1 семестр / molekulyarka_i_mekhanika_fizika_2015-16 / ЛабРаб_1_21 исправленная 12_12_2014 с погрешностями
.pdf
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.21
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ МЕТОДОМ ОТКАЧКИ»
I.Цель работы: Определение молярной (универсальной) газовой постоянной R – константы состояния идеального газа, одинаковой для всех газов.
II.Описание установки.
В работе используется установка ФПТ-1-12, выполненная в виде конструкции настольного типа, общий вид установки представлен на рис.1. В состав установки входят блок управления 1, приборный блок 2, колба 3 и технические весы 4.
На лицевой панели блока приборного установлен вакуумметр (5), термометр для измерения температуры окружающей среды (6), внутри блока установлен компрессор. Колба соединяется с выходным патрубком компрессора с помощью вакуумной трубки.
На лицевой панели блока управления имеются тумблер «Сеть» для включения питания установки и кнопка «Пуск» для включения компрессора.
Рис. 1. Общий вид установки ФПТ-1-12.
III. Методика измерений и расчетные формулы.
Молярную газовую постоянную можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона:
pV = Mm RT , (1)
1
где p – давление; V – объем; m – масса газа; M – молярная масса этого газа; T – абсолютная температура газа.
Все параметры газа, входящие в уравнение (1), за исключением массы газа, можно измерить непосредственно. Прямое измерения массы газа затруднено, так как взвешивание газа возможно только вместе с сосудом, в который он заключен. Поэтому для определения R из (1) необходимо исключить массу сосуда, например, с помощью рассмотрения двух состояний одного и того же газа с разными массами m1 и m2 при одинаковых значениях температуры T и объема V.
Из уравнений состояния (1) для двух значений массы газа можно получить следующее выражение для молярной газовой постоянной:
R= |
M ( p1− p2)V |
. (2) |
|
(m |
−m )T |
||
|
1 |
2 |
|
Поэтому, если измерить давление p1 и температуру Т для некоторой массы m1 газа, заключенного в сосуде объемом V и массой m0, а затем изменить массу газа в том же сосуде до величины m2, например, путем откачки, и измерить давление p2 при той же температуре Т, то по формуле (2) можно рассчитать молярную газовую постоянную.
IV. Порядок выполнения работы.
1. Подать напряжение питания на электронные весы и включить установку тумблером «СЕТЬ». При этом загорается сигнальная лампа.
2.С помощью электронных весов определить массу колбы с воздухом (m0 + m1) при давлении р.
3.Включить компрессор кнопкой «ПУСК» и, удерживая кнопку нажатой,
откачать воздух из колбы до давления p2. После этого, закрыв кран и выключив компрессор (отпустив кнопку «ПУСК»), измерить массу колбы с воздухом (m0 + m2 ) при давлении p2.
4.Повторить измерения не менее трех раз.
5.Измерить температуру воздуха в лаборатории.
6.Выключить установку тумблером «СЕТЬ», выключить весы.
|
V. Таблица результатов измерений. |
|||
|
1. Данные вычислений занести в таблицу 1. |
|||
|
m1+m0, |
|
m2+m0, |
Таблица 1 |
№ изм. |
m1, кг |
m2, кг p1, Па Δp1, Па p2, Па Δp2, Па |
||
|
кг |
|
кг |
|
1 |
|
|
|
|
2
3
средние
значения
2
VI. Обработка результатов измерений.
1.Определить средние значения масс и давлений, а также погрешности их измерения; результаты записать в таблицу 1.
2.По средним значениям масс определить разность масс (m1-m2) и разность давлений, а также их погрешности:
ε = |
m1 +Δ m2 |
, |
ε |
= |
p1+Δ p2 |
. |
|
|
|||||
m |
m1−m2 |
|
p |
|
p1− p2 |
|
|
|
|
|
|||
3. По формуле (2) рассчитать значение R с использованием следующих значений:
M = 0,029 кг/моль; V = 1.4·10-3 м3. Определить погрешность измерения R:
ε |
=ε |
m |
+ε |
p |
+ |
|
V |
+ |
T |
, R=ε R . |
|
|
|
||||||||
R |
|
|
|
|
V |
T |
R |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Примечание: |
погрешность определения молярной массы воздуха |
|||||||||
несущественна.
4. Определить относительное отклонение полученного значения R от теоретического Rтеор = 8.314 Дж/(моль·К) и сравнить с погрешностью измерений. Сделать вывод.
Контрольные вопросы.
1.Что такое универсальная газовая постоянная?
2.В чем заключается закон Авогадро?
3.Напишите уравнение Менделеева-Клапейрона для одного моля газа
идля произвольной массы газа.
4.Выведите формулу для определения универсальной газовой постоянной методом откачки.
5.Как связаны постоянные R, число Авогадро NA и постоянная Больцмана k ?
3