Законы и уравнения состояния идеального газа лабораторная работа (5 видео)

Законы и уравнения состояния идеального газа лабораторная работа

Цель работы: изучение законов идеального газа и методов определения термического коэффициента давления и коэффициента объемного расширения.

Приборы и материалы: колба, водяной манометр, термометр, барометр-анероид, сосуд с водой, электрическая плитка.

Состояние некоторой массы газа определяется значением трех параметров: давления Р, объема V, температуры Т. Соотношение f = f(P,V,T), устанавливающее связь между параметрами какого-либо тела, называется уравнением состояния этого тела. Уравнение состояния идеального газа для любой массы газа имеет следующий вид:

(1.1)

где μ — молярная масса (для воздуха μ= 29·10 -3 кг/моль); R — газовая постоянная. Давление данной массы газа при изохорическом процессе изменяется линейно с температурой

(1.2)

где Р — давление газа при температуре t°C; P₀ — давление газа при температуре 0°С, α- термический коэффициент давления газа.

Объем данной массы газа при изобарическом процессе изменяется линейно с температурой

(1.3)

где V — объем газа при температуре t°C; V₀— объем газа при температуре 0°С; β-коэффициент объемного расширения газа. Если газ точно подчиняется законом идеального газа, то

1)Для изучения законов идеального газа используется прибор, состоящий из колбы А с узкой стеклянной трубкой В, на конце которой имеется кран Д (рис.1). Кран Д при помощи резиновой трубки соединяется с водяным манометром С и служит для сообщения воздуха, находящегося в колбе А, с манометром. Манометр состоит из двух стеклянных трубок 1 и 2, соединенных между собой резиновой трубкой Е. Трубка 1 проградуирована в кубических сантиметрах (см³). Манометр закреплен на вертикальной подставке с миллиметровой шкалой, причем трубку 2 манометра можно перемещать вверх и вниз и закреплять на желаемой высоте. Для изменения состояния газа колба А помещается в сосуд с подогретой водой.

2) Прежде чем приступить к измерениям, подготовим установку к работе. Для этого опускаем трубку 2 вниз до отказа, вынимаем кран Д и устанавливаем уровень воды в трубках 1 и 2 манометра на нулевом делении шкалы (в случае необходимости — долить или отлить воды). Затем вставляем кран Д так, чтобы воздух колбы А сообщался с манометром. Отсчитываем начальные параметры воздуха: давление Р₁ по барометру-анероиду (в мм. рт. ст.), температуру комнаты t° 1 по прилагаемому к работе термометру, объем V исследуемой массы воздуха колбы известен.

Видео:Уравнение состояния идеального газа. 10 класс.Скачать

Итак, первое состояние воздуха колбы: P₁, V₁, T₁, где T₁ = t₀° + 273°.

3) Переведем газ из первого состояния во второе изохорически. Для этого нагреваем воду в сосуде до температуры t₁° ≈ 30° — 35°C и погружаем в него колбу так, чтобы она полностью находилась в воде, для чего колбу придерживаем. Воздух в колбе стремиться расшириться, но, ;поднимая трубку 2, поддерживаем объем воздуха постоянным, т.е. чтобы уровень воды в 1 трубке был на нулевом делении шкалы манометра. Закрепляем трубку 2 и отсчитываем по шкале манометра высоту столба воды h в миллиметрах (рис.2). Давление воздуха в колбе в этом случае будет Р₂ = Р₁ + h, где h — давление столба воды, выраженное в миллиметрах ртутного столба (мм.рт.ст.). Итак, второе состояние воздуха колбы: Р₂, V₁, T₁ 1 , где T₁ 1 = t₁° + 273° P₂ = P₁ + h.

Переведем газ из второго состояния в третье изобарически. Для этого нагреваем воду в сосуде до температуры t₂° ≈ 40° — 45° и снова погружаем в него колбу. При этом газ будет изобарически расширяться. Отсчитываем по делениям, нанесенным на 1-ю трубку, изменение объема воздуха колбы ΔV в см 3 (рис.3). Объем воздуха станет V₂ = V₁ + ΔV.

