Физика. Информатика. Портфолио.

Лабораторная работа № 

Тема: Исследование изохорного процесса.

Цель работы: исследовать зависимости давления газа от температуры при его изохорном охлаждении.

Оборудование:

• прозрачная трубка с кранами;
• манометрическая трубка;
• измерительная лента;
• штатив с лапкой;
• внешний стакан каториметра;
• термометр лабораторный;
• мерный цилиндр;
• сосуд с теплой водой.

Теоретическая часть

Из закона Шарля следует, что если объем определенного количества газа не изменяется, то изменение его давления и температуры удовлетворяет условию: P₁/T₁ = Р₂/Т₂ (1), где Р₁ и Р₂ - давление газа в исходном и конечном состояниях, а Т₁ и Т₂ - температура в этих состояниях.

В начале эксперимента определяют давление и температуру газа в нагретом состоянии. Затем его охлаждают при неизменном объеме и вновь определяют давление и температуру. После этого проверяют, насколько изменение этих параметров соответствует равенству (1).

Исследуемым газом является воздух, находящийся внутри прозрачной трубки. Чтобы его нагреть трубку укладывают плотно виток к витку в стакан каториметра. Перед этим один из кранов закрывают. Укладку начинают с того конца, на котором находится закрытый кран, и проводят так, чтобы конец с открытым краном оказался сверху. Затем в стакан наливают теплой воды. Уровень воды должен быть выше открытого крана не более чем на 5 - 10 мм.

Воздух в шланге при нагревании станет расширяться и из крана начнут выходить пузырьки. Когда температуры воздуха и воды сравняются, расширение прекратится и пузырьки перестанут образовываться. После отделения последнего пузырька кран закрывают.

Состояние воздуха в шланге в этот момент принимают за исходное и приступают к определению его параметров - температуры и давления. Температуру определяют термометром по температуре воды, а давление по показанию классного барометра - анероида. Такой способ измерения давления возможен по следующим соображениям. Пузырьки образуются до тех пор, пока давление воздуха в трубке не станет равным сумме давления атмосферы и столба воды над краном. Но так как уровень воды над краном по условию проведения опыта составляет всего несколько миллиметров, давлением водяного столба можно пренебречь по сравнению с давлением атмосферы. Исходя из этого, можно считать, что в исходном состоянии давление воздуха в трубке равно атмосферному давлению.

Измерив исходные параметры воздуха, его переводят в другое состояние путем охлаждения до комнатной температуры. Трубку извлекают из калориметра и в виде бухты вешают на лапку штатива. Лапка штатива предварительно закрепляется на стержне на высоте около 35 см от поверхности стола. Под лапку ставят мерный цилиндр, в который натито 15-20 мл воды. Термометр также вынимают из калориметра.

Затем один из кранов соединяют с манометрической трубкой. Делается это в следующей последовательности. Свободный конец трубки погружают до дна в мерный цилиндр. Верхнюю часть трубки слегка зажимают в лапке штатива, но так чтобы внутренний канат не оказатся полностью перекрытым. Еще раз проверяют, чтобы нижний конец трубки был бы погружен в воду. Только после этих операций трубку с помощью соединительного патрубка соединяют с краном.
При контакте с более холодным воздухом классного помещения воздух в большой трубке охлаждается, его давление падает, но объем остается постоянным. Если открыть кран, то на концах манометрической трубки возникнет разность давлений и вода из сосуда начнет втягиваться вверх по трубке до тех пор, пока давление столба воды в ней и давление воздуха в большой трубке не уравновесят атмосферного давления, то есть пока не наступит равенство: Р_ат = Р₂ + Р_в, где Р₂ - давление в трубке, а Р_в - давление столба воды в манометрической трубке. Отсюда Р₂ = Р_ат - Р_в. По высоте водяного столба определяют его давление и, зная давление атмосферы, вычисляют давление в большой трубке после охлаждения - Р₂. Температура в трубке в этот момент равна температуре воздуха в классе и определяется термометром.

Получив значения P₁, Р₂, T₁ и Т₂ находят отношения давления воздуха к его температуре в нагретом и охлажденном состоянии и проверяют насколько выполняется равенство (1) в условиях проведенного эксперимента.

Указания к работе

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

2. По показанию термометра определите температуру воздуха в классе t₂.

3. Уложите трубку во внешний стакан калориметра.

4. Заполните стакан теплой водой так, чтобы открытый кран оказатся бы погруженным не более чем на 5 - 10 мм.

5. По выделению пузырьков определите момент выравнивания температур воды и воздуха в трубке.

6. По температуре воды определите температуру в трубке - t₁.

7. С помощью барометра - анероида определите давление воздуха в трубке P₁ = Р_ат.

8. Закройте кран, извлеките трубку из стакана и поместите ее на штатив как сказано выше.

9. Присоедините к крану манометрическую трубку, выполняя последовательность действий, изложенную в предыдущем разделе.

10. Плавно откройте кран и наблюдайте за поднятием уровня воды в манометрической трубке. В момент, когда температуры воздуха в большой трубке и в комнате станут одинаковыми, поднятие уровня воды прекратится. Измерьте после этого разность уровней воды в трубке и в мерном цилиндре - h.

11. Вычислите величину давления водяного столба: Р_в = ρgh, где ρ - плотность воды, g - ускорение свободного падения, h - разность уровней.

12. Вычислите давление воздуха в трубке после охлаждения Р₂ = Р_ат - Р_в.

13. Переведите полученные значения температуры в градусы шкалы Кельвина Т = t + 273°.

14. Вычислите отношения P₁/T₁ и Р₂/Т₂.

15 Сделайте вывод о том, насколько полученный результат соответствует формуле (1). Укажите возможные причины расхождения экспериментальных данных с теорией.

Контрольные вопросы

1. Почему охлаждение воздуха в проведенном опыте можно считать изохорным?
2. Какие условия должны выполняться, чтобы изменения параметров газа соответствоваш закону ?