67770

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА БОЙЛЯ-МАРИОТТА

Лабораторная работа

Физика

Термодинамической системой называется тело или сочетание нескольких тел, находящихся в тепловом контакте, свойства и поведение которых изучаются средствами термодинамики. Свойства любой системы и ее состояние описывается рядом физических величин, которые называются термодинамическими параметрами.

Русский

2014-09-14

4.17 MB

12 чел.

Лабораторная работа № 43

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА БОЙЛЯ-МАРИОТТА

Принадлежности: экспериментальная установка в сборе.

Цель работы:

  1.  Изучение закона Бойля-Мариотта.
  2.  Определение универсальной газовой постоянной.
  3.  Построение изотерм Амага для воздуха.

Введение. Термодинамической системой называется тело или сочетание нескольких тел, находящихся в тепловом контакте, свойства и поведение которых изучаются средствами термодинамики. Свойства любой системы и ее состояние описывается рядом физических величин, которые называются термодинамическими параметрами. Система, не обменивающаяся энергией с окружающими телами, называется изолированной. В термодинамике постулируется, что изолированная система рано или поздно приходит к термодинамическому равновесию и выйти из него самостоятельно (без внешнего воздействия) не может. В состоянии равновесия параметры системы имеют одинаковые значения во всех ее точках.

Рассмотрим термодинамическую систему – идеальный газ. Параметрами состояния газа являются его температура Т, давление р и объем V. Уравнение, связывающее параметры состояния между собой, называется уравнением состояния системы. Для идеального газа уравнением состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона

,      (1)

где М – масса газа, – молярная масса, R – универсальная газовая постоянная.

При бесконечно медленном изменении параметров газ переходит из одного равновесного состояния в другое через ряд равновесных состояний. Такой термодинамический процесс называется равновесным или квазистатическим. Но бесконечно медленный процесс – это абстракция. Практически квазистатическим можно считать процесс, протекающий настолько медленно, что отклонение параметров системы от равновесных значений пренебрежимо малы.

В термодинамике особо выделяют такие процессы, в которых один из параметров поддерживается постоянным; их называют изопроцессами. Рассмотрим один из них – изотермический, в ходе которого сохраняется температура. Два других параметра идеального газа – давление и объем изменяются при этом так, что их произведение остается постоянным. Этот факт был обнаружен экспериментально Бойлем и Мариоттом и носит название закона Бойля-Мариотта

.      (2)

Кривая, определяемая этим уравнением, в координатах p,V является гиперболой и носит название изотермы. Однако по одному виду кривой на графике часто трудно определить, какую математическую кривую она представляет. Поэтому практикуется довольно распространенный прием спрямления зависимости. Для этого уравнение переписывается в таких переменных, в которых график представляет собой прямую линию. В случае изотермического процесса спрямление произойдет, если построить график зависимости произведения pV от давления (или объема). Такие графики в указанных координатах называются изотермами Амагá1. Если изотермы Амага представляют собой семейство прямых, параллельных оси р, следовательно произведение pV остается постоянным, закон Бойля-Мариотта выполняется, т.е. газ является идеальным.

Описание установки и методики измерений. Схематическое изображение экспериментальной установки приведено на рисунке. На стойке 1

закреплена U-образная трубка 2, один конец которой закрыт, а другой соединен шлангом 3 с манометром 4 и насосом 5. Трубка частично заполнена водой так, что в закрытом конце трубки находится некоторое количество воздуха. С помощью ручного насоса - груши на «жидкий поршень» можно оказывать раз-личное давление, которое передается воздушному столбику, представляющему собой в данном случае исследуемую термо-динамическую систему.

Манометр 4 сконструирован таким образом, что он показывает разность между давлением в месте его установки р2 и атмосферным, т.е. показания манометра рм– числа алгебраические. Таким образом, давление на выходе насоса выше атмосферного

.     (3)

Газ в закрытом колене подвергается изотермическому сжатию (или разрежению). Согласно закону Бойля-Мариотта (2) имеет место равенство

,     (4)

где р1 и V1  – давление и объем газа в закрытом колене  U-образной трубки,

     l – длина воздушного столбика в закрытом колене,

     S – сечение трубки, занятой воздушным столбиком.

Давление р1 отличается от указанного выше р2, так как в коленах U-образной трубки столбы воды находятся на разных уровнях. Давление р1 можно найти по закону Паскаля из следующего соотношения:

,

,

.        (5)

Теперь уравнение изотермического процесса (4) приобретает следующий вид (постоянная величина S включена в const.):  

.    (6)

В данной работе экспериментально проверяется справедливость равенства (6), полученного выше из закона Бойля-Мариотта для идеального газа.

Измерения. 

  1.   С  помощью линейки  измерьте длину воздушного столба L.Запишите над таблицей значения L, атмосферного давления pа и температуры  в лаборатории t.
  2.  При помощи ручного насоса-груши 5 установите на манометре 4 максимальное давление.
  3.  Запишите в таблицу показания манометра и длину воздушного столба l при данном давлении. Вследствие утечки воздуха из-за  негерметичности  воздушной магистрали давление будет непрерывно изменяться без Вашего участия. Используйте это явление для измерений. Когда стрелка манометра устанавливается на очередном делении его шкалы, записывайте в таблицу его показания  рм и длину воздушного столба в закрытом колене трубки 1. Проведите измерения на всех делениях шкалы по мере движения стрелки от максимального давления до нуля (не менее 8-10 измерений).

L =   (м) ,   pа=   (Па),  t =   

№ изм.

pм,

кгс/см2

pм,

Па

l,

м

p1 = pм + pа,

Па

V=S• l,

м3

1/V

Обработка результатов измерений. 