ПРИМЕЧАНИЕ: после отсчета ΔV следует перекрыть кран Д и опустить трубку 2 вниз до предела и снова установить кран Д так, чтобы воздух колбы А сообщался с манометром.

5)Опыт повторяем еще два раза так, как указано в пунктах 2, 3, 4. Воду каждый раз нагреваем до разных температур.

1 состояние				2 состояние						3 состояние
Начальные параметры				Изохорическое нагревание						Изобарическое нагревание
№	t₀ 0	T₁	P₁	V₁	t₁	T₁‘	h	H	P₂	V₁	t₂	T₂	ΔV	V₂	P₂
Ед. изм.	ммH₂O	мм Hg	мм Hg
1

a)Пользуясь данными таблицы 1 для изохорического процесса, определить термический коэффициент давления воздуха α.

Применяя для 1 и 2 состояний формулу (1.2), можно записать

Видео:Уравнение состояния идеального газа | Физика 10 класс #33 | ИнфоурокСкачать

Поделим эти уравнения друг на друга, получим

(1.4)

Откуда

(1.5)

Зная Р₁; Р₂; t₀; t₁, по формуле (1.5) вычисляем термический коэффициент давления газа для каждого из трех опытов. Оцениваем точность эксперимента путем подсчета средней квадратичной погрешности с надежностью α = 0,9. Результаты измерений заносим в таблицу. В отчете представить полный расчет величин.

б) Зная значения параметров Р₁; Т₁; Р₂; Т₁ 1 (из таблицы 1), проверить правильность закона Шарля:

(1.6)

№	P₁	t₀	P₂	t₁	α	α_ср	Δα	(Δα_ср/α_ср)·100%
Ед. изм.
1

Объяснить причины приближенного выполнения этого равенства. Пользуясь равенством (1.4), получить формулу (1.6).

Пользуясь данными таблицы 1 для изобарического процесса, определить коэффициент объемного расширения воздуха β. Применяя для 2 и 3 состояний формулу (1.3), можно записать

(1.7)

Откуда

(1.8)

Зная V₁; V₂; t₁; t₂, по формуле (1.8) вычисляем коэффициент объемного расширения воздуха для каждого из трех опытов.

Видео:Физика 10 класс (Урок№20 - Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.)Скачать

№	V₁	t₁	V₂	t₂	β	β_ср	Δβ	(Δβ_ср/β_ср)·100%
Ед. изм.
1

б) Зная значения параметров V₁; T₁ 1 ; V₂; T₂ (из таблицы 1), проверим правильность законов Гей-Люссака:

(1.9)

Объяснить причины приближенного выполнения этого закона в данной работе. Пользуясь равенством (1.7), получить формулу (1.9).

Контрольные вопросы

Какой газ называется идеальным? Какими параметрами характеризуется состояние газа?
Какие процессы называются изотермическими, изобарическими, изохорическими? Сформулировать и записать газовые законы (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, Авогадро).
Что называется термическим коэффициентом давления, в каких единицах он измеряется?
Сформулировать и записать уравнение состояние идеального газа для моля; для любой массы газа.
Сформулируйте первое начало термодинамики, примените к изопроцессам. Каков физический смысл, численное значение и единица измерения газовой постоянной R?

Наверх

Физический практикум. Лабораторная работа. Уравнение состояния идеального газа. 10-й класс

Разделы: Физика

Класс: 10

Видео:Газовые законыСкачать

Образовательные цели урока:

приобретение навыков работы с физическими приборами,
закрепление знаний, приобретенных в процессе учебной деятельности,
совершенствование навыков в исследовательской деятельности.

Организационный момент
Изучение устройства и принципа действия приборов.
Ознакомление с правилами техники безопасности.
Повторение теоретического материала по данной теме.
Формирование плана выполнения работы.
Осуществление экспериментальной части работы.
Запись результатов эксперимента.
Математические расчеты. Оформление работы. Выводы.

Методические цели урока.

