Физика (стр. 16 )

Допустим, в некотором сосуде находится воздух массой при температуре Т и давлении (атмосферном). Откачаем из него насосом часть воздуха до давления , тогда масса сосуда с оставшимся в нем воздухом станет равной . Таким образом, масса удаленного воздуха , находясь в сосуде, имела парциальное давление при температуре T опыта, т. е. эта масса газа имела бы давление P, если бы она занимала весь объем баллона при температуре T.

По уравнению газового состояния:

(2)

можно найти объем , который занимала бы при нормальных условиях удаленная часть воздуха массы m:

. (3)

Подставив (3) в формулу (1), получим:

. (4)

Формула (4) является окончательной для определения плотности воздуха при нормальных условиях, выраженной через непосредственно измеряемые величины.

Экспериментальная установка представлена на рис. 1. Она включает вакуумный насос Н, баллон с воздухом Б, манометр М для измерения давления воздуха в баллоне, вакуумную тарелку С с краном К и трехходовой кран Т. Схемы рабочих положений трехходового крана показаны на рис. 2: положение 1 – насос и баллон сообщены с атмосферой; положение 2 – откачка воздуха из баллона; положение 3 – баллон изолирован от насоса и атмосферы.

Рис. 1

Рис. 2

Измерения и обработка результатов

1. Определите массу вместе с содержащимся в нем воздухом, предварительно проверив, что кран Т открыт (положение 1).

2. Соедините баллон с насосом Н через вакуумную тарелку С, снабженную манометром М, как показано на рис. 2 (положение 2).

3. Удостоверьтесь, что кран К вакуумной тарелки открыт (см. рис. 1), включите насос Н и выкачайте из баллона воздух до давления

4. Отсоедините баллон от установки. Произведите это в следующем порядке:

а) плавно закройте трехходовой кран Т, переведя его в положение 3 (см. рис. 2);

б) выключите вакуумный насос Н;

в) аккуратно отсоедините шланг баллона с трехходовым краном Т от вакуумной тарелки С.

5. Определите массу баллона после откачки из него воздуха.

6. По имеющейся на баллоне надписи установите его объем V.

7. Измерьте температуру воздуха T и атмосферное давление P по барометру – анероиду, находящемуся в лаборатории.

8. Опыт повторите три раза.

9. Вычислите по формуле (4) плотность воздуха при нормальных условиях , где i = 1, 2, 3 для трех измерений) в системе СИ.

10. Вычислите среднее значение :

.

11. Вычислите абсолютную погрешность отдельного измерения

и среднюю предельную абсолютную погрешность

.

12. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 1.

Таблица 1

, м3	№ измерения
, К	1
, К	2
, Па	3
Среднее значение

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется плотностью вещества?

2. Что называется массой тела, весом тела?

3. Выведите рабочую формулу (4).

4. В каких единицах измеряется масса газа, плотность газа в системе СИ?

5. Что такое высокий, средний и низкий вакуумы?

6. В чем заключается принцип действия форвакуумного насоса?

7. Какие свойства газов лежат в основе процесса откачки?

8. В каких единицах измеряется давление в системе СИ?

Работа № 3. Определение отношения теплоемкостей газа
методом Клемана – Дезорма

Цели: 1) экспериментально определить отношения теплоемкостей для воздуха; 2) сравнить и проанализировать полученные результаты с выводами кинетической теории газов.

Оборудование: стеклянный сосуд с краном, ручной насос, водяной U – образный манометр.

Теоретические основы метода и описание экспериментальной
установки

Теплоемкостью тела называется отношение , где − количество теплоты, сообщенное телу в каком-то процессе, а − изменение его температуры, вызванное этим процессом.

Молярная теплоемкость – теплоемкость одного моля вещества. 1 моль – это количество вещества системы, в которой содержится столько же структурных элементов (атомов для атомарного вещества; молекул – для вещества с молекулярной структурой), сколько содержится их в 12 г изотопа углерода . Число частиц в одном моле вещества известно – это число Авагадро: . Удельная теплоемкость – теплоемкость единицы массы вещества. Между ними существует связь:

, (1)

где C – молярная теплоемкость, Дж/(моль·К), с – удельная теплоемкость, Дж/(моль·К), − масса одного моля вещества, кг/моль.

Вообще говоря, теплоемкость − переменная величина, но для ряда процессов в широком диапазоне температур эти изменения столь невелики, что, например, удельную теплоемкость можно характеризовать как количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус, которое можно записать в виде:

.

Для сведения: под теплоемкостью в дальнейшем будем подразумевать молярную теплоемкость. У газов характерными величинами являются и − теплоемкости при постоянном давлении и объеме соответственно. Для идеальных газов справедливо уравнение Майера:

, (2)

где – универсальная газовая постоянная.

Молекулярно-кинетическая теория устанавливает следующее соотношение для :

, (3)

где i – число степеней свободы молекул. Из выражений (2) и (3) имеем:

. (4)

Это отношение обозначается буквой и для воздуха (i = 5) . Отношение теплоемкостей входит в уравнение Пуассона

, (5)

или

, (6)