открытый урок. Какие термодинамические параметры изменились, а какие остались неизменными
 Скачать 49.47 Kb.
|
|
Проведем один занимательный опыт, которому уже около трехсот лет. Его приписывают французскому ученому Рене Декарту (по-латыни его фамилия – Картезий). Опыт был так популярен, что на его основе создали игрушку, которую и назвали «Картезианский водолаз». Прибор представлял стеклянный цилиндр, наполненный водой, в которой вертикально плавала фигурка человечка. Фигурка находилась в верхней части сосуда. Когда нажимали на резиновую пленку, закрывавшую верх цилиндра, фигурка медленно опускалась вниз, на дно. Когда переставали нажимать, фигурка поднималась вверх. Мы с вами проделаем этот опыт проще. Роль водолаза будет выполнять капельница-пипетка, а сосудом послужит обыкновенная бутылка.  Наполним бутылку водой, оставив два-три миллиметра до края горлышка. Возьмем пипетку, наберем в нее немного воды и опустим в горлышко бутылки. Она должна своим верхним резиновым концом быть на уровне или чуть выше уровня воды в бутылке. При этом нужно добиться, чтобы от легкого толчка пальцем пипетка погружалась, а потом сама снова всплывала. Теперь, приложив большой палец или мягкую часть ладони к горлышку бутылки так, чтобы закрыть его отверстие, нажмем на слой воздуха, который находится над водой. Пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабим давление пальца или ладони – она снова всплывет.Попробуем объяснить этот опыт. Дело в том, что мы немного сжали воздух в горлышке бутылки, и увеличенное давление воздуха передалось воде. Вода проникла в пипетку – она стала тяжелее и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил лишнюю воду, наш «водолаз» стал легче и всплыл. Какие термодинамические параметры изменились, а какие остались неизменными? Закон Бойля—Мариотта Первый газовый закон был открыт английским ученым Р. Бойлем в 1660 г. Работа Бойля называлась «Новые эксперименты, касающиеся воздушной пружины». И действительно, газ ведет себя подобно сжатой пружине, в этом можно убедиться, сжимая воздух в обычном велосипедном насосе. Бойль изучал изменение давления газа в зависимости от объема при постоянной температуре. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим (от греческих слов isos — равный, therme — тепло). Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой, в которой поддерживается постоянная температура, — термостатом. Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении опыта. Независимо от Бойля несколько позднее в 1676 году французский ученый Э. Мариотт пришел к тем же выводам. Поэтому найденный закон получил название закона Бойля—Мариотта. Согласно этому закону давление данной массы (или количества) газа при постоянной температуре обратно пропорционально объему газа. Закон Бойля-Мариотта: если при постоянной температуре происходит термодинамический процесс, вследствие которого газ переходит из одного состояния (p1 и V1) в другое (p 2и V2), то произведение давления на объем данной массы газа при постоянной температуре является постоянным: Закон Гей - Люссака В 1802 году французский ученый Ж. Л. Гей-Люссак, исследуя зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении, установил закон, названный со временем в его честь. Жозеф Луи Гей-Люссак (1778—1850) — французский физик и химик, установил, что коэффициент расширения всех газов одинаковый; исследовал температуру и влажность воздуха на высоте до 7 км, дважды поднимаясь в 1804 г. на воздушном шаре. Изобрел спиртометр, барометр и ряд других приборов. Стеклянную трубку с резервуаром, в котором был исследуемый газ, он помещал в нагреватель. Газ «закупоривался» маленькой капелькой ртути в трубке, размещенной горизонтально (рис. 1.8). Таким образом, давление газа в резервуаре всегда равнялось атмосферному. Температура газа в резервуаре с помощью нагревателя изменялась от 0 до 100°С. Изменение объема газа от V0 (при t0 = 0) до V при неизменном давлении фиксировалось благодаря перемещению капельки ртути. На основании наблюдений он сформулировал утверждение, названное в его честь законом Гей-Люссака. Закон Гей-Люссака. При постоянном давлении относительное изменение объема газа данной массы прямо пропорционально изменению температуры: Закон Шарля Один из пионеров воздухоплавания Жак Александр Сезар Шарль пришел в науку в результате своего увлечения строительством больших воздушных шаров, заполненных разогретым воздухом, — которые тогда только-только появились.Конструкция с использованием открытой газовой горелки, разработанная Шарлем более двух столетий назад, не претерпела принципиальных изменений и используется до наших дней.Закон, носящий его имя, Шарль сформулировал в 1787 году после ряда опытов с кислородом, азотом, водородом и углекислым газом. Чтобы понять закон Шарля, представьте себе воздух внутри воздушного шарика. При постоянной температуре воздух в шарике будет расширяться или сжиматься, пока давление, производимое его молекулами, не достигнет 101 325 паскалей и не сравняется с атмосферным давлением. Иными словами, пока на каждый удар молекулы воздуха извне, направленный внутрь шарика, не будет приходиться аналогичный удар молекулы воздуха, направленный изнутри шарика вовне. Если понизить температуру воздуха в шарике (например, положив его в большой холодильник), молекулы внутри шарика станут двигаться медленнее, менее энергично ударяя изнутри о стенки шарика. Молекулы наружного воздуха тогда будут сильнее давить на шарик, сжимая его, в результате объем газа внутри шарика будет уменьшаться. Это будет происходить до тех пор, пока увеличение плотности газа не компенсирует понизившуюся температуру, и тогда опять установится равновесие. В 1787 году Ж. Шарль экспериментально установил, что при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально температуре. ЗАКОН ШАРЛЯ При неизменном объеме V отношение давления p данной массы газа m к его абсолютной температуре T есть величина постоянная. |