экране монитора рисунку 1-. Настройки должны быть такие же как при проведении изотермического процесса, исключая значение «Начального объема». Для его определения установите такой объём, чтобы давление воздуха в шприце стало примерно равно атмосферному. Определите получившийся объём по шкале шприца, зафиксируйте его в поле «Начальный объём» (рис. 1-).

1.3. Нажмите «Далее». Программа «Measure» настроена для проведения изобарного процесса.

1 За исключением всегда существующих флуктуаций.

2 По определению, при нормальных условиях атмосферное давление – p0=101325 Па, температура – T0=273,15 К При нормальных условиях один моль любого газа занимает объём  м3.

3 Из физической энциклопедии: «Идеальный газ – теоретическая модель газа, в которой пренебрегают размерами и взаимодействиями частиц газа и учитывают лишь их упругие столкновения». Важно: идеальный газ – это модель, используемая для описания различных газов при определённых условиях. Законы идеального газа – приближённые законы. Они справедливы, когда полная кинетическая энергия молекул газа много больше потенциальной энергии их взаимодействия. Однако, потенциальная энергия не равна нулю, молекулы взаимодействуют друг с другом, и таким образом обмениваются энергией. Реальные газы хорошо описываются законами идеального газа, если они достаточно разрежены и. находятся при температуре, далекой от температуры конденсации.

4 Согласно теореме Карно коэффициент полезного действия тепловой машины , работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя  и холодильника , но не зависит ни от устройства машины, ни от вида используемого рабочего вещества. Температура вводится соотношением , где  – теплота, полученная рабочим веществом от нагревателя,  – теплота отданная холодильнику.

5 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt

6 На основании уравнения  строят абсолютную идеально-газовую шкалу температур.  в уравнении – это не абсолютная термодинамическая температура по определению. Однако, осуществляя цикл Карно, в котором в качестве рабочего тела выбран идеальный газ, можно доказать, что эти шкалы тождественны.

7 Законы, выраженные этими уравнениями, соответственно называются законом Шарля и законом Гей-Люссака.

8 Погрешности калибровочных значений давления и температуры могут отличаться от приведённых.

9 Нагреватель в сеть может быть подключён через регулятор мощности. В этом случае рекомендуется на регуляторе мощности выставить уровень 9. Нагрев воды до 360 К происходит при этом примерно за 10 минут.

10 См. примечание

PAGE  12


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61549. Родственные слова. Корень. Безударная гласная в корне. Правописание гласной в после шипящей 21.87 KB
  Чистописание Словарная работа Физминутка Работа над предложением. Записываем в столбик слова с маленькой буквы. Поставим ударение в словах. Ребята скажите что в этих словах особенного эти слова родственные...
61550. Открытка ко Дню защитника Отечества 24.25 KB
  Цель: научить учащихся выполнять открытку в технике аппликации Задачи: Образовательные: обобщить знания о защитниках Отечества научить детей размечать детали по шаблону научить выполнять открытку научить вырезать...
61551. Открытка к 8 Марта 19.93 KB
  Педагогические задачи: Образовательные: закрепить навык разметки по шаблону закрепить навык работы с бумагой познакомить учащихся с историей праздника 8 Марта учить...
61553. Упражнение в склонении и определении падежей имён существительных 25.44 KB
  Цели урока: Образовательные: формировать умение учащихся изменять имена существительные по вопросам в единственном и множественном числе; ставить к имени существительному падежные вопросы и определять падеж имени существительного с помощью вопроса...
61555. Підготовка копютера до роботи 170.66 KB
  Мета: Познайомити учнів з можливостями компютера. Вчити користуватися пристроями компютера, вмикати та вимикати пристрій, користуючись кнопкою Роwer та компютерною мишею.
61556. Вплив куріння та алкоголю на здоровя 37.25 KB
  Навчати дітей приймати рішення що має менше негативних наслідків для здоров’я та життя в цілому. Привітання Треба всім нам привітатись: Добрий день Дружно весело сказати...