  1.  По формуле (5) вычислите  p1 = pм + pа , так как  ϱgh < pм и  pа .
  2.  По формуле V = S• l определите объем воздуха в закрытом колене трубки, где S – сечение трубки, S = πd2 /2, d = 3,15 мм - диаметр трубки.
  3.  Постройте графики:

1) зависимость  давления  p1 от объема V,  

2) зависимость  p1  от 1/V,

3) зависимость произведения  p1 l от p1.(для физиков)

  1.   Из графика зависимости   p1  от 1/V определите универсальную газовую постоянную R.

, где µ=0,029 кг/моль, m = ϱ•V масса газа, ϱ = 1,3 кг/м3 – плотность воздуха, Т = t+273 – температура, tg - из графика.

  1.  Сравните полученный результат с теоретическим значением.

Контрольные вопросы

  1.  Перечислите все изопроцессы. Почему для газа их три? Сформулируйте газовые законы для всех изопроцессов и запишите соответствующие уравнения.
  2.  Что такое идеальный газ? Запишите уравнение состояния идеального газа. Выведите уравнения изопроцессов как следствия уравнения состояния идеального газа. Можно ли атмосферный воздух назвать идеальным газом в условиях проведения данного исследования? Если – да, то на основании чего; если – нет, то почему.
  3.  Какую информацию об исследованной термодинамической системе содержат построенные Вами графики?
  4.  Можно ли утверждать, что Ваши опыты с газом проводились в изотермических условиях?

Список рекомендуемой литературы

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики.Т 2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Физматлит, 2006. §7-8.

2.Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. С.18-19; 32-39.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1. Механика и молекулярная физика. СПб.: Лань, 2005.§87-89; 103.

4.Радченко И.В. Молекулярная физика. М.: Наука, 1965. С.20-26; 216-228.

1  Амага Эмиль (Amagat E.) – французский физик (1841-1915).

4

l

1

5

3

4

2

6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32735. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Движение тела с переменной массой 36 KB
  импульс p замкнутой системы не изменяется с течением времени т. Однородность пространства проявляется в том что физические свойства замкнутой системы и законы ее движения не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета т. не изменяются при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы отсчета как целого. Если система не замкнутая но действующие на нее внешние силы таковы что их равнодействующая равна 0 то согласно законам Ньютона импульс системы не изменяется с течением времени p=const.
32736. Работа переменной силы и мощность. Кинетическая энергия частицы 42.5 KB
  Работа переменной силы Пусть тело движется прямолинейно с равномерной силой под углом к направлению перемещения и проходит расстояние S Работой силы F называется скалярная физическая величина равная скалярному произведению вектора силы на вектора перемещения. Работа совершенная силой на данном участке определяется по представленной формуле d=F dS cos = = │F││dr│ cos =F;dr=FdS =FS cos =FS . Таким образом работа переменной силы на участке траектории равна сумме элементарных работ на отдельных малых участках пути...
32737. Потенциальная энергия. Виды потенциальной энергии. Связь силы и потенциальной энергии 55 KB
  Виды потенциальной энергии. Связь силы и потенциальной энергии. Рассмотрение примеров взаимодействия тел силами тяготения и силами упругости позволяет обнаружить следующие признаки потенциальной энергии: Потенциальной энергией не может обладать одно тело не взаимодействующее с другими телами. Связь силы и потенциальной энергии Каждой точке потенциального поля соответствует с одной стороны некоторое значение вектора силы действующей на тело и с другой стороны некоторое значение потенциальной энергии .
32738. Полная механическая энергия частицы. Консервативные и диссипативные системы. Закон сохранения энергии 34 KB
  Закон сохранения энергии. Механическая энергия частицы в силовом поле Сумму кинетической и потенциальной энергии называют полной механической энергией частицы в поле: 5. Консервативная система физическая система работа неконсервативных сил которой равна нулю и для которой имеет место закон сохранения механической энергии то есть сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы постоянна. вызывающих убывание механической энергии и переход её в другие формы энергии например в тепло консервативная система...
32739. Закон всемирного тяготения. Гравитационное поле и его характеристики. Потенциал поля. Связь между потенциалом и напряжённостью поля. Космические скорости 42.5 KB
  Потенциал поля. Связь между потенциалом и напряжённостью поля. В виде формулы это записывается так: F=Gm1m2 r2 где G гравитационная константа определяемая экспериментально 667 × 10–11 Нм2 кг2 ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ поле тяготения один из видов поля физического посредством которого осуществляется гравитационное взаимодействие притяжение тел. Об интенсивности гравитационного поля очевидно можно судить по величине силы действующей в данной точке на тело с массой равной единице.
32740. Вывод основного закона динамики вращательного движения 29 KB
  Вывод основного закона динамики вращательного движения. К выводу основного уравнения динамики вращательного движения. Динамика вращательного движения материальной точки. В проекции на тангенциальное направление уравнение движения примет вид: Ft = mt.
32741. Момент инерции тела относительно оси. Момент инерции кольца, диска 31 KB
  Момент инерции тела относительно оси. Момент инерции кольца диска. Момент инерции тела относительно оси определяется согласно формулеи если известно pаспpеделение масс частей тела относительно оси он может быть найден прямым вычислением. Конечно с помощью компьютера интеграл можно вычислить но аналитически моменты инерции обычно вычисляют лишь для простейших случаев однородных тел.
32742. Момент инерции шара. Теорема Штейнера 39.5 KB
  Момент инерции шара. Момент инерции полого шара с бесконечно тонкими стенками. Сначала найдем момент инерции относительно центра шара. В результате находим момент инерции полого шара относительно его диаметра: .
32743. Момент импульса. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса 34 KB
  Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Моментом импульса т. Момент импульса характеризует количество вращательного движения.