Главная страница
Навигация по странице:

  • Краткая теория

  • Контрольные вопросы

  • Список литературы

  • Изотермический процесс. Изотермический процесс (1). Закон для любой постоянной массы газа (а значит, и для одного моля газа) имеет вид


    Скачать 0.93 Mb.
    НазваниеЗакон для любой постоянной массы газа (а значит, и для одного моля газа) имеет вид
    АнкорИзотермический процесс
    Дата17.12.2021
    Размер0.93 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаИзотермический процесс (1).doc
    ТипЗакон
    #307057


    2.01. Проверка закона изотермического процесса Бойля -‑ Мариотта
    Установка моделирует лабораторную работу «Проверка закона изотермического процесса Бойля - Мариотта».
    Цель работы: экспериментальным путем проверить верность закона Бойля – Мариотта (доказать постоянную PV).

    Краткая теория

    Для реальных и идеальных газов, уравнение состояния можно описать тремя параметрами P, V, T и получить уравнение состояния идеального газа:

    . (1.1)

    Это соотношение может принять такой вид (с учетом для одного моля любого газа):

    .

    В 1834 году, физиком Бенуа Поль Эмиль Клапейрон, было открыто уравнение устанавливающее зависимость между давлением, объемом и температурой газа. Это уравнение имеет вид:
    pV = (ν1 + ν2 + ν3 + ...)RT.
    В форме (1.1) оно было впервые записано Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Поэтому уравнение состояния газа называется уравнением Клапейрона – Менделеева.

    Объединенный газовый закон для любой постоянной массы газа (а значит, и для одного моля газа) имеет вид:

    ,

    или

    .

    Необходимо выделить, что задолго до того, как уравнение состояния идеального газа было теоретически получено на основе молекулярно-кинетической модели, закономерности поведения газов в различных условиях были хорошо исследованы опытным путем. Поэтому уравнение можно рассматривать как обобщение опытных фактов, которые находят объяснение в молекулярно-кинетической теории.

    Газ может участвовать в различных тепловых процессах, при которых могут изменяться все параметры, описывающие его состояние (P, V и T). Процессы могут быть изображены на диаграмме состояний (например, в координатах PV) в виде некоторой траектории, каждая точка которой представляет равновесное состояние.

    Интерес представляют процессы, в которых один из параметров (P, V или T) остается неизменным. Такие процессы называются изопроцессами.

    Для пояснения приведем пример.

    Возьмем цилиндрический сосуд с плотно притертым поршнем. Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако если охлаждая сосуд при сжатии газа или нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т = const).

    Предоставим газу возможность расширяться и производить при этом работу против сил внешнего давления. Это можно осуществить следующим образом. Пусть в большой бутыли находится сжатый воздух, имеющий комнатную температуру. Сообщим бутыль с внешним воздухом, дадим воздуху в бутыли возможность расширяться, выходя из небольшого отверстия наружу, и поместим в струе расширяющегося воздуха термометр. Термометр покажет температуру, заметно более низкую, чем комнатная, а что будет указывать на понижение температуры воздуха в струе.

    Следовательно, сжатие газа внешней силой вызывает его нагревание, а расширение газа сопровождается его охлаждением.

    Из уравнения состояния идеального газа следует, что при постоянной температуре T и неизменном количестве вещества ν в сосуде произведение давления P газа на его объем V должно оставаться постоянным:

    pV = const

    Процесс изменения давления и объема газа при постоянной температуре называется изотермическим процессом.График зависимости давления газа от его объема при изотермическом процессе называется изотермой. На плоскости (PV) изотермы изображаются при различных значениях температуры T семейством гипербол P 

     1 / V (рис. 1.1).

    Так как коэффициент пропорциональности в этом соотношении увеличивается с ростом температуры, изотермы, соответствующие более высоким значениям температуры, располагаются на графике выше изотерм, соответствующих меньшим значениям температуры.



    Рис. 1.1. Семейство изотерм на плоскости (pV): T3 > T2 > T1

    Уравнение изотермического процесса, выражающее зависимость давления от объема газа при постоянной температуре было получено из эксперимента английским физиком Р. Бойлем (1662 г.) и независимо французским физиком Э. Мариоттом (1676 г.). Поэтому это уравнение называют законом Бойля–Мариотта

    .

    Однако закон Бойля-Мариотта перестает оправдываться, если перейти к большим давлениям.

    Ход работы

    1. Запустить виртуальный стенд.



    1. Установить начальные параметры газа: давление P0, температуру t0 и объем V0.

    2. Выбрать для исследования газ из пяти возможных: воздух, ацетилен, метан, аргон, углекислый газ.

    3. Нажать на кнопку «Пуск» для начала нагревания газа.

    4. При достижении кратных температур или давлений останавливать нагрев кнопкой «Пауза».

    5. Снять показания установившегося объема газа Vi и давления Pi и найти произведение РiVi.

    6. Продолжить нагрев, нажав на кнопку «Пуск».

    7. Вновь останавливать нагрев кнопкой «Пауза».

    8. Записать значения конечного объема Vi при увеличении давления Pi.

    9. Найти произведение РiVi и убедиться в их примерном равенстве, т.е. в справедливости закона Бойля‑Мариотта.

    10. Определить оценку абсолютной и относительной погрешностей измерения.

    11. Данные исследования занести в таблицу.

    №, п/п

    газ

    М, кг/моль (молярная масса)

    m, кг (масса газа)

    Начальные показатели

    P0, кПа (давление)

    V0, м3 (объем)

    t0, С (температура по Цельсии)

    T0, К (температура Кельвина)

    1






















    2

















































    Конечные показатели

    РiVi,

    кПа м3

    Р0V0,

    кПа м3

    (PV),

    кПа м3

    (PV),

    %

    Рi, кПа

    (давление)

    Vi, м3 (объем)

    ti, С

    (температура по Цельсию)

    Ti, К

    (температура Кельвина)









































































    1. Сформулировать выводы.

    Контрольные вопросы

    1. Записать уравнение состояния идеального газа.

    2. Объяснить в чем состоит суть закона Бойля – Мариотта.

    3. Зарисовать график изотермического процесса, и рассказать в чем его отличие от других изопроцессов.

    4. Каким физиком было получено уравнение устанавливающее связь между давлением, объемом и температурой газа? Записать это уравнение.

    5. Из чего состоит экспериментальная установка? Для чего служат те или иные приборы?

    6. Запишите основные приборы и оборудование, необходимые для проведения данной работы.

    Список литературы

    1. Курс физики. Т. 1: Механика. Молекулярная физика / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1989.

    2. Молекулярная физика / А.К. Кикоин, И.К. Кикоин. – М.: Наука, 1976.

    3. Лабораторный практикум по физике / Под ред. А.С. Ахматова – М.: «Высшая школа», 1980.

    4. Техническое описание экспериментальной установки ФПТ1-8.

    5. Практические рекомендации по обработке результатов измерений: Методические указания / Сост.: Л.П. Муркин, Н.В. Мышкина. – Куйбышев: КуАИ, 1992. .


    написать администратору сайта