Опис експериментальної установки
Експериментальна установка складається (рис. 2) з закритої судини, до якої під’єднується диференційна манометрична трубка (розташована вертикально) та трубка з поршнем (розташована горизонтально). Судина повністю заповнена водою, причому вода частково заповнює і манометричну трубку, і трубку з поршнем. Уздовж кожної з трубок розташована лінійка для визначення положення стовпчика води.
Рис. 2. Експериментальна установка з дослідження ізотермічного процесу.
1 – диференційна манометрична трубка; 2 – судина; 3 – трубка; 4 – початковий об’єм повітря; 5 – поршень.
Хід роботи
Заповнити систему водою залишивши початковий об’єм повітря у трубці.
Під’єднати поршень (шприц), заповнений повітрям.
Зафіксувати початкові положення стовпчиків води у трубці 1 (h0) та трубці 3.
Визначити довжину l0 повітряного стовпчика 4 у трубці 3
Зняти показання манометра h через кожні 2 мл ходу поршня.
Повторити процедуру у зворотному порядку.
Провести обробку результатів.
Обробка результатів.
Розрахувати об’єм повітря у системі для кожного експериментального вимірювання за формулою:
V0 – початковий об’єм повітря у системі, що складається з початкового об’єму повітря у трубці l0S та поршні Vp0:
h – висота стовпу рідини у манометричній трубці;
S – площа перетину манометричної трубки;
Vр – об’єм рідини, що вийшов з-під поршня (визначається за положенням поршня по шкалі об’ємів на шприці).
Нанести експериментальні точки у системі координат р(V) та р(1/V) (не забудьте, що диференційний манометр показує надлишковий тиск над атмосферним. Абсолютний тиск є їх сумою!).
За методом найменших квадратів визначити залежність р(1/V), що апроксимує експериментальну залежність та нанести відповідну пряму на графік з експериментальними точками.
Перевірити закон Бойля-Маріота.
Оцінити значення тиску, що відповідає нескінченному об’єму шляхом підстановки відповідного об’єму у отриману лінійну залежність р(1/V).
Метод найменших квадратів
Коефіцієнти
прямої, що відповідає найменшій сумі
квадратів відхилень значень від вихідних
точок
визначаються за наступними формулами:
;
де:
;
;
;
Для даної роботи х0 відповідає тиску, х1 – зворотному об’єму.
Контрольні питання.
Чи має істотне значення для досліду площа поперечного перерізу шприца?
Між якими величинами і яку залежність виражає закон Бойля-Маріотта?
Чому реальні гази тільки наближено підлягають газовим законам?
Чи створює тиск газ який перебуває в стані невагомості?
Яка величина визначає кут нахилу прямої для ізотермічного процесу у р(1/V) координатах?
Лабораторна робота №3
ДОСЛІДЖЕННЯ ІЗОБАРИЧНОГО ПРОЦЕСУ.
ЗАКОН ГЕЙ-ЛЮССАКА
Мета роботи
Дослідження залежності об’єму повітря від температури в замкненому об'ємі. Оцінити положення абсолютного нуля температур.
Завдання
1. Виміряти залежність об’єму від температури повітря при його охолодженні в закритій судині.
2. Перевірити справедливість закону Гей-Люссака.
3. Оцінити значення об’єму, що відповідає абсолютному нулю температури по шкалі Кельвіна шляхом обробки масиву даних за допомогою метода найменших квадратів.
Загальні відомості
Закон Гей-Люссака —закон теплового розширення газів: при сталому тискуі залежність об'єму V даної маси газу від термодинамічної температури Т описується формулою:
,
(1)
Закон має назву за іменем французького вченого Жозефа-Луї Гей-Люссака який встановив його у 1802 році. Разом із законами Бойля-Маріотта та Авогадро слугував основою для виводу рівняння стану ідеального газу.
Це співвідношення виконувалося для будь-яких кількостей будь-якого газу незалежно від його хімічної природи, у тому числі для повітря при тисках, які не дуже сильно перевищують атмосферний. Графіки, що зображують ізобари в осях об’єм–температура), являють собою прямі лінії, що перетинають вісь температури при Т=0 К для будь-якої порції газу, як це показано на рис.1.
Рис. 1. Ізобарний процес у V-Т координатах