Проверка закона бойля - мариотта

ФИЗИКА

Механика

ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ - МАРИОТТА

Методические указания к лабораторной работе№14 для направления подготовки

специалистов:	130400.65	- Горное дело
	190109.65	- Наземные транспортно-технологические средства
бакалавров:	080200.62	- Менеджмент
	140400.62	- Электроэнергетика и электротехника
	220400.62	- Управление в технических системах
	270800.62	- Строительство
	190600.62	- Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Губкин,2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В.С. Черномырдина»

Губкинский институт (филиал)

УТВЕРЖДЕНО

Директором Губкинского

института (филиала) МГОУ

ФИЗИКА

Механика

ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ - МАРИОТТА

Методические указания к лабораторной работе №14 для направления подготовки

специалистов:	130400.65	- Горное дело
	190109.65	- Наземные транспортно-технологические средства
бакалавров:	080200.62	- Менеджмент
	140400.62	- Электроэнергетика и электротехника
	220400.62	- Управление в технических системах
	270800.62	- Строительство
	190600.62	- Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Губкин, 2011

УДК 53

Ф 50

Физика. Часть 1.Проверка закона Бойля-Мариотта: Методические указания к лабораторной работе№14/ Сост. А.Н. Ряполов, Н.В. Ряполова; Рец. к.т.н., доцент кафедры физики КГТУ А.А. Чернышова, к.т.н., зав.кафедрой теоретической и прикладной механики ГИ (филиала) МГОУ доцент И.С. Булгаков. - Губкин.: ГИ МГОУ, 2011.- 12с.

Методические указания включают рекомендации и указания по выполнению лабораторной работы, в которой экспериментально определяется и теоретически вычисляется с использованием законов Дальтона и Бойля-Мариотта указанное давление газов.

Указания содержат краткую теоретическую часть (даны определения многим термодинамическим понятиям, сформулированы законы Бойля-Мариотта и Дальтона), описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы.

Предназначены для студентов технических специальностей вузов.

© Губкинский институт (филиал) Московского государственного

открытого университета, 2011.

© А.Н. Ряполов, Н.В. Ряполова, 2011.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14

ПРОВЕРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ - МАРИОТТА

Цель работы: изучение и применение изотермического процесса, проверка закона Бойля-Мариотта.

Приборы и материалы: лабораторный комплекс ЛКТ - 9 №03.

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

В молекулярной физике и термодинамике мы имеем дело с системами, состоящими из большого числа частиц, т. е. с макроскопическими системами. Для одной частицы в отдельности нельзя указать ее координату и направление движения, определить темпера­туру и давление. Измеримы только параметры состояния совокуп­ности молекул, т. е. макроскопические характеристики.

Рассмотрим идеализированную модель реальных газов - идеальный газ. Идеальным называют такой газ, для которого можно пренебречь размерами молекул, силами молекулярного взаимодействия, соударения молекул в таком газе происходят, по закону соударения упругих шаров. Реальные газы ведут себя подобно идеальному, когда среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, т. е. при достаточно больших разреже­ниях.

Состояние некоторой массы газообразного вещества характери­зуют зависимыми друг от друга физическими величинами, называ­емыми параметрами состояния. К ним относятся объем , давление , и температура .

Между параметрами и существует однозначное соотношение. В общем виде это соотношение - уравнение состояния - для простых систем может быть записано следующим образом . С помощью уравнения состояния всегда по двум параметрам можно определить третий.

Всякое изменение состояния тела называется термодинамиче­ским процессом. В любом термодинамическом процессе изменяются параметры, определяющие состояние тела.

Нет ни одного процесса, при котором изменялся бы только один параметр. Изменение одного параметра ведет к изменению осталь­ных. Процесс, при котором, один из параметров сохраняется по­стоянным, а два других изменяются, называют изопроцессом.

Процесс, происходящий в газе при постоянной температуре, называется изотермическим (от греческих слов: «изос» - равный; «термос» - теп­лый), при постоянном объеме - изохорическим (изохорным), при посто­янном давлении - изобарическим (изобарным).

Закон Бойля - Мариотта устанавливает зависимость давле­ния от объема при постоянной температуре: давление газа данной массы ( ) при постоянной тем­пературе изменяется обратно пропорционально его объему

.

Этот закон можно сформулировать иначе: произведение давления на объем для данной массы газа есть величина постоянная, т. е.:

. (1)

Величина константы - своя для каждой температуры данного газа.

Для поддержания постоянной температуры исследуемый газ дол­жен находиться в хорошем тепловом контакте с окружающей сре­дой, имеющей неизменную температуру. В этом случае говорят, что газ находится в контакте с термостатом - большим тепловым ре­зервуаром, на состояние которого не влияют любые изменения, про­исходящие с исследуемым газом.

