Физика (стр. 15 )

Оборудование: термостат с нагревателем и мешалкой, водяной манометр (трехколенный), стеклянная колба с резиновой пробкой, термометр 0–100°С, барометр – анероид.

Теоретические основы метода и описание экспериментальной
установки

Известно, что для данной массы газа при постоянном объеме (V=const) давление газа изменяется линейно с температурой (закон Шарля):

, (1)

где − давление при t = 0 °C, − термический коэффициент давления, t − температура, в °C.

Для идеального газа

Для большинства реальных газов благодаря наличию сил притяжения между молекулами коэффициент несколько превышает указанное значение. В частности, для кислорода и азота

Перепишем закон Шарля (1) в виде:

, (2)

где . Это уравнение прямой с начальной координатой и угловым коэффициентом . Измерив в опыте по мере нагревания воздуха соответствующие значения повышения температуры и давления, можно по полученным данным построить график прямой (2). Примерный вид такого графика представлен на рис. 1. Экстраполируя график прямой до пересечения с осью ординат, можно определить − давление, которое оказывал бы данный газ при t = 0 °C. Тогда угловой коэффициент можно определить так:

.

Рис. 1

Зная угловой коэффициент b, легко найти термический коэффициент давления:

.

Ясно, что численные значения коэффициента можно получить и аналитическим расчетом, не прибегая к графику. Для этого достаточно воспользоваться формулой:

, (3)

которая получается из соотношений:

, (4)

где и − соответственно значения давлений и температур двух различных экспериментальных точек.

Схема установки для проверки закона Шарля (газовый термометр) представлена на рис. 2.

Рис. 2

Баллон 4 соединяется через трехходовой кран 7 с открытым водяным манометром 8, который измеряет разность H между давлением в баллоне P и атмосферным давлением . Этот манометр имеет три колена: два неподвижных и одно подвижное. Подвижное колено можно перемещать по высоте. Разность давлений H измеряется по шкале, нанесенной на стойке 6. Включение мешалки 2 и нагревателя 3 осуществляется тумблерами, размещенными на панели термостата 1. Измерение температуры воздуха в баллоне производится ртутным термометром 5, опущенным в термостат.

Измерения и обработка результатов

1. Перед началом работы проверьте, заполнен ли термостат и водяной манометр водой. Кран, соединяющий баллон с водяным манометром, должен быть сообщен с атмосферой; уровни воды в неподвижных коленах должны быть одинаковыми и находиться в нижнем положении. Регулировка уровня осуществляется перемещением подвижного колена манометра.

2. Включите электродвигатель мешалки (тумблером на панели термостата). В дальнейшем он не выключается до конца работы. Снимите начальное показание термометра в термостате, допустим, t = 20°C. Включите на короткое время нагрев и при достижении 23°C выключите. Поднимая или опуская подвижное колено манометра, установите мениск воды в левой трубке на нуль. Кран, соединяющий баллон с манометром, переведите в положение, изолирующее баллон от атмосферы.

3. Вновь включите нагрев. По мере нагревания левый водяной мениск будет опускаться вниз и исчезать из поля зрения. Для того чтобы нагревание газа происходило при постоянном объеме, необходимо постоянно поддерживать левый мениск на нуле шкалы манометра путем поднятия подвижного колена манометра.

4. При достижении температуры, например, 28°C, выключите нагрев и произведите отсчет разности уровней воды в манометре. Аналогичные измерения произведите при 33 °C, 38 °C, 43 °C и т. д. (т. е. через каждые 5 °C). Для получения большего количества измерений интервал изменения температуры можно взять в 3 °C. Нагревать термостат выше 65 °C не следует. Все отсчеты производить при выключенном нагревателе. Результаты измерений занести в табл. 1.

Таблица 1

t, °C	28	33	38	43	48	53	58	63
H, мм вод. ст.
Р, Па

5. Измерьте атмосферное давление по барометру – анероиду и вычислите давление в баллоне для всех опытов (1 мм вод. ст. = 9.81 Па). Результаты оформите в табл. 2.

6. По окончании измерений опустите подвижное колено манометра в нижнее положение и откройте кран (сообщите с атмосферой). Затем термостат охладите до комнатной температуры, пропуская через него воду из водопроводной сети.

7. По данным таблицы на миллиметровке размером 15×20 см постройте график зависимости давления в баллоне от температуры. Прямолинейность этого графика будет являться подтверждением справедливости закона Шарля (1). Продолжая прямую до пересечения с осью P, определите с возможной точностью . По этому значению и давлению P при некоторой температуре t (например, 60°C) найдите термический коэффициент давления, как описано выше.

8. Вычислите термический коэффициент по формуле (3) для двух произвольных экспериментальных точек. Укажите, в чем недостаток этого метода определения термического коэффициента давления.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое идеальный газ?

2. Какими законами описываются изотермический, изобарический и изохорический процессы?

3. При каких условиях реальный газ близок по своим свойствам к идеальному газу?

4. Выведите уравнение Клапейрона – Менделеева.

5. Объясните методику выполнения данной работы. Как осуществляется условие постоянства объема газа?

6. Что такое термический коэффициент давления? Какой физический смысл он имеет?

7. Как влияет на величину взаимодействие между молекулами в реальном газе?

Работа № 2. Определение плотности воздуха

Цель: экспериментальное определение плотности воздуха при нормальных условиях.

Оборудование: вакуумный насос с электроприводом, вакуумная тарелка с краном и манометром, барометр – анероид, термометр, баллон для взвешивания воздуха, весы технические, разновес.

Теоретические основы метода и описание экспериментальной
установки

Плотностью газа называется физическая величина, равная отношению массы газа к его объему:

.

В системе СИ плотность измеряется в кг/м3. Так как плотность газа зависит от температуры и давления, то принято значение плотности газов записывать для нормальных условий, т. е. для температуры и давления , .

Пусть − занимаемый массой воздуха m при нормальных условиях, тогда плотность воздуха при этих условиях можно вычислить по формуле:

. (1)

Воздух в лаборатории находится, как правило, в условиях, отличных от нормальных. Для нахождения в данной работе масса воздуха определяется взвешиванием, а объем этой массы при нормальных условиях вычисляется из уравнения газового состояния по известному объему V при температуре и давлению воздуха во время проведения опыта.