- •Лабораторная работа № 26 Уравнение состояния идеального газа
- •Теоретическая часть
- •Описание установки
- •Экспериментальная часть
- •Подготовка к работе
- •Литература
- •Приложение
- •1. Подготовка к проведению изотермического процесса
- •2. Подготовка к проведению изохорного процесса
- •3. Подготовка к проведению изобарного процесса
Описание установки
Экспериментальная установка для проведения изопроцессов показана на рис. 1. Объектом исследования является воздух внутри газового шприца 1 объёмом 100 мл. Объём воздуха ограничен поршнем 2. Шприц находится внутри стеклянного корпуса 3. Пространство между шприцом и стенками корпуса заполняют водой. Температуру воды можно изменять с помощью нагревателя 4, расположенного под нижней частью стеклянного корпуса 3. При нагреве воду перемешивают магнитной мешалкой 5, обеспечивая таким образом равномерный прогрев воздуха в шприце. Давление воздуха контролирует датчик 6. Датчик давления 6 соединён со шприцом посредством короткой трубки-переходника. В специальное отверстие в верхней части корпуса 3 помещают полупроводниковый датчик температуры 7. Нижняя часть датчика 7 должна быть погружена в воду. Датчик давления 6 подключают ко входу S1, а датчик температуры 7 ко входуS2 электронного блокаCobra-3 (8). Блок 8 является универсальным интерфейсом для контроля, измерения и обработки результатов эксперимента. Это устройство через информационный кабель 9 передаёт в компьютер показания датчиков.
Изотермический процесс проводится при
комнатной температуре. В этом исследовании
вручную изменяют объём воздуха в шприце,
перемещая поршень 2. Значение объёма
можно определить по шкале, нанесённой
на шприц. Текущее значение давления
измеряется датчиком 6.
При изохорном процессе нагревают воду, находящуюся в стеклянном корпусе 3. Если скорость нагрева не велика, температура воздуха в шприце равна температуре воды. При нагревании поршень будет перемещаться, чтобы выровнялись давления воздуха снаружи и внутри шприца. После повышения температуры на заданную величину поршень нужно вернуть в исходное положение и, удерживая его, зафиксировать значения давления и температуры.
При изобарном процессе измеряется зависимость объёма воздуха от температуры при атмосферном давлении. Для этого в процессе нагревания в шприце вручную устанавливается объём, который требует программа в очередном цикле измерений. Значение температуры сохраняется в тот момент, когда датчик давления фиксирует равенство давления воздуха внутри шприца атмосферному давлению.
Экспериментальная часть
Упражнение 1.Изотермический процесс.
1. Для подготовки к эксперименту выполните все пункты первой части Приложения.
2. Проведение изотермического процесса.
2.1. В окне «Объём V» отображается значение объёма, при котором надо сделать первое измерение. Переместите вращательным движением поршень шприца, чтобы установить соответствующий объём. Сделайте измерение: удерживая поршень, нажмите кнопку «Сохранить значение» в окне «Измерение». Программа«Measure»запомнит текущие показания датчиков давления и температуры, а также объём.
2.2. В окне «Объём V» появится значение объёма, при котором нужно провести следующее измерение. Переместите поршень шприца вправо до этого объёма. Измерьте новое давление и температуру, нажав кнопку «Сохранить значение».
2.3. Постепенно увеличивайте объём воздуха в шприце. Сохраняйте результаты измерения, нажимая кнопку «Сохранить значение». Измеренные значения будут отображаться на графике в соответствующем окне. Сделайте 10÷15 измерений. По окончании отпустите поршень.
2.4. В окне «Измерения» нажмите кнопку
«Закрыть». На экране появится окно
с графиками зависимостей
от номера измерений.
2.5. На панели инструментов нажмите кнопку
«Таблица». Появится окно со всеми
измеренными значениями.Перепишите
в тетрадьдавление
,
температуру
и объём
,
значения которых соответствует, примерно,
среднему объёму в выполненном эксперименте.
