Меню сайта

10 класс

Лабораторная работа №7
Изучение уравнения состояния идеального газа

Цель работы

Экспериментально проверить утверждение о том, что для определённого количества любого газа отношение произведения значений давления на объём к температуре остаётся постоянным при любых изменениях этих параметров в равновесных термодинамических состояниях.

Оборудование

Прозрачная гибкая трубка с кранами из набора «Газовые законы», калориметр, рулетка, термометр лабораторный, штатив с двумя лапками и муфтами, барометр-анероид (один на класс).

Необходимые сведения

Объектом наблюдения является воздух в прозрачной трубке, концы которой закрыты кранами. Первое состояние воздуха получают при нагревании. Для этого один кран трубки закрывают, а второй — оставляют открытым. Трубку полностью укладывают виток к витку во внешний стакан калориметра и заливают тёплой водой так, чтобы открытый кран погрузился не более чем на 5—10 мм. Воздух в трубке из-за нагревания станет расширяться и из крана пойдут пузырьки. Как только воздух нагреется до температуры тёплой воды, их образование прекратится и кран закрывают. Температуру воздуха T₁ определяют по температуре воды в калориметре. Объём V₁ воздуха равен объёму внутренней полости трубки, а давление p₁ равно атмосферному» поскольку давление воды над краном можно не учитывать.

Во второе состояние воздух переводят охлаждением и сжатием. Тёплую воду в калориметре заменяют водой комнатной температуры, и верхний кран трубки открывают. Спустя 1—2 мин воздух остынет, его объём уменьшится и в трубку втянется некоторое количество воды. Затем кран опять закрывают и трубку извлекают из калориметра. Конец трубки с водой закрепляют вертикально лапками штатива, но так, чтобы внутренний канал трубки не пережимался. Верхний кран открывают и наблюдают сжатие воздуха под действием водяного столба.

Во втором состоянии давление воздуха p₂ равно сумме атмосферного давления рлтм и давления водяного столба в трубке рв. Объём воздуха равен V₂ Температура T₂ воздуха равна комнатной. Объём воздуха измеряют в единицах длины воздушного столба.

Общий вид установки на завершающем этапе опыта показан на рисунке 11.

Подготовка к работе

1. Обоснуйте возможность измерения объёма воздуха внутри трубки по длине части трубки, которую он занимает.

2. Запишите формулу для расчёта абсолютной погрешности измерения .

3. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

Таблица для записи результатов измерений и вычислений

Ll, м	tl, °C	Tl, K	pl, Па	hB, м	L2, м	pB, Па	p2, Па	t2, °C	T2, K	plLl / Tl	p2L2 / T2
1

Ответьте на следующие вопросы.

• Почему при охлаждении газа используют воду комнатной температуры, а не более холодную?

• Почему, перед тем как извлечь трубку из холодной воды, необходимо подождать 1—2 мин?

• Как и почему значение температуры тёплой воды влияет на погрешности измерения параметров воздуха?

Порядок выполнения работы

1. Измерьте барометром-анероидом атмосферное давление р_атм.

2. Измерьте длину L₁ внутренней полости трубки.

3. Закройте один кран, уложите трубку в калориметр закрытым краном вниз. Налейте в калориметр воду с температурой 55— 60 °C так, чтобы её уровень был на 3—5 мм выше открытого крана. Дождитесь установления теплового равновесия.

4. Измерьте температуру t₁ воздуха в трубке.

5. Закройте верхний кран, замените воду в калориметре, откройте кран на 1—2 мин и наблюдайте за всасыванием воды в трубку.

6. Измерьте температуру t₂ охлаждённого воздуха.

7. Закройте кран, извлеките трубку из калориметра, встряхните её и закрепите конец трубки с водой вертикально в штативе, как показано на рисунке 11.

8. Откройте верхний кран. Измерьте высоту h_В столба воды в трубке.

9. Измерьте длину L₂ воздушного столба после охлаждения и сжатия.

10. Вычислите давление воды p_В= ρg h_В.

11. Вычислите давление р₂ воздуха в трубке после сжатия: р₂ = P_атм + P_В.

12. Переведите значения температур t₁ и t₂ В кельвины — T₁ и T₂.

13. Проверьте, выполняется ли равенство p_lL_l / T_l = p₂L₂ / T₂, используя полученные данные.

14. Вычислите значения отношений (p_lL_l / T_l)_выч и (p₂L₂ / T₂)_выч и их абсолютные погрешности измерения Δ(p_lL_l / T_l) и Δ(p₂L₂ / T₂).

15. Запишите результаты вычислений p_lL_l / T_l и p₂L₂ / T₂ виде:

16. Определите, перекрываются ли интервалы возможных значений отношений параметров воздуха в двух равновесных термодинамических состояниях. Сделайте вывод о справедливости утверждения, сформулированного в рубрике «Цель работы».