10 класс
Лабораторная работа №6
Изучение изотермического процесса
Цель работы
Проверить утверждение о том, что произведение объёма данной массы газа и его давления сохраняется в любых равновесных термодинамических состояниях, если температура газа не меняется.
Оборудование
Набор «Изотерма» (эластичная прозрачная трубка с краном на одном конце и двумя индикаторными кольцами), шприц, лента измерительная, штатив с двумя муфтами и лапками, стакан с отфильтрованной водой комнатной температуры, барометр-анероид (один на кабинет).
Необходимые сведения
Основным элементом экспериментальной установки является прозрачная гибкая трубка с краном на конце и частично заполненная водой (рис. 9).
Опыт проводят следующим образом. Конец трубки с краном и кольцами длиной примерно 50 см закрепляют вертикально в штативе с помощью лапок. Кран открывают. Удерживая оба конца трубки на одной высоте, в неё заливают шприцем воду, пока её уровень не окажется на расстоянии 20—25 см от концов трубки (рис. 10, а).
Затем свободный конец трубки опускают, пока уровень воды в нём не дойдёт 3—5 см до конца. Удерживая трубку в этом положении, кран закрывают.
Объектом изучения является воздух между краном и водой. В исходном состоянии его объём V1 определяется расстоянием L1 от крана до поверхности воды: V1 = L1S (S — площадь сечения трубки), а давление pl равно атмосферному давлению (определяют барометром-анероидом):
pl = pатм (1)
Отметив нижним кольцом уровень воды в закреплённом колене, воздух переводят в состояние с другими параметрами, подняв свободный конец трубки на максимально возможную высоту (рис. 10, 6). В новом состоянии давление воздуха увеличится за счёт гидростатического давления воды, возникающего из-за разности уровней воды в коленах трубки:
p2 = pатм + ρgh, (2)
где ρ — плотность воды; g — ускорение свободного падения; h — разность уровней воды (h = H - H').
Объём воздуха уменьшится до значения V2. Его можно определить по расстоянию L2 от крана до верхнего кольца.
Удерживая поднятый конец трубки, измеряют измерительной лентой высоту H уровня воды в поднятом колене относительно поверхности стола и отмечают вторым кольцом новый уровень воды в закреплённом колене. Затем свободный конец опускают в стакан, открывают кран и сливают воду.
По закону Бойля — Мариотта
p1V1 = p2V2, (3)
Так как объём воздуха в трубке V = LS и площадь сечения трубки по всей длине одинакова, то соотношение (3) можно представить в виде: p1Ll = p2L2, а с учётом формул (1) и (2):
pатмLl = (pатм + ρgh)L2, (4)
Равенство (4) и проверяется в работе.
Подготовка к работе
1. Ответьте на следующие вопросы.
• Какие физические величины подлежат прямому измерению? C помощью каких приборов их можно измерить?
• Какими будут допустимые погрешности измерений?
• Почему при отсчёте показаний барометра-анероида следует слегка постучать по его корпусу?
• Почему при проведении опыта используют воду комнатной температуры?
2. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.
Таблица для записи результатов измерений и вычислений
| H, 10-3 м | H', 10-3 м | Ll, 10-3 м | L2, 10-3 м | h, 10-3 м | pатм, Па |
| 1 |
Порядок выполнения работы
1. Измерьте атмосферное давление ратм.
2. Измерьте высоту H уровня воды над столом в поднятом колене трубки (см. рис. 10, б). В п. 2—5 значения записываются с учётом абсолютной погрешностей измерений.
3. Измерьте расстояние Ll от крана до нижнего кольца.
4. Измерьте расстояние L2 от крана до верхнего кольца.
5. Измерьте высоту над столом верхнего кольца H'.
6. Вычислите значение разности h уровня воды в коленах трубки по формуле: h = H - H'.
7. Проверьте, выполняется ли равенство (4), используя полученные данные.
8. Вычислите значения произведения (pатмLl)выч и Δ(pатмLl)выч.
9. Запишите значение левой части равенства (4) в виде:
pатмLl = (pатмLl)выч ± ΔpатмLl.
9. Запишите значение левой части равенства (4) в виде:
pатмLl = (pатмLl)выч ± ΔpатмLl)∙
10. Вычислите значения произведения ((ратм + ρgh)L2)выч и Δ((ратм + ρgh)L2).
11. Запишите значение правой части равенства (4) в виде:
(ратм + ρgh)L2 = ((ратм + ρgh)L2)выч ± Δ((ратм + ρgh)L2).
12. Установите, перекрываются ли интервалы возможных значений величин, стоящих в левой и правой частях равенства (4). Сделайте вывод о справедливости утверждения, сформулированного в рубрике «Цель работы».
