Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений

1. Заполните дисцилированной водой стакан генератора до указанного на нём уровня.

2. Включите лабораторную установку тумблером «Сеть»

3. Включите осветительную лампу тумблером «Лампа».

4. Включите ультразвуковой генератор, при этом загорится индикаторная лампа. Регулятор интенсивности ультразвукового излучения переведите на отметку «I».

Через 5 секунд после включения генератора в стеклянной колбе можно наблюдать возникновение туманообразного «столба» частиц воды.

Распределение частиц воды установится через 10-15 минут.

5. Установите оптоэлектронное устройство в нижней части стеклянной трубки и через 1-2 минуты произведите измерение U по вольтметру.

6. Аналогичные измерения U выполните на различных высотах воздушного столба (4-5 измерений) и заполните таблицу.

7. Найдите отношения U/U₀ и их логарифм (ln).

8. Постройте график зависимости ln(U/U₀)=f(h).Убедитесь в линейности получаемой зависимости.

Таблица

№	h,м	U,мВ	U/U0	ln(U/U0)
1
2
3
4
5

Контрольные вопросы

6. Что называется атмосферным давлением?

7. Каким образом изменяется давление воздуха с ростом расстояния от поверхности Земли?

8. Объясните, почему давление воздуха с высотой уменьшается?

9. Получите барометрическую формулу.

10. В чём отличия распределений Максвелла и Больцмана?

11. Какова зависимость концентрации частиц от высоты над поверхностью Земли?

12. Каким будет распределение молекул воздуха при абсолютном нуле и высоких температурах? Объясните.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2-11

Изучение реальных газов

Цель работы: изучение изотерм реального газа (зависимости его давления от объема при заданной температуре); сравнение экспериментальной зависимости P(V) с теоретической для идеального газа; наблюдение фазового перехода газа в жидкость; оценка величины внутреннего давления.

Постановка задачи

Газ характеризуется давлением Р, температурой Т и объемом V. Для описания связи между этими параметрами имеются десятки уравнений. В их числе- законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, уравнение Менделеева-Клапейрона, которое еще называют уравнением состояния идеального газа, так как оно выводится из модели ,называемой моделью идеального газа. В этой модели газ-это собрание молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении и сталкивающихся между собой и молекулами стенок сосуда, подобно абсолютно упругим шарикам; взаимодействием молекул на расстоянии и их размерами в этой модели пренебрегают. Уравнение Менделеева-Клапейрона хорошо согласуется с экспериментом при небольших давлениях, когда молекулы находятся далеко друг от друга и их взаимодействие пренебрежимо мало.

PV= νRT (1),

где ν=m/μ  число молей, m  масса газа, μ молярная масса, R  универсальная газовая постоянная.

Законы теории идеального газа - приближенные. Расхождение их с экспериментом в широком диапазоне давлений и температур носит как количественный, так и качественный характер. Качественные отступления заключаются в том, что газы могут быть переведены в жидкое и твердое состояние, что не описывается уравнением (1).

Все газы (кислород, азот, углекислый газ и т.д.) при сжатии способны превращаться в жидкость. Однако это превращение может происходить только при температурах ниже так называемой критической температуры T_кр. Например, для воды критическая температура равна 647,3 К, для азота 126 К, для кислорода 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород только в газообразном состоянии.

В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, т. е., когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

С повышением температуры концентрация молекул пара (его плотность) и, следовательно, давление насыщенного пара возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При температуре, равной критической температуре T_кр для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми, а также исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром.

Рис. 1. Изотермы реального газа. Область I – газообразное вещество,

область II – двухфазная система «жидкость + насыщенный пар»,

область III – жидкость, K – критическая точка

Если изотермически сжимать ненасыщенный пар при T < T_кр, то его давление будет возрастать, пока не станет равным давлению насыщенного пара (участок АС на изотерме Т1), а на дне и стенках сосуда образуются капельки жидкости (конденсат) и устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. С дальнейшим уменьшением объема все большая часть пара конденсируется, а его давление остается неизменным (горизонтальный участок СД на изотерме Т1(рис. 1)) вплоть до полного исчезновения пара. Так как жидкость мало сжимаема, то даже для небольшого изменения ее объема потребуется большое давление. Поэтому участок изотермы ДЕ резко идет вверх.