Формирование коммуникативных отношений во время коллективной работы в группах.
Овладение приемами безопасного обращения с физическими приборами.
Развитие интереса к исследовательской деятельности.
Закрепление знаний, приобретенных на уроках физики.
Использование знаний, умений и навыков в повседневной деятельности учащихся.

Уравнение состояния идеального газа. 10-й класс.

Цель: подтвердить справедливость уравнения Клапейрона.

Ответить на вопросы:

В чем заключается сущность уравнения состояния идеального газа.
Записать математическое выражение уравнения Клапейрона.
Какие физические величины остаются неизменными при выполнении опытов?
Какие параметры газа изменяются в процессе выполнения работы?

Приборы и материалы:

Калькулятор.
Гофрированный металлический сосуд переменного объема.
Жестяная банка объемом 3 литра.
Манометр.
Термометр спиртовой (бытовой).
Соединительный резиновый шланг.

Порядок выполнения работы:

Начертить в тетради таблицу № 1.
Расположить приборы на рабочем столе.
Соединить манометр с гофрированным сосудом с помощью резинового шланга.
На манометре закрыть выпускной кран.
Записать.

а) величину атмосферного давления в классе атм,

б) объем гофрированного сосуда условных единиц,

в) температуру воздуха в градусах Цельсия.

Пользуясь формулой , вычислить абсолютную температуру воздуха в гофрированном сосуде (абсолютную температуру воздуха в кабинете физики).
Записать значение абсолютной температуры
Вычислить выражение до значения третьего десятичного знака и округлить до сотых долей.
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу № 1.

Законы и уравнения состояния идеального газа лабораторная работа

Начертить в тетради таблицу № 2.

Пользуясь рычагом, прикрепленным к винту гофрированного сосуда, уменьшаем его объем, устанавливая указатель против цифры 8. (Выпускной кран на манометре закрыт).
Из водопроводного крана набираем в банку горячую воду (температура порядка 50 градусов Цельсия).
Гофрированный сосуд опускаем в банку с горячей водой.
Термометр помещаем в воду.
Наблюдаем за показаниями термометра до того момента, когда температура перестанет повышаться.
Фиксируем температуру воды в градусах Цельсия (температуру воздуха в гофрированном сосуде).
Вычисляем абсолютную температуру по формуле .
Записываем значение абсолютной температуры .
Обращаем внимание на манометр. Записываем показание манометра .
Вычисляем выражение до значения третьего десятичного знака и округляем его до сотых долей.
Записываем результаты измерений и вычислений в таблицу № 2.

Сравниваем результаты вычислений первого и второго опытов и записываем вывод.

Вывод: (выбрать правильный):

а) в результате проведенной лабораторной работы мы убедились, что для данной массы газа произведение давления на объем деленное на абсолютную температуру не остается постоянной величиной. Уравнение Клапейрона не выполняется для реальных газов (воздуха).

Видео:Урок 156. Уравнение состояния идеального газа. Квазистатические процессыСкачать

б) в результате проведенной лабораторной работы мы убедились, что для данной массы газа произведение давления на объем деленное на абсолютную температуру остается постоянной величиной. Уравнение Клапейрона выполняется для реальных газов (воздуха).

В результате многократно проведенной лабораторной работы мы убедились, что для данной массы газа произведение давления на объем деленное на абсолютную температуру остается постоянной величиной. Уравнение Клапейрона выполняется для реальных газов (воздуха).

Для двух опытов: = = 0,03.

Работа физического практикума выполняется группой учеников в составе 2–4 человек в течение одного часа. Особое внимание следует уделить соблюдению техники безопасности и сохранности физических приборов.

Учебное оборудование для кабинетов физики общеобразовательных учреждений / Ю. И. Дик, Ю. С. Песоцкий и др., под ред. Г. Г. Никифорова. – М.: Дрофа, 2005.
Факультативный курс физики 10 кл. Учеб. Пособие для учащихся О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов и др., под ред. А. В. Пономарева. – М.: Просвещение 1987.
Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 1. Механика, теплота. Под ред. А.А.Покровского. Пособие для учителей. – М., Просвещение.1971.
Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н.Н. Физика. Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2005.