Связь между давлением, температурой, объемом и количеством молей газа ("массой" газа). Универсальная (молярная) газовая постоянная R. Уравнение Клайперона-Менделеева = уравнение состояния идеального газа.
|
Ограничения практической применимости:
Внутри диапазона точность уравнения превосходит точность обычных современных инженерных средств измерения. Для инженера важно понимать, что для всех газов возможна существенная диссоциация или разложение при повышении температуры. |
|
|
|
Давайте решим парочку задач относительно газовых объемных и массовых расходов в предположении, что состав газа не изменяется (газ не диссоциирует) - что верно для большинства газов в указанных выше .
Данная задача актуальна в основном, но не только, для применений и устройств, в которых напрямую измеряется объем газа.
V 1 и V 2 , при температурах, соответственно, T 1 и T 2 и, пусть T 1 < T 2 . Тогда мы знаем, что:
Естественно, V 1 < V 2
- показатели объемного счетчика газа тем "весомее", чем ниже температура
- выгодно поставлять "теплый" газ
- выгодно покупать "холодный" газ
Как с этим бороться? Необходима хотя бы простая температурная компенсация, т.е в считающее устройство должна подаваться информация с дополнительного датчика температуры.
Данная задача актуальна в основном, но не только, для применений и устройств, в которых напрямую измеряется скорость газа.
Пусть счетчик () в точке доставки дает объемные накопленные расходы V 1 и V 2 , при давлениях, соответственно, P 1 и P 2 и, пусть P 1 < P 2 . Тогда мы знаем, что:
Естественно, V 1 >V 2 для одинаковых количеств газа при данных условиях. Попробуем сформулировать несколько важных на практике выводов для данного случая:
- показатели объемного счетчика газа тем "весомее", чем выше давление
- выгодно поставлять газ низкого давления
- выгодно покупать газ высокого давления
Как с этим бороться? Необходима хотя бы простая компенсация по давлению, т.е в считающее устройство должна подаваться информация с дополнительного датчика давления.
В заключение, хотелось бы отметить, что, теоретически, каждый газовый счетчик должен иметь и температурную компенсацию и компенсацию по давлению. Практически же......
2. Изохорический процесс . V- постоянен. P и T изменяются. Газ подчиняется закону Шарля. Давление, при постоянном объёме, прямо пропорционально абсолютной температуре
3. Изотермический процесс . T- постоянна. P и V изменяются. В этом случае газ подчиняется закону Бойля - Мариотта. Давление данной массы газа при постоянной температуре обратно пропорциональна объёму газа .
4. Из большого числа процессов в газе, когда изменяются все параметры, выделяем процесс, подчиняющийся объединенному газовому закону. Для данной массы газа произведение давление на объём, делённое на абсолютную температуру есть величина постоянная .
Этот закон применим для большого числа процессов в газе, когда параметры газа меняются не очень быстро.
Все перечисленные законы для реальных газов являются приближёнными. Погрешности увеличиваются с ростом давления и плотности газа.
Порядок выполнения работы:
1. часть работы .
1. Шланг стеклянного шара опускаем в сосуд с водой комнатной температуры (рис.1 в приложении). Затем шар нагреваем (руками, тёплой водой).Считая давление газа постоянным, напишите как объём газа зависит от температуры
Вывод:………………..
2. Соединим шлангом цилиндрический сосуд с миллиманометром (рис. 2). Нагреем металлический сосуд и воздух в нём с помощью зажигалки. Считая объём газа постоянным, напишите, как зависит давление газа от температуры.
Вывод:………………..
3. Цилиндрический сосуд, присоединённый к миллиманометру сожмем руками, уменьшая его объём (рис.3). Считая температуру газа постоянной, напишите, как зависит давление газа от объёма.
Вывод:……………….
4. Соединим насос с камерой от мяча и закачаем несколько порций воздуха (рис.4). Как изменилось давление объём и температура закаченного в камеру воздуха?
Вывод:………………..
5. Нальём в бутылку около 2 см 3 спирта, закроем пробкой со шлангом (рис. 5) , прикреплённым к нагнетающему насосу. Сделаем несколько качков до момента вылета пробки из бутылки. Как изменяются давление объём и температура воздуха (и паров спирта) после вылета пробки?
Вывод:………………..
Часть работы.
Проверка закона Гей - Люссака.
1. Нагретую стеклянную трубку достаём из горячей воды и опускаем открытым концом в небольшой сосуд с водой.
2. Удерживаем трубку вертикально.
3. По мере охлаждения воздуха в трубке вода из сосуда заходит в трубку (рис 6).
4. Находим и
Длина трубки и столба воздуха (в начале опыта)
Объём тёплого воздуха в трубке,
Площадь поперечного сечения трубки.
Высота столба воды, зашедшей в трубке при остывании воздуха в трубке.
Длина столба холодного воздуха в трубке
Объём холодного воздуха в трубке.
На основании закона Гей-Люссака У нас для двух состояний воздуха
Или (2) (3)
Температура горячей воды в ведре
Нам нужно проверить уравнение (3) и, следовательно закон Гей – Люссака.
5. Вычислим
6. Находим относительную погрешность измерения при измерении длины принимая Dl=0.5 см.
7. Находим абсолютную погрешность отношения
=……………………..
8. Записываем результат показания
………..…..
9. Находим относительную погрешность измерения Т, принимая
10. Находим абсолютную погрешность вычисления
11. Записываем результат вычисления
12. Если интервал определения отношения температур (хотя бы частично) совпадает с интервалом определения отношения длин столбов воздуха в трубке, то уравнение (2) справедливо и воздух в трубке подчиняется закону Гей- Люссака.
Вывод:……………………………………………………………………………………………………
Требование к отчёту:
1. Название и цель работы.
2. Перечень оборудования.
3. Нарисовать рисунки с приложения и сделать выводы для опытов 1, 2, 3, 4.
4. Написать содержание, цель, расчёты второй части лабораторной работы.
5. Написать вывод по второй части лабораторной работы.
6. Построить графики изопроцессов (для опытов 1,2,3) в осях: ; ; .
7. Решить задачи:
1. Определить плотность кислорода, если его давление равно 152 кПа, а средняя квадратичная скорость его молекул -545 м/с.
2. Некоторая масса газа при давлении 126 кПа и температуре 295 К занимает объём 500 л. Найти объём газа при нормальных условиях.
3. Найти массу углекислого газа в баллоне вместимостью 40 л при температуре 288 К и давлении 5,07 МПа.
Приложение
Поскольку при изобарическом процессе P постоянно, то после сокращения на P формула принимает вид
V 1 /T 1 =V 2 /T 2 ,
V 1 /V 2 =T 1 /T 2 .
Формула является математическим выражением закона Гей-Люссака: при постоянной массе газа и неизменном давлении объём газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.
Изотермический процесс
Процесс в газе, происходящий при постоянной температуре, называется изотермическим. Изотермический процесс в газе был изучен английским ученым Р.Бойлем и французским ученым Э. Мариотом. Установленная ими опытным путем связь получается непосредственно из формулы путем сокращения на T:
p 1 V 1 =p 2 V 2 ,
p 1 /p 2 =V 1 /V 2.
Формула является математическим выражением закона Бойля - Мариота : при постоянной массе газа и неизменной температуре давление газа обратно пропорционально его объему. Иначе говоря, в этих условиях произведение объёма газа на соответствующее давление есть величина постоянная:
График зависимости p от V при изотермическом процессе в газе представляет собой гиперболу и называется изотермой. На рисунке 3 изображены изотермы для одной и той же массы газа, но при разных температурах Т. При изотермическом процессе плотность газа изменяется прямо пропорционально давлению:
ρ 1 /ρ 2= p 1 /p 2
Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме
Рассмотрим, как зависит давление газа от температуры, когда его масса и объем остаются постоянными. Возьмем закрытый сосуд с газом и, будем нагревать его (рисунок 4). Температуру газа t будем определять с помощью термометра, а давление манометром М.
Сначала поместим сосуд в тающий снег и давление газа при 0 0 С обозначим р 0 , а затем будем постепенно нагревать наружный сосуд и записывать значения р и t для газа.
Оказывается, что график зависимости р и t, построенный на основании такого опыта, имеет вид прямой линии (рисунок 5).
Если продолжить этот график влево, то он пересечется с осью абсцисс в точке А, соответствующей нулевому давлению газа. Из подобия треугольников на рисунке 5, а можно записать:
P 0 /OA=Δp/Δt,
l/OA=Δp/(p 0 Δt).
Если обозначить постоянною l/ОА через α, то получим
α = Δp//(p 0 Δt),
Δp= α p 0 Δt.
По смыслу коэффициент пропорциональности α в описанных опытах должен выражать зависимость изменения давления газа от его рода.
Величина γ, характеризующая зависимость изменения давления газа от его рода в процессе изменения температуры при постоянном объёме и неизменной массе газа, называется температурным коэффициентом давления. Температурный коэффициент давления показывает, на какую часть давления газа, взятого при 0 0 С, изменяется при нагревании на 1 0 С. Выведем единицу температурного коэффициента α в СИ:
α =l ΠA/(l ΠA*l 0 C)=l 0 C -1
При этом длина отрезка ОА получается равной 