Закон Бойля - Мариотта хорошо выполняется для всех газов и их смесей в широком диапазоне температур и давлений. Отклонения от этого закона становятся существенными лишь при давлениях, в не­сколько сотен раз превышающих атмосферное, и при достаточно низ­ких температурах.

Для наглядного изображения изменений состояния газа и проис­ходящих с ним процессов удобно использовать так называемые - диаграммы (рис.1), где по оси абсцисс откладываются значения объе­ма, а по оси ординат - давления.

Изотермический процесс для каждого газа графически изо­бражается серией (семейством) кривых на - диаграмме, называющихся изотермами. Они выражают зависимость между объемом и давлением этого газа, - каждая кривая для какой-нибудь одной температуры. В случае идеального газа эти кривые представляют собой гиперболы. Чем выше температура, тем дальше от координатных осей расположена соответствующая изотерма.

На практике очень часто приходиться встречаться со смесями газов (воздух, рабочие смеси в двигателях внутреннего сгорания, смеси отработанных газов и т. д.).

Закон Дальтона: давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений , входящих в неё газов:

.

Парциальное давление - давление, которое производил бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре.

Также как и закон Бойля - Мариотта, закон Дальтона не оправдывается для слишком сжатых газов.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лабораторный комплекс ЛКТ - 9 №03, состоит из баллона с двумя штуцерами объёмом ; баллона объёмом со штуцером; груши - помпы; пневмосистемы, которая, содержит манометр, кран и два штуцера.

В пневмосистеме (рис. 2) штуцер Ш1 подключен к манометру постоянно, штуцер Ш2 - пос­редством крана-зажима. Нормальное состояние крана - открытое (головка крана не затянута). При вращении головки крана по часовой стрелке пережимается шланг, соединяющий штуцер Ш2 с манометром. Постоянное пережатие шланга не рекомендуется, возможно временное слипание стенок шланга.

Если баллон объемом , в котором находится газ под давлением , соединить с баллоном объемом с газом под давлением , то при одинаковой и постоянной температуре баллонов установившееся в них давление равно

, (2)

а приращение давления в первом сосуде:

. (3)

Соотношения (2) и (3) верны как для полного давления, так и для измеряемого в опыте превышения давления над атмосферным.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Подключите баллон с двумя штуцерами посредством шланга к ма­нометру через штуцер Ш1.

2. Ко второму штуцеру баллона присоедините шланг груши-помпы.

3. Перекройте кран К1.

4. Накачайте в баллон воздух до давления 180-220 мм ртутного столба.

5. Затяните винтовой зажим на шланге груши-помпы.

6. Подождите 1-2 минуты до установления ком­натной температуры воздуха в баллоне.

7. Зарегистрируйте давление и занесите в таблицу 1 (результаты всех последующих измерений также заносите в таблицу 1). В качестве измеряемых величин используйте превышениядавлений над атмосферным давлением.

Таблица 1

л; л; мм рт. ст.; = мм рт. ст.
№ опыта
, мм рт. ст.
, мм рт. ст.
< >, мм рт. ст.
, мм рт. ст.

8. При закрытом кране К1 подключите к штуцеру Ш2 баллон извест­ного объема , в котором находится воздух при атмосферном давле­нии и температуре . Для того, чтобы температура равнялась комнатной температуре , старайтесь не держать баллоны в руках, берите их за горлышко.

9. Откройте кран К1.

10. Подождите 1-2 минуты и зарегистрируйте установившееся баллонах давление .

11. Проверьте соотношение (2):

.

12.Рассчитайте приращение давления в первом сосуде:

.

13.Закройте кран К1, выпустите воздух из баллона объёмом

( мм рт. ст.).

14.Повторите пункты 4 – 11 несколько раз (при фиксированном давлении , полученном в п. 4).

15.Рассчитайте погрешности измерения по формулам:

и .

Контрольные вопросы

1. Что такое термодинамические параметры?

2. Какие термодинамические параметры вам известны?

3. Какой газ называется идеальным?

4. Что такое уравнение состояния идеального газа?

5. Какие процессы называются изотермическими, изобарическими, изохорическими?

6. Приведите и поясните закон, которому подчиняется изотермический процесс.

7. Чем определяется числовое значение константы в правой части уравнения закона Бойля - Мариотта?

8. Что имеют в виду, когда говорят, что изучаемая система находится в контакте с термостатом?

9. Как называется кривая графика закона Бойля - Мариотта?

10.Объясните закон Бойля - Мариотта с точки зрения молекулярно - кинетической теории.

11. Объясните отступления от закона Бойля - Мариотта при больших давлениях.

12. Как формулируется закон Дальтона?

13. Что такое парциальное давление?

14.Сделайте вывод формул (2) и (3).

ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: учеб.пособ./Т.И.Трофимова.- М: Академия, 2004.- 560с.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики [Текст]: в 5-ти кн.: учеб.пособ. / И.В. Савельев.- М.: Астрель: АСМ, 2005. кн.1: Механика,- 336 с.