Эти значения нужны для расчета погрешности.
Закройте окно с таблицей данных.
3. Определение количества воздуха в шприце.
Как следует из уравнения состояния
идеального газа (8), в изотермическом
процессе давление будет линейно зависеть
от величины
:
,
где
− угловой коэффициент приведённой
линейной функции. По известному значению
можно найти
− количество воздуха в шприце при
изотермическом процессе.
|
|
|
Рис. 2. Окно «Управление каналами». |
|
Уравнение
аппроксимирующей прямой Параметры
дисплея Регрессия Таблица Символ■ |
|
Рис. 3. Зависимости |
Отобразите экспериментально измеренные
точки. На панели инструментов нажмите
кнопку «Параметры дисплея» (рис.
3). В открывшемся окне, в пункте «Символы»,
выберите символ●
и нажмите «Да». Местоположения
этого символа на графике будут
соответствовать измеренным значениям
и
.
В программе «Measure» реализована возможность аппроксимации дискретного множества измеренных величин линейной функцией. На панели инструментов нажмите кнопку «Регрессия». На экране появится аппроксимирующая прямая и её уравнение (рис. 3). Передвигая мышью символ «■», выберите наиболее подходящую область аппроксимации. Запишите получившееся уравнение в тетрадь. Покажите график преподавателю. Зарисуйте его в тетрадь.
Рассчитайте среднее значение количества воздуха в шприце:
,
где
− угловой коэффициент аппроксимирующей
прямой. Все вычисления необходимо
проводить в международной системе
единиц (СИ). Например, 1 мл = 10-3 л =
10-6 м3.
При расчёте абсолютной погрешности
учтите следующее. Погрешность объёма
определяется толщиной риски на поршне
шприца. Рекомендуется считать, что
мл. Погрешность давления и температуры
зависит как от погрешности калибровочных
значений
,
,
так и от приборной погрешности
соответствующих датчиков. Проверьте,
что погрешности калибровочных значений
равны
гПа и
К8.
По данным производителя погрешность
датчиков
гПа и
К. В итоге
гПа,
К. Запишите значения
,
и
в тетрадь.
Рассчитайте относительную погрешность
,
используя значенияp,
V иT
из пункта 2.5. Рассчитайте абсолютную
погрешность
.
Запишите результат в виде
моль.
Упражнение 2.Изохорный процесс (выполняется бригадами с нечётным номером).
1. Для подготовки к эксперименту выполните все пункты второй части Приложения.
2. Проведение изохорного процесса.
2.1. Сделайте первое измерение: перемещая вращательным движением поршень, доведите объем в шприце до 50 миллилитров, в окне «Измерение» нажмите кнопку «Сохранить значение».
2.2. Включите нагреватель (рис. 1)9. В процессе нагрева не забывайте перемешивать воду в стеклянном корпусе с помощью магнитной мешалки.
2.3. После каждого увеличения температуры
на
К устанавливайте объем воздуха в шприце
в 50 миллилитров, перемещая поршень
вращательным движением. Сохраняйте
результат измерения давления и
температуры, нажимая кнопку «Сохранить
значения».
2.4. При температуре примерно 360 К выключите нагреватель.
2.5. В окне «Измерения» нажмите
кнопку «Закрыть». На экране появится
окно с графиками зависимостей
от номера измерения.
3. Определение количества воздуха в шприце.
Как следует из уравнения состояния идеального газа (8), в изохорном процессе давление линейно зависит от температуры:
,
где
− угловой коэффициент приведённой
линейной функции. По угловому коэффициенту
можно найти
− количество воздуха в шприце при
изохорном процессе.
На панели инструментов нажмите кнопку
«Таблица». Появится окно со всеми
измеренными значениями. Перепишите в
тетрадь значение давления
и температуры
не менее чем в пяти экспериментальных
точках. Закройте окно с таблицей данных.
На миллиметровой бумаге постройте
график зависимости
.
Интервал значений температуры
на оси абсцисс рекомендуется такой,
чтобы
К. Интервал значений давления
на оси ординат рекомендуется следующий:
гПа.Обозначьте на графике поля
погрешностей. Значения
,
,
возьмите в первом упражнении. Определите
угловой коэффициент
Па/К. Зная
,
определите
.
При расчетё
учтите, чток объёму шприца 50 мл нужно
прибавить 1 мл– это объём короткой
трубки-переходника. Сравните
со значением
.
4. Определение
.
Из (8) и (9) следует, что температурный
коэффициент давления
связан с
уравнением
.
Экстраполируйте прямые с максимальным
и минимальным угловым коэффициентом
до оси ординат. Определите
− давление воздуха при температуре
К − и погрешность этого давления.
Рассчитайте
и сравните его с теоретическим значением,
приведенным в уравнении (11), сделайте
выводы.
Упражнение 3.Изобарный процесс (выполняется бригадами с чётным номером).
1. Для подготовки к эксперименту выполните все пункты третьей части Приложения.
2. Проведение изобарного процесса.
2.1. Проверьте равенство объёма шприца
значению объёма на экране монитора.
Сделайте первое измерение: в окне
«Измерение» нажмите кнопку «Сохранить
значение». Программа«Measure»сохранит текущие значения параметров
и
.
В окне «Объём V»
появится значение объёма, при котором
нужно провести следующее измерение.
2.2. Запишите в тетрадь показание датчика давления.
2.3. Включите нагреватель10. В процессе эксперимента не забывайте перемешивать воду в стеклянном корпусе с помощью магнитной мешалки. Вручную перемещая поршень, установите величину объёма равную значению, заданному в окне «Объём V».
2.4. Когда показание датчика давления станет равно значению давления, записанному в тетрадь в пункте 2.2, нажмите кнопку «Сохранить значение». Возможно, что перед этим потребуется дополнительная регулировка положения поршня.
2.5. Следя за увеличением значения объёма в окне «Объём V», устанавливайте соответствующий объём в шприце. Выполняйте очередное измерение,когда давление будет достигать величины, зафиксированной в п.2.2
2.6. После достижения температуры 360 К выключите нагреватель.
2.7. В окне «Измерения» нажмите кнопку
«Закрыть». На экране появится окно
с графиками зависимостей
от номера измерения.
3. Определение количества воздуха в шприце.
Как следует из уравнения состояния идеального газа (8), в изобарном процессе объём будет линейно зависеть от температуры:
,
где
− угловой коэффициент приведённой
линейной функции. По угловому коэффициенту
можно найти
− количество воздуха в шприце при
изобарном процессе.
На панели инструментов нажмите кнопку
«Таблица». Появится окно со всеми
измеренными значениями. Перепишите в
тетрадь значение объёма
и температуры
не менее чем в пяти экспериментальных
точках. К каждому значениюобъёма
шприца нужно прибавить 1 мл– это
объём короткой трубки-переходника.
Закройте окно с таблицей данных.
На миллиметровой бумаге постройте
график зависимости
.
Интервал значений температуры
на оси абсцисс рекомендуется такой,
чтобы
К. Интервал значений объёма
на оси ординат рекомендуется следующий:
мл.Обозначьте на графике поля
погрешностей. Значения
,
,
возьмите в первом упражнении. Определите
угловой коэффициент
м3/К. Зная
,
определите
.
Сравните
со значением
.
4. Определение
.
Из (8) и (10) следует, что температурный
коэффициент объёмного расширения
связан с
уравнением
.
Экстраполируйте прямые с максимальным
и минимальным угловым коэффициентом
до оси ординат. Определите
− объём воздуха при температуре
К − и погрешность этого объёма. Рассчитайте
и сравните его с теоретическим значением,
приведенным в уравнении (11), сделайте
выводы.








