Лабораторна робота № 5 Експериментальна перевірка закону стану ідеального газу
Мета роботи: закріпити і поглибити знання про закони стану ідеального газу, отримати навички роботи з засобами вимірювання.
Короткі теоретичні відомості
Встановлено, що ідеальні гази і реальні гази, які знаходяться при певних тисках і температурах, підпорядковуються законам:
Бойля-Маріотта:
або
;
(5.1.)
Гей-Люссака:
або
;
(5.2.)
а також
Клапейрона:
. (5.3.)
Використавши відоме значення:
μR - 8314,2 Дж/(кмольград), (5.4.)
універсальної газової постійної, де μ - молекулярна маса газу; рівняння Клапейрона може бути записано:
,
(5.5.)
де: Р - тиск, Па; V - об'єм, який займає газ, м3; т - маса газу, кг; Т - абсолютна температура, °К.
Аналізуючи рівняння (5.5.) приходимо до висновку, що для даної маси газу добуток РV буде змінюватись прямо пропорційно температурі Т. В ко-ординатах (Т,РV) ця залежність повинна бути представлена у вигляді прямої лінії, проведеної до осі Т під кутом α. Змінюючи параметри газового стану, використовуючи результати експериментальних досліджень, представлених в координатах (Т ,РV), легко визначити значення α.
З іншої сторони значення α, можна визначити з рівняння (5.5.):
,
(5.6.)
Звідки:
.
(5.7.)
У випадку проведення досліджень з використанням, в якості досліджуваного, атмосферного повітря, для визначення можна скористатись табличними значеннями μ=28,96 кг/моль і ρ=1,293 кг/м3, де ρ- густина повітря при нормальних фізичних умовах (Р =101325 Н/м2, Т=273,15°С), Vμ=22,4143 м3/кмоль, Vμ- об'єм одного моля при нормальних умовах.
Треба відмітити складність в безпосередньому визначенні маси газу, який підлягає експериментальним дослідженням, що з достатньою для досліджень точністю, значно простіше визначати розрахунковим шляхом, визначивши попередньо об'єм V, де V - об'єм посудини, в яку вміщується газ, що досліджується.
Використовуючи залежність:
(5.8.)
яку можна отримати з законів Бойля-Маріотта і Гей-Люссака, залежність (5.8.) називають об'єднаним законом Бойля-Маріотта і Гей-Люссака, з якої можна визначити масу досліджуваного газу. За аналогією з (6.8.) для двох сполук газу запишемо:
(5.9.)
де: Рн , Vн , Тн - тиск, температура і об'єм при нормальних умовах, який займав би газ, якщо він займав об'єм V при початкових параметрах дослідження - Рп,Vп, тоб-то при тиску і температурі в приміщенні перед початком дослідження. Об'єм V можна з достатньою точністю визначити дослідницьким шляхом, наприклад, заповнивши посудину водою і визначивши об'єм залитої води. Перед заповненням повітря посудину просушити. Використавши залежність (6.9.) можна записати:
.
Тоді маса газу, який заповнив V при відомих ρн, Тп буде дорівнювати:
. (5.10.)
Рис. 5.1. Принципова схема установки
На Рис.5.1. наведена принципова схема установки: колба 1 об'ємом V ос-нащена пробкою з термометром і штуцером 2, через який внутрішня порожнина колби з'єднана за допомогою капілярного шлангу 3 з мік-романометром 4. Вимірювальна трубка 5 мікроманометру 4 протарирована з метою визначення, якому об'єму VТ відповідає один її мм довжини (значення VT дає викладач). Колба вміщена в посудину з водою, оснащену мішалкою, до якої підводиться регульований тепловий потік Q.