Порядок выполнения работы. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ

МЕТОДОМ ОТКАЧКИ

 

Цель работы: определить универсальную газовую постоянную.

Приборы и принадлежности

1. Установка ФПТ1-12

2. Весы

3. Колба

4. Термометр

Краткая теория

Для изучения физических свойств макроскопических систем, состоящих из большого числа частиц, используют два метода: статистический и термодинамический.

Статистический метод основан на законах теории вероятнос­тей и математической статистики. Раздел теоретической физики, в которой изучают физические свойства макроскопических систем с помощью статистического метода, называется статистической физикой.

Термодинамический метод состоит в изучении физических свойств макроскопических систем путем анализа условий и коли­чественных соотношений для процессов превращения энергии в рассматриваемых системах. Соответствующий раздел теоретической физики называется термодинамикой, а макроскопическая система в термодинамике - термодинамической системой.

Физические величины, служащие для характеристики состоя­ния термодинамической системы, называюттермодинами­ческими параметрамисостояния систе­мы.

К ним относятся: объём, давление, температура, концентра­ция и др.

Давление - физическая величина Р , численно рав­ная силе, действующей на единицу площади поверхности телапонаправлению нормали к этой поверхности:

,

где dF_n – численное значение нормальной силы, действующейнамалый участок поверхности тела площадью dS .

Более сложным и менее наглядным является параметр состоя­ния, называемый температурой. Понятие температуры имеетсмысл только для равновесных состояний системы. Под равновесным сос­тоянием понимают такое состояние системы, которое не изменяет­ся с течением времени, причём это постоянство не связано с про­теканием какого-либо процесса во внешней среде. С молекулярно-кинетической точки зрения температура равновесной системы ха­рактеризует интенсивность теплового движения частиц.

Абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа:

гдеk – постоянная Больцмана.

В молекулярно-кинетической теории пользуются моделью идеального газа, в котором:

- молекулы газа считаются материальными точками;

- столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие;

- потенциальной энергией взаимодействия между молекулами по сравнению с их кинетической энергией пренебрегают.

На основе экспериментов с достаточно разреженными газами были установлены законы, справедливые для идеально­го газа.

1. Закон Бойля - Мариотта (для изотермическогопроцесса).

. (1)

2. Закон Гей-Люссака (для изохорического процесса).

. (2)

3. Закон Шарля (для изобарического процесса).

. (3)

С помощью законов Бойля - Мариотта и Гей-Люссака легко найти связь между объёмом, давлением и температурой для произ­вольного равновесного состояния идеального газа:

, (4)

где V₀ – объем одного моля газа,

R – универсальная газовая постоянная, численно равная ра­боте, совершаемой одним молем газа при изобарном нагре­вании его на один градус.

Уравнение (4) называется уравнением Менделеева – Клапейрона (уравнение состояния идеального газа).

Для любой массы газа оно запишется так:

, (5)

где - число молей (количество вещества).

Моль – количество вещества системы, в котором содержится столько же структурных элементов (молекул, атомов, ионов, элек­тронов и других структурных элементов), сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода . Из определения моля следует, что 1 моль различных веществ (газообразных, жидких, твердых) содержит одинаковое число Авогадро N_А = 6,022^.10²³ моль^-1 структурных элементов.

называется молярной массой газа. Масса моля, выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе.

Теория метода и описание установки.

Установка ФПТ1-12 представляет собой конструкцию настольного типа (рис.1), состоящую из:

- блока измерительного (поз.1);

- колбы (поз.З), установленной на весах (поз. 2);

 

Блок измерительный представляет собой коробчатый конструктив. В нем установлен вакуумметр (поз 4.).

На лицевой панели блока БП-12 установлены органы управления и световой индикации, термометр для измерения температуры окружающей среды, внутри блока установлен компрессор.

 

Колба установлена на весах и соединена с вакуумметром вакуумной трубкой.

Соединение компрессора со штуцером измерительного блока осу­ществляется с помощью вакуумной трубки.

 

УСТАНОВКА ФПТ1-12 (рис. 1)

1. Блок измерительный

2. Весы

3. Колба

 

4. Вакуумметр

5. термометр

 

Порядок выполнения работы

Уравнение Менцелеева-Клапейрона (5) для объёма V при ком­натной температуре Т и атмосферном давлении Р₁ для массы воз­духа М₁ в шаре запишется:

,

где M₁=m₁- m₀; m₀ - масса пустого шара; m₁ - суммарная масса шара и воздуха в нем при давлении P₁.

Если откачать насосом воздух из шара, то давление в нем будет P₂ (при той же температуреТ). Уравнение 5 запишется так:

,

где M₂ = m₂ – m₀; m₂ - суммарная масса шара и воздуха в

нем при давлении P₂.

Из последних уравнении найдем универсальную газовую пос­тоянную:

. (6)

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 m₁ при давлении P₁.

3. Включить компрессор кнопкой «ПУСК» и, удерживая кнопку нажатой откачать воздух из колбы до давления Р₂. После чего, закрыв кран и выключив компрессор (отпустив кнопку «ПУСК»), определить массу колбы с воздухом m₂ при давлении Р₂.

4. Повторить измерения по п. 3 не менее 3 раз.

5. Измерить температуру воздуха в лаборатории.

6. Выключить установку тумблером «СЕТЬ».

7. По формуле (6) рассчитайте универсальную газовую постоянную R . При этом следует учесть, что - молярная масса воздуха,

- объем колбы.

8. Данные измерений и вычислений записать в таблицу.

9. Определите среднее значение .

10. По среднему значению определить для каждого опыта абсолютную погрешность , а затем и ее среднее значение .

11. Результат записать в виде

.

Таблица измерений и вычислений.

№ опыта
…

 

Контрольные вопросы

1. В чём сущность и различие термодинамического и статистичес­кого методов исследования физических явлений?

2. Какой смысл вкладывается в понятие "термодинамическое сос­тояние тела"? Какие параметры состояния вы знаете?

3. Какой газ называется идеальным?

4. Каков физический смысл универсальной газовой постоянной? В каких единицах она измеряется?

5. Выведите уравнение Менделеева - Клапейрона.

6. Что такое моль? Что такое число Авогадро?

7. Что такое относительная молекулярная масса?

8. Какие приборы служат для измерения давления жидкостей и га­зов? Чем отличается вакуумметр от манометра?