Prawo gaz doskonały.
Eksperymentalny:
Głównymi parametrami gazu są temperatura, ciśnienie i objętość. Objętość gazu zależy zasadniczo od ciśnienia i temperatury gazu. Dlatego konieczne jest znalezienie zależności między objętością, ciśnieniem i temperaturą gazu. Ten stosunek nazywa się równanie stanu.
Stwierdzono eksperymentalnie, że dla podana kwota gaz w dobrym przybliżeniu zachodzi następująca zależność: w stałej temperaturze objętość gazu jest odwrotnie proporcjonalna do przyłożonego do niego ciśnienia (rys. 1):
V~1/P, przy T=const.
Na przykład, jeśli ciśnienie działające na gaz zostanie podwojone, objętość zmniejszy się do połowy pierwotnej. Ten stosunek jest znany jako Prawo Boyle'a (1627-1691) - Mariotte(1620-1684), można to również zapisać tak:
Oznacza to, że gdy zmieni się jedna z wielkości, zmieni się również druga, i to w taki sposób, że ich iloczyn pozostaje stały.
Zależność objętości od temperatury (rys. 2) odkrył J. Gay-Lussac. Odkrył, że Przy stałym ciśnieniu objętość danej ilości gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury:
V~T, gdy P = const.
Wykres tej zależności przechodzi przez początek współrzędnych i odpowiednio w 0K jego objętość stanie się równa zeru, co oczywiście nie ma zmysł fizyczny. Doprowadziło to do założenia, że -273 0 C minimalna temperatura, co można osiągnąć.
Trzecie prawo gazowe, znane jako prawo karola, nazwany imieniem Jacques Charles (1746-1823). To prawo mówi: przy stałej objętości ciśnienie gazu jest wprost proporcjonalne do temperatury bezwzględnej (rys. 3):
Р ~T, przy V=const.
Dobrze słynny przykład Efektem tego prawa jest puszka aerozolu, która wybucha w ogniu. Wynika to z gwałtownego wzrostu temperatury przy stałej objętości.
Te trzy prawa są eksperymentalne i zachowują się dobrze w rzeczywistych gazach tylko tak długo, jak ciśnienie i gęstość nie są bardzo wysokie, a temperatura nie jest zbyt bliska temperaturze kondensacji gazu, więc słowo „prawo” nie jest dla nich zbyt odpowiednie właściwości gazów, ale stało się to powszechnie akceptowane.
Prawa gazowe Boyle-Mariotte, Charlesa i Gay-Lussaca można połączyć w jeszcze jedną ogólną zależność między objętością, ciśnieniem i temperaturą, która obowiązuje dla określonej ilości gazu:
To pokazuje, że gdy zmieni się jedna z wartości P, V lub T, zmienią się również dwie pozostałe wartości. To wyrażenie wchodzi w te trzy prawa, gdy jedna wartość jest stała.
Teraz powinniśmy wziąć pod uwagę jeszcze jedną wielkość, którą do tej pory uważaliśmy za stałą - ilość tego gazu. Potwierdzono eksperymentalnie, że: przy stałej temperaturze i ciśnieniu zamknięta objętość gazu wzrasta wprost proporcjonalnie do masy tego gazu:
Ta zależność łączy wszystkie główne ilości gazu. Jeśli do tej proporcjonalności wprowadzimy współczynnik proporcjonalności, otrzymamy równość. Eksperymenty pokazują jednak, że współczynnik ten jest różny w różnych gazach, dlatego zamiast masy m wprowadza się ilość substancji n (liczbę moli).
W rezultacie otrzymujemy:
Gdzie n to liczba moli, a R to współczynnik proporcjonalności. Wartość R nazywa się uniwersalna stała gazowa. Do tej pory najbardziej Dokładna wartość ta wartość jest równa:
R=8,31441 ± 0,00026 J/mol
Równość (1) nazywa się równanie stanu gazu doskonałego lub prawo gazu doskonałego.
numer Avogadro; prawo gazu doskonałego na poziomie molekularnym:
To, że stała R ma taką samą wartość dla wszystkich gazów, jest wspaniałym odzwierciedleniem prostoty natury. Po raz pierwszy zdał sobie z tego sprawę, choć w nieco innej formie, włoski Amedeo Avogadro (1776-1856). Eksperymentalnie ustalił, że równe objętości gazu przy tym samym ciśnieniu i temperaturze zawierają ten sam numer Cząsteczki. Po pierwsze, z równania (1) widać, że jeśli różne gazy zawierają równa liczba mole mają takie same ciśnienia i temperatury, a następnie pod warunkiem stałego R zajmują równe objętości. Po drugie: liczba cząsteczek w jednym molu jest taka sama dla wszystkich gazów, co bezpośrednio wynika z definicji mola. Dlatego możemy stwierdzić, że wartość R jest stała dla wszystkich gazów.
Nazywa się liczbę cząsteczek w jednym molu Numer AvogadroN A. Obecnie ustalono, że numer Avogadro to:
N A \u003d (6,022045 ± 0,000031) 10 -23 mol -1
Ponieważ całkowita liczba cząsteczek N gazu jest równa liczbie cząsteczek w jednym molu razy liczba moli (N = nNA), prawo gazu doskonałego można przepisać w następujący sposób:
Gdzie k nazywa się Stała Boltzmanna i ma wartość równą:
k \u003d R / N A \u003d (1,380662 ± 0,000044) 10 -23 J / K
Katalog technologii sprężarek
Wstęp
Stan gazu doskonałego w pełni opisują mierzone wielkości: ciśnienie, temperatura, objętość. Stosunek tych trzech wielkości określa podstawowe prawo gazowe:
Cel
Weryfikacja prawa Boyle-Mariotte.
Zadania do rozwiązania
Pomiar ciśnienia powietrza w strzykawce przy zmianie objętości przy założeniu, że temperatura gazu jest stała.
Zestaw doświadczalny
Instrumenty i akcesoria
ciśnieniomierz
Ręczna pompa próżniowa
W tym eksperymencie prawo Boyle'a-Mariotte'a zostało potwierdzone za pomocą układu pokazanego na rycinie 1. Objętość powietrza w strzykawce określa się w następujący sposób:
gdzie p 0 to ciśnienie atmosferyczne, a p to ciśnienie mierzone za pomocą manometru.
Porządek pracy
Ustaw tłok strzykawki na znak 50 ml.
Wolny koniec węża łączącego mocno dociśnij do dłoni pompa próżniowa do wylotu strzykawki.
Wysuwając tłok, zwiększaj objętość w krokach co 5 ml, zapisuj wskazania manometru na czarnej skali.
Aby określić ciśnienie pod tłokiem, należy od ciśnienia atmosferycznego odjąć odczyty monometru wyrażone w paskalach. Ciśnienie atmosferyczne wynosi około 1 bara, co odpowiada 100 000 Pa.
Aby przetworzyć wyniki pomiarów, należy wziąć pod uwagę obecność powietrza w wężu łączącym. Aby to zrobić, zmierz objętość węża łączącego, mierząc długość węża taśmą mierniczą, a średnicę węża suwmiarką, biorąc pod uwagę, że grubość ścianki wynosi 1,5 mm.
Wykreśl zmierzoną objętość powietrza w funkcji ciśnienia.
Oblicz zależność objętości od ciśnienia w stałej temperaturze, korzystając z prawa i wykresu Boyle'a-Mariotte'a.
Porównaj zależności teoretyczne i eksperymentalne.
Wstęp
Rozważ zależność ciśnienia gazu od temperatury pod warunkiem stałej objętości określonej masy gazu. Badania te po raz pierwszy wykonał w 1787 roku Jacques Alexandre Cesar Charles (1746-1823). Gaz ogrzewano w dużej kolbie połączonej z manometrem rtęciowym w postaci wąskiej zakrzywionej rurki. Pominięcie pomijalnego wzrostu objętości kolby po podgrzaniu i niewielkiej zmiany objętości, gdy rtęć jest przemieszczana w wąskiej rurce manometrycznej. Zatem objętość gazu można uznać za niezmienioną. Podgrzewając wodę w naczyniu otaczającym kolbę, mierzono temperaturę gazu za pomocą termometru T i odpowiednie ciśnienie R- manometrem. Napełniając naczynie topniejącym lodem, określono ciśnienie R o i odpowiednią temperaturę T o. Stwierdzono, że jeśli w temperaturze 0 C ciśnienie R o , wtedy po podgrzaniu o 1 C przyrost ciśnienia wyniesie R o. Wartość ma taką samą wartość (dokładniej prawie taką samą) dla wszystkich gazów, a mianowicie 1/273 C -1. Wartość nazywana jest współczynnikiem temperaturowym ciśnienia.
Prawo Charlesa pozwala obliczyć ciśnienie gazu w dowolnej temperaturze, jeśli znane jest jego ciśnienie w temperaturze 0 C. Niech ciśnienie danej masy gazu w temperaturze 0 C w danej objętości p o, a ciśnienie tego samego gazu w temperaturze tp. Temperatura zmienia się na t, a ciśnienie zmienia się na R o t, to ciśnienie R równa się:
W bardzo niskich temperaturach, gdy gaz zbliża się do stanu skroplenia, a także w przypadku gazów wysoko sprężonych, prawo Karola nie ma zastosowania. Zbieżność współczynników i zawartych w prawie Karola i prawie Gay-Lussaca nie jest przypadkowa. Ponieważ gazy są zgodne z prawem Boyle'a-Mariotte'a w stałej temperaturze, to i muszą być sobie równe.
Wstawmy wartość współczynnika temperaturowego ciśnienia do wzoru na zależność temperaturową ciśnienia:
|
|
Wartość ( 273+ t) można uznać za wartość temperatury zmierzoną na nowej skali temperatury, której jednostka jest taka sama jak w skali Celsjusza, a punkt leżący 273 poniżej punktu przyjmowanego jako zero skali Celsjusza, tj. topnienia punkt lodu . Zero tej nowej skali nazywa się zerem absolutnym. Ta nowa skala nazywa się termodynamiczną skalą temperatury, gdzie T t+273 .
Wtedy, w stałej objętości, obowiązuje prawo Karola:
|
|
Cel
Sprawdzam prawo Karola
Zadania do rozwiązania
Wyznaczanie zależności ciśnienia gazu od temperatury przy stałej objętości
Wyznaczanie skali temperatury bezwzględnej przez ekstrapolację w kierunku niskich temperatur
Bezpieczeństwo
Uwaga: w pracy wykorzystywane jest szkło.
Zachowaj szczególną ostrożność podczas pracy z termometrem gazowym; szklany słoik i miarka.
Zachowaj szczególną ostrożność podczas pracy z gorącą wodą.
Zestaw doświadczalny
Instrumenty i akcesoria
termometr gazowy
Mobilne laboratorium CASSY
Termoelement
Elektryczna płyta grzejna
szklana miarka
szklane naczynie
Ręczna pompa próżniowa
Gdy powietrze jest wypompowywane w temperaturze pokojowej za pomocą ręcznej pompy, na słupie powietrza powstaje ciśnienie р0 + р, gdzie R 0 - ciśnienie zewnętrzne. Kropla rtęci wywiera również nacisk na słup powietrza:
W tym eksperymencie prawo to potwierdza termometr gazowy. Termometr umieszcza się w wodzie o temperaturze około 90°C i układ ten jest stopniowo schładzany. Dzięki opróżnianiu termometru gazowego za pomocą ręcznej pompy próżniowej utrzymywana jest stała objętość powietrza podczas chłodzenia.
|
|
Porządek pracy
Otwórz korek termometru gazowego, podłącz ręczną pompkę próżniową do termometru.
Ostrożnie obróć termometr, jak pokazano po lewej na ryc. 2 i usunąć z niego powietrze za pomocą pompy tak, aby kropla rtęci znalazła się w punkcie a) (patrz rys. 2).
Po zebraniu się kropli rtęci w punkcie a) obróć termometr otworem do góry i spuść sprężone powietrze za pomocą uchwytu b) na pompę (patrz rys. 2), tak aby rtęć nie rozdzieliła się na kilka kropel.
Podgrzej wodę w szklanym naczyniu na gorącej płycie do 90°C.
wlać gorąca woda do szklanego naczynia.
Umieść termometr gazowy w naczyniu, mocując go na statywie.
Umieść termoparę w wodzie, system stopniowo się ochładza. Opróżniając termometr gazowy za pomocą ręcznej pompy próżniowej, utrzymujesz stałą objętość słupa powietrza przez cały proces chłodzenia.
Zapisz odczyt manometru R i temperatura T.
Wykreśl zależność całkowitego ciśnienia gazu p 0 +p+p Hg z temperatury ok. C.
Kontynuuj wykres, aż przetnie się z osią x. Określ temperaturę skrzyżowania, wyjaśnij wyniki.
Wyznacz współczynnik temperaturowy ciśnienia ze stycznej nachylenia.
Oblicz zależność ciśnienia od temperatury przy stałej objętości zgodnie z prawem Charlesa i wykreśl ją. Porównaj zależności teoretyczne i eksperymentalne.
DEFINICJA
Nazywa się procesy, w których jeden z parametrów stanu gazu pozostaje stały izoprocesy.
DEFINICJA
Przepisy dotyczące gazu są prawami opisującymi izoprocesy w gazie doskonałym.
Prawa gazu zostały odkryte eksperymentalnie, ale wszystkie można wyprowadzić z równania Mendelejewa-Clapeyrona.
Rozważmy każdy z nich.
Proces izotermiczny Nazywa się to zmianą stanu gazu, aby jego temperatura pozostała stała.
Dla stałej masy gazu w stałej temperaturze iloczyn ciśnienia gazu i objętości jest wartością stałą:
To samo prawo można przepisać w innej postaci (dla dwóch stanów gazu doskonałego):
Prawo to wynika z równania Mendelejewa-Clapeyrona:
Oczywiście przy stałej masie gazu i stałej temperaturze prawa strona równania pozostaje stała.
Nazywa się wykresy zależności parametrów gazu w stałej temperaturze izotermy.
Oznaczając stałą literą , zapisujemy funkcjonalną zależność ciśnienia od objętości w procesie izotermicznym:
Widać, że ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do jego objętości. Wykres odwrotnie proporcjonalny, a co za tym idzie, wykres izotermy we współrzędnych jest hiperbolą(ryc. 1, a). Rysunek 1 b) i c) pokazuje izotermy we współrzędnych i odpowiednio.
Rys.1. Wykresy procesów izotermicznych w różnych współrzędnych
proces izobaryczny Nazywa się to zmianą stanu gazu, aby jego ciśnienie pozostało stałe.
Dla stałej masy gazu przy stałym ciśnieniu stosunek objętości gazu do temperatury jest wartością stałą:
To prawo wynika również z równania Mendelejewa-Clapeyrona:
izobary.
Rozważ dwa procesy izobaryczne z ciśnieniami i tytułem = "(!LANG:Rendered by QuickLaTeX.com" height="18" width="95" style="vertical-align: -4px;">. В координатах и изобары будут иметь вид прямых линий, перпендикулярных оси (рис.2 а,б).!}
Zdefiniujmy postać wykresu we współrzędnych .Oznaczając stałą literą , zapisujemy funkcjonalną zależność objętości od temperatury podczas procesu izobarycznego:
Można zauważyć, że przy stałym ciśnieniu objętość gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury. Wykres bezpośredniej proporcjonalności, a w konsekwencji wykres izobaru we współrzędnych jest linią prostą przechodzącą przez początek(ryc. 2, c). W rzeczywistości, w wystarczająco niskich temperaturach, wszystkie gazy zamieniają się w ciecze, do których prawa gazowe nie mają już zastosowania. Dlatego w pobliżu początku izobary na ryc. 2, c) są pokazane liniami przerywanymi.
Rys.2. Wykresy procesów izobarycznych w różnych współrzędnych
Proces izochoryczny Nazywa się to zmianą stanu gazu, aby jego objętość pozostała stała.
Dla stałej masy gazu o stałej objętości stosunek ciśnienia gazu do jego temperatury jest wartością stałą:
Dla dwóch stanów gazu prawo to można zapisać jako:
Prawo to można również uzyskać z równania Mendelejewa-Clapeyrona:
Nazywa się wykresy zależności parametrów gazu przy stałym ciśnieniu izochory.
Rozważ dwa procesy izochoryczne z woluminami i tytułem = "(!LANG:Rendered by QuickLaTeX.com" height="18" width="98" style="vertical-align: -4px;">. В координатах и графиками изохор будут прямые, перпендикулярные оси (рис.3 а, б).!}
Aby określić typ grafu procesu izochorycznego we współrzędnych, stałą w prawie Karola oznaczamy literą , otrzymujemy:
Zatem funkcjonalna zależność ciśnienia od temperatury przy stałej objętości jest bezpośrednią proporcjonalnością, wykres takiej zależności jest linią prostą przechodzącą przez początek (ryc. 3, c).
Rys.3. Wykresy procesów izochorycznych w różnych współrzędnych
PRZYKŁAD 1
| Ćwiczenie | Do jakiej temperatury należy izobarycznie schładzać określoną masę gazu o temperaturze początkowej, aby objętość gazu zmniejszyła się o jedną czwartą? |
| Rozwiązanie | Proces izobaryczny opisuje prawo Gay-Lussaca: W zależności od stanu problemu objętość gazu z powodu chłodzenia izobarycznego zmniejsza się o jedną czwartą, a zatem: skąd końcowa temperatura gazu: Przeliczmy jednostki na układ SI: początkowa temperatura gazu. Obliczmy:
|
| Odpowiadać | Gaz musi być schłodzony do temperatury |
PRZYKŁAD 2
| Ćwiczenie | Zamknięte naczynie zawiera gaz pod ciśnieniem 200 kPa. Jakie będzie ciśnienie gazu, jeśli temperatura wzrośnie o 30%? |
| Rozwiązanie | Ponieważ zbiornik gazu jest zamknięty, objętość gazu się nie zmienia. Proces izochoryczny opisuje prawo Karola: W zależności od stanu problemu temperatura gazu wzrosła o 30%, więc możemy napisać: Podstawiając ostatnią relację do prawa Karola, otrzymujemy: Przeliczmy jednostki na układ SI: początkowe ciśnienie gazu kPa \u003d Pa. Obliczmy: |
| Odpowiadać | Ciśnienie gazu wyniesie 260 kPa. |
PRZYKŁAD 3
| Ćwiczenie | System tlenowy, w który wyposażony jest samolot, ma:  tlen pod ciśnieniem Pa. Na maksymalna wysokość windy, pilot łączy ten system z pustą butlą z dźwigiem o pojemności . Jaka będzie w nim presja? Proces rozprężania gazu zachodzi w stałej temperaturze. |
| Rozwiązanie | Proces izotermiczny opisuje prawo Boyle-Mariotte: |
Wstęp
Stan gazu doskonałego w pełni opisują mierzone wielkości: ciśnienie, temperatura, objętość. Stosunek tych trzech wielkości określa podstawowe prawo gazowe:
Cel
Weryfikacja prawa Boyle-Mariotte.
Zadania do rozwiązania
Pomiar ciśnienia powietrza w strzykawce przy zmianie objętości przy założeniu, że temperatura gazu jest stała.
Zestaw doświadczalny
Instrumenty i akcesoria
ciśnieniomierz
Ręczna pompa próżniowa
W tym eksperymencie prawo Boyle'a-Mariotte'a zostało potwierdzone za pomocą układu pokazanego na rycinie 1. Objętość powietrza w strzykawce określa się w następujący sposób:
gdzie p 0 to ciśnienie atmosferyczne, a p to ciśnienie mierzone za pomocą manometru.
Porządek pracy
Ustaw tłok strzykawki na znak 50 ml.
Wolny koniec węża łączącego ręcznej pompy próżniowej mocno wepchnij do wylotu strzykawki.
Wysuwając tłok, zwiększaj objętość w krokach co 5 ml, zapisuj wskazania manometru na czarnej skali.
Aby określić ciśnienie pod tłokiem, należy od ciśnienia atmosferycznego odjąć odczyty monometru wyrażone w paskalach. Ciśnienie atmosferyczne wynosi około 1 bara, co odpowiada 100 000 Pa.
Aby przetworzyć wyniki pomiarów, należy wziąć pod uwagę obecność powietrza w wężu łączącym. Aby to zrobić, zmierz objętość węża łączącego, mierząc długość węża taśmą mierniczą, a średnicę węża suwmiarką, biorąc pod uwagę, że grubość ścianki wynosi 1,5 mm.
Wykreśl zmierzoną objętość powietrza w funkcji ciśnienia.
Oblicz zależność objętości od ciśnienia w stałej temperaturze, korzystając z prawa i wykresu Boyle'a-Mariotte'a.
Porównaj zależności teoretyczne i eksperymentalne.
Wstęp
Rozważ zależność ciśnienia gazu od temperatury pod warunkiem stałej objętości określonej masy gazu. Badania te po raz pierwszy wykonał w 1787 roku Jacques Alexandre Cesar Charles (1746-1823). Gaz ogrzewano w dużej kolbie połączonej z manometrem rtęciowym w postaci wąskiej zakrzywionej rurki. Pominięcie pomijalnego wzrostu objętości kolby po podgrzaniu i niewielkiej zmiany objętości, gdy rtęć jest przemieszczana w wąskiej rurce manometrycznej. Zatem objętość gazu można uznać za niezmienioną. Podgrzewając wodę w naczyniu otaczającym kolbę, mierzono temperaturę gazu za pomocą termometru T i odpowiednie ciśnienie R- manometrem. Napełniając naczynie topniejącym lodem, określono ciśnienie R o i odpowiednią temperaturę T o. Stwierdzono, że jeśli w temperaturze 0 C ciśnienie R o , wtedy po podgrzaniu o 1 C przyrost ciśnienia wyniesie R o. Wartość ma taką samą wartość (dokładniej prawie taką samą) dla wszystkich gazów, a mianowicie 1/273 C -1. Wartość nazywana jest współczynnikiem temperaturowym ciśnienia.
Prawo Charlesa pozwala obliczyć ciśnienie gazu w dowolnej temperaturze, jeśli znane jest jego ciśnienie w temperaturze 0 C. Niech ciśnienie danej masy gazu w temperaturze 0 C w danej objętości p o, a ciśnienie tego samego gazu w temperaturze tp. Temperatura zmienia się na t, a ciśnienie zmienia się na R o t, to ciśnienie R równa się:
W bardzo niskich temperaturach, gdy gaz zbliża się do stanu skroplenia, a także w przypadku gazów wysoko sprężonych, prawo Karola nie ma zastosowania. Zbieżność współczynników i zawartych w prawie Karola i prawie Gay-Lussaca nie jest przypadkowa. Ponieważ gazy są zgodne z prawem Boyle'a-Mariotte'a w stałej temperaturze, to i muszą być sobie równe.
Wstawmy wartość współczynnika temperaturowego ciśnienia do wzoru na zależność temperaturową ciśnienia:
|
|
Wartość ( 273+ t) można uznać za wartość temperatury zmierzoną na nowej skali temperatury, której jednostka jest taka sama jak w skali Celsjusza, a punkt leżący 273 poniżej punktu przyjmowanego jako zero skali Celsjusza, tj. topnienia punkt lodu . Zero tej nowej skali nazywa się zerem absolutnym. Ta nowa skala nazywa się termodynamiczną skalą temperatury, gdzie T t+273 .
Wtedy, w stałej objętości, obowiązuje prawo Karola:
|
|
Cel
Sprawdzam prawo Karola
Zadania do rozwiązania
Wyznaczanie zależności ciśnienia gazu od temperatury przy stałej objętości
Wyznaczanie skali temperatury bezwzględnej przez ekstrapolację w kierunku niskich temperatur
Bezpieczeństwo
Uwaga: w pracy wykorzystywane jest szkło.
Zachowaj szczególną ostrożność podczas pracy z termometrem gazowym; szklany słoik i miarka.
Zachowaj szczególną ostrożność podczas pracy z gorącą wodą.
Zestaw doświadczalny
Instrumenty i akcesoria
termometr gazowy
Mobilne laboratorium CASSY
Termoelement
Elektryczna płyta grzejna
szklana miarka
szklane naczynie
Ręczna pompa próżniowa
Gdy powietrze jest wypompowywane w temperaturze pokojowej za pomocą ręcznej pompy, na słupie powietrza powstaje ciśnienie р0 + р, gdzie R 0 - ciśnienie zewnętrzne. Kropla rtęci wywiera również nacisk na słup powietrza:
W tym eksperymencie prawo to potwierdza termometr gazowy. Termometr umieszcza się w wodzie o temperaturze około 90°C i układ ten jest stopniowo schładzany. Dzięki opróżnianiu termometru gazowego za pomocą ręcznej pompy próżniowej utrzymywana jest stała objętość powietrza podczas chłodzenia.
|
|
Porządek pracy
Otwórz korek termometru gazowego, podłącz ręczną pompkę próżniową do termometru.
Ostrożnie obróć termometr, jak pokazano po lewej na ryc. 2 i usunąć z niego powietrze za pomocą pompy tak, aby kropla rtęci znalazła się w punkcie a) (patrz rys. 2).
Po zebraniu się kropli rtęci w punkcie a) obróć termometr otworem do góry i spuść sprężone powietrze za pomocą uchwytu b) na pompę (patrz rys. 2), tak aby rtęć nie rozdzieliła się na kilka kropel.
Podgrzej wodę w szklanym naczyniu na gorącej płycie do 90°C.
Wlej gorącą wodę do szklanego naczynia.
Umieść termometr gazowy w naczyniu, mocując go na statywie.
Umieść termoparę w wodzie, system stopniowo się ochładza. Opróżniając termometr gazowy za pomocą ręcznej pompy próżniowej, utrzymujesz stałą objętość słupa powietrza przez cały proces chłodzenia.
Zapisz odczyt manometru R i temperatura T.
Wykreśl zależność całkowitego ciśnienia gazu p 0 +p+p Hg z temperatury ok. C.
Kontynuuj wykres, aż przetnie się z osią x. Określ temperaturę skrzyżowania, wyjaśnij wyniki.
Wyznacz współczynnik temperaturowy ciśnienia ze stycznej nachylenia.
Oblicz zależność ciśnienia od temperatury przy stałej objętości zgodnie z prawem Charlesa i wykreśl ją. Porównaj zależności teoretyczne i eksperymentalne.
Badania zależności ciśnienia gazu od temperatury w warunkach stałej objętości określonej masy gazu po raz pierwszy wykonał w 1787 roku Jacques Alexander Cesar Charles (1746 - 1823). Możesz odtworzyć te eksperymenty w uproszczonej formie, ogrzewając gaz w dużej kolbie podłączonej do manometru rtęciowego. M w postaci wąskiej zakrzywionej rurki (ryc. 6).
Pomińmy nieznaczny wzrost objętości kolby po podgrzaniu i nieznaczną zmianę objętości, gdy rtęć jest przemieszczana w wąskiej rurce manometrycznej. Zatem objętość gazu można uznać za niezmienioną. Podgrzewając wodę w naczyniu otaczającym kolbę, za pomocą termometru zanotujemy temperaturę gazu T i odpowiednie ciśnienie - na manometrze M. Po napełnieniu naczynia topniejącym lodem mierzymy ciśnienie p 0 , co odpowiada temperaturze 0 °C.
Eksperymenty tego rodzaju wykazały, co następuje.
1. Przyrost ciśnienia określonej masy jest pewną częścią α ciśnienie, jakie miała dana masa gazu w temperaturze 0 ° C. Jeżeli ciśnienie w temperaturze 0 °C jest oznaczone przez p 0 , to wzrost ciśnienia gazu po podgrzaniu o 1 °C wynosi p 0 +ap 0 .
Po podgrzaniu przez τ przyrost ciśnienia będzie τ razy większy, tj. przyrost ciśnienia proporcjonalny do przyrostu temperatury.
2. Wartość α, pokazując, o jaką część ciśnienia w 0 ° C ciśnienie gazu wzrasta po podgrzaniu o 1 ° C, ma tę samą wartość (dokładniej prawie taką samą) dla wszystkich gazów, a mianowicie 1/273 ° C -1. wartość α nazywa współczynnik temperaturowy ciśnienia. Zatem współczynnik temperaturowy ciśnienia dla wszystkich gazów ma tę samą wartość, równą 1/273 °C -1.
Ciśnienie określonej masy gazu po podgrzaniu do 1°C przy stałej objętości wzrasta o 1/273 część ciśnienia, jakie ta masa gazu miała przy 0 °C ( Prawo Karola).
Należy jednak pamiętać, że współczynnik temperaturowy ciśnienia gazu, uzyskany przez pomiar temperatury manometrem rtęciowym, nie jest dokładnie taki sam dla różnych temperatur: prawo Charlesa jest spełnione tylko w przybliżeniu, choć z bardzo dużą dokładnością .
Formuła wyrażająca prawo Karola. Prawo Karola pozwala obliczyć ciśnienie gazu w dowolnej temperaturze, jeśli znane jest jego ciśnienie w temperaturze
0°C. Niech ciśnienie danej masy gazu w temperaturze 0 °C w danej objętości będzie p 0 , a ciśnienie tego samego gazu w temperaturze t jest p. Następuje wzrost temperatury t, dlatego przyrost ciśnienia jest równy ap 0 t i pożądane ciśnienie
Ten wzór można również wykorzystać, jeśli gaz jest schładzany poniżej 0 °C; w którym t będą miały wartości ujemne. W bardzo niskich temperaturach, gdy gaz zbliża się do stanu skroplenia, a także w przypadku gazów wysoko sprężonych, prawo Charlesa nie ma zastosowania i wzór (2) przestaje obowiązywać.
Prawo Karola z punktu widzenia teorii molekularnej. Co dzieje się w mikrokosmosie molekuł, gdy zmienia się temperatura gazu, na przykład, gdy wzrasta temperatura gazu i wzrasta jego ciśnienie? Z punktu widzenia teorii molekularnej możliwe są dwie przyczyny wzrostu ciśnienia danego gazu: po pierwsze liczba uderzeń molekularnych w jednostce czasu na jednostkę powierzchni może wzrosnąć, a po drugie pęd przenoszony przy pojedynczym cząsteczka uderzająca w ścianę może wzrosnąć. Obie przyczyny wymagają zwiększenia prędkości cząsteczek (przypomnijmy, że objętość danej masy gazu pozostaje niezmieniona). Stąd staje się jasne, że wzrost temperatury gazu (w makrokosmosie) jest wzrostem Średnia prędkość losowy ruch cząsteczek (w mikrokosmosie).
Niektóre typy żarówek elektrycznych są wypełnione mieszaniną azotu i argonu. Gdy lampa pracuje, gaz w niej nagrzewa się do około 100°C. Jakie powinno być ciśnienie mieszaniny gazów w temperaturze 20 ° C, jeśli pożądane jest, aby ciśnienie gazu w niej nie przekraczało ciśnienia atmosferycznego podczas pracy lampy? (odpowiedź: 0,78 kgf / cm 2)
Na manometrach umieszczona jest czerwona linia, wskazująca granicę, powyżej której wzrost gazu jest niebezpieczny. W temperaturze 0 °C manometr wskazuje, że nadciśnienie gazu w stosunku do ciśnienia powietrza zewnętrznego wynosi 120 kgf/cm2. Czy czerwona linia zostanie osiągnięta, gdy temperatura wzrośnie do 50 °C, jeśli czerwona linia będzie wskazywać na 135 kgf/cm2? Weź ciśnienie powietrza zewnętrznego równe 1 kgf / cm 2 (odpowiedź: wskazówka manometru wyjdzie poza czerwoną linię)
