Проверка объединенного газового закона.

(уравнение газового состояния).

Приборы и материалы используемые в работе:

1. Прибор для проверки газового состояния (укороченный манометр).

2. Химический стакан.

3. Термометр.

4. Барометр-анероид.

5. Электроплитка для нагревания воды.

Цель работы:

Целью работы является опытная проверка справедливости объединённого газового закона (1).

, ,

, ,

, ,

Если затем вычислить по формулам

значение трёх величин: , , , то согласно уравнению (1) должно иметь место равенство:

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Состояние данной массы газа т характеризуется тремя макроскопическими параметрами, которые ещё называются термодинамическими параметрами:

давление р,

объём V,

абсолютная температура Т.

Если параметры определённой массы газа р, V и Т остаются постоянными в течение определённого времени, то газ будет эта время находится в равновесном состоянии.

Если индексом 1 обозначить параметры, характеризующие массу газа в одном состоянии: , , , а индексом 2 - параметры, в другом состоянии , , , то в случае идеального газа параметры этих двух состояний связаны между собой следующим уравнением

(1)

Это объединённый газовый закон или уравнение газовых состояний данной массы газа, который формируется так:

При постоянной массе газа произведение объёма на давление, делённое на абсолютную температуру газа, есть величина одинаковая для всех состояний этой массы газа.

2. ХОД РАБОТЫ.

Рис. 1

Для проверки объединённого газового закона используется прибор (см. рис.1), состоящий из укороченного манометра 1, заполненного ртутью. Колено А манометра открытое, колено В - закрытое. В колене В находится столб воздуха высотой l. Манометр укреплён на металлической пластинке 2, имеющей шкалу с миллиметровыми делениями.

Исследуемая масса воздуха, находящаяся в закрытом колене В, остаётся в течение всех опытов неизменной, что требуется для проверки объединённого газового закона.

Реализация трёх различных состояний этой массы газа и измерение его параметров в этих состояниях производится следующим образом.

1. ПЕРВОЕ СОСТОЯНИЕ. Манометр помещают в химический стакан, туда же помещают термометр. Далее следует определить по шкале длину воздушного столба в закрытом колене.

Рис.2

Если сечение трубки манометра принять за 1 условную единицу, то объём исследуемой массы газа в 1-м состоянии равен:

(2)

Рис.3

Определить разность уровней ртути в коленах А и В равную и вычислить давление воздуха в закрытом колене в первом состоянии по формуле

,(3)

где - атмосферное давление, определяемое барометром.

Знак "-" берётся в том случае, когда уровень ртути в открытом колене ниже, чем в закрытом (случай (а) на рис.2).

Знак "+" берётся в том случае, когда уровень ртути в открытом колене выше, чем в закрытом (случай (в) на рис. 3)

Измерить температуру воздуха в стакане термометром и найти абсолютную температуру воздуха в закрытом колене:

(4)

По формуле вычислить постоянную величину, характеризующую данную массу воздуха в 1-ом состоянии.

Полученные данные записать в таблицу.

2. ВТОРОЕ СОСТОЯНИЕ реализуется, когда в стакан наливается тёплая вода.

Воду надо наливать так, чтобы запаянный конец В был погружен в воду. Так же как в 1-ом состоянии определить три параметра состояния:

Вычислить

5)

Полученные данные занести в таблицу.

3. ТРЕТЬЕ СОСТОЯНИЕ исследуемой массы воздуха реализуется когда в стакан наливается горячая вода и определяются три параметра третьего состояния:

Вычислить

(6)

Полученные данные занести в таблицу.

4. Обработать полученные результаты[1] и сделать вывод.

4.1Вычислить среднее значение постоянной :

(7)

4.2. Вычислить абсолютные погрешности каждого опыта:

(8)

4.3. Вычислить среднее значение абсолютной погрешности:

(9)

4.4. Вычислить относительную погрешность опытов

(10)

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

№№ пп	Атмосферное давление	Разность уровней	Параметры газа	Газовая постоянная	Погрешности опыта
Давление	Объем	Абсолютная температура	Текущее значение	Среднее значение	Абсолютная	Среднее значение абсолютной	Относительная
			Рр	V	T	C
мм.рт.ст.	мм.рт.ст.	мм.рт.ст.	усл.ед.	К	усл.ед.	усл.ед.	усл.ед.	усл.ед.	%

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ

1. Какие параметры при описании свойств газов называются макроскопическими, а какие микроскопическими? Какие параметры называются термодинамическими?

2. Какие параметры полностью описывают состояния определённой массы газа?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО УРОВНЯ

3. Как формулируется объединённый газовый закон и его запись в виде формулы?

4. Почему давление исследуемой массы газа определяется по формулам?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ

5. Как достигается в данной работе неизменность массы исследуемого газа и какой это газ?

6. В чём причина того, что полученные значения не имеют одинаковые значения? Можно ли на основании этого сделать вывод, что объединённый газовый закон несправедлив?

Лабораторная работа № 2.

Определение удельной теплоты парообразования.

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

1. Колба.

2. Паропровод (резиновая трубка).

3. Калориметр.

4. Электроплитка.

5. Термометр.

6. Технические весы с разновесом.

7. Мензурка.

Цель работы:

Научиться опытным путем определять удельную теплоту парообразования воды.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

В процессе обмена энергией, между веществом и окружающей средой возможен переход вещества из одного агрегатного состояния в другое (из одного фазового состояния в другое).

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.

Парообразование происходит в виде испарения и кипения.

Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, называется испарением.

Испарение происходит при любой температуре жидкости, но с повышением температуры скорость испарения жидкости возрастает.

Испаряющаяся жидкость может охлаждаться, если к ней не подводится интенсивно теплота извне, или нагреваться, теплота извне подводится интенсивно.

Парообразование, которое происходит по всему объему жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.

Температура кипения зависит от внешнего давления на поверхность жидкости.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения данной жидкости.

При парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается, поэтому для превращения жидкости в пар к ней надо подводить теплоту в процессе теплообмена.

Количество теплоты , необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называется теплотой парообразования.

Величина прямо пропорциональна массе жидкости, превращенной в пар:

(1)

Величина g, характеризующая зависимость теплоты парообразования от рода вещества и от внешних условий, называется удельной теплотой парообразования. Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости при неизменной температуре:

(2)

рис. 1

В СИ удельная теплота парообразования измеряется в .

Величина зависит от температуры, при которой происходит парообразование. Опыт показывает, что при повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. На приведенном графике (рис. 1) показана зависимость от для воды.

В данной работе определяется удельная теплота парообразования воды с помощью процесса кипения, используя уравнение теплового баланса при конденсации водяного пара. Для этого берут калориметр (К) (см. рис. 2), в котором находится вода при температуре , водяной пар, имеющий температуру кипения , из колбы по паропроводу П вводится в холодную воду калориметра, где он конденсируется.

Через некоторое время трубку паропровода вынимают и измеряют температуру , установившуюся в калориметре и определяют массу введённого в калориметр пара.

рис. 2

Затем составляется уравнение теплового баланса.

При конденсации пара массой , выделяется теплота .

(3)

где - удельная теплота конденсации (она же удельная теплота парообразования). Сконденсировавшийся пар превращается в воду при температуре , которая затем, остывая до температуры , выделит теплоту .

(4)

Выделяемую при конденсации пара и охлаждения горячей воды теплоту получает калориметр и вода в нём. За счёт этого они нагреваются от температуры , до температуры . Теплота, полученная калориметром и холодной водой, в нём вычисляется по формуле:

(5)

Уравнение теплового баланса составляется в соответствии с законом сохранения энергии при теплообмене.

При теплообмене сумма количеств теплоты, отданных всеми телами, у которых внутренняя энергия уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми телами, у которых внутренняя энергия увеличивается:

(6)

В нашем случае для теплообмена, который произошёл в калориметре, считаем, что потерь тепла в окружающую среду нет. Поэтому уравнение (6) запишем в виде: или

Из этого уравнения получаем рабочую формулу для вычисления величины по результатам опыта:

(7)

_{2. ХОД РАБОТЫ.}

1. Составить таблицу, в которую будут заноситься результаты измерений и вычислений по форме, приведенной в конце описания.

2. Взвесить внутренний сосуд калориметра, полученное значение занести в таблицу.

3. С помощью мензурки отмерить 150 200 мл холодной воды налить её в калориметр и измерить массу внутреннего сосуда калориметра с водой (m₂). Найти массу воды:

m_в= m₂ – m_к

Массу холодной воды записать в таблицу.

4. Измерить начальную температуру калориметра и воды в нём Значение , записать в таблицу.

5. Опустить наконечник паропровода в воду калориметра и впускать пар до тех пор, пока температура воды не повысится на 30°К - 35°К (q-температура после теплообмена).

6. Взвесить внутренний стакан калориметра и определить массу сконденсированного пара. Полученный результат запишите в таблицу. ( )

7. Значения удельных теплоёмкостей воды и вещества калориметра (алюминия) и табличное значение удельной теплоты парообразования воды даны в таблице результатов измерений и вычислений.

8. По формуле (7) вычислить удельную теплоту парообразования воды.

9. Вычислить абсолютную и относительную погрешность полученного результата относительно табличного результата по формулам:[2]

;

10. Сделать вывод о проделанной работе и полученном результате удельной теплоты парообразования воды.[3]

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Калориметр	Холодная вода	Начальная температура калориметра и воды	Температура после теплообмена	Величины, характеризующие пар	Погрешность
Масса	Удельная теплоёмкость	Масса	Удельная теплоёмкость	Температура	Масса	Удельная. теплота парообразования	Абсолютная	Относительная
Получ.	Табличн.
кг		кг				К	кг				%
									2,26×106

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ.

1. Каковы условия, при которых происходят фазовые переходы в веществе?

2. Что такое удельная теплота преобразования и от чего она зависит? В каких единицах измеряется эта величина?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО УРОВНЯ.

3. Как объяснить, что удельная теплота парообразования уменьшается с повышением температуры испаряющейся жидкости?

4. Возможно ли, что удельная теплота парообразования уменьшится и станет равной нулю? При каких условиях это может быть?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.

5. Почему в выполняемой работе удельная теплота парообразования воды определяется с помощью процесса кипения, хотя парообразование происходит при любой температуре?

6. Почему в данной работе принципиально невозможно получить точное значение удельной теплоты парообразования воды?

Лабораторная работа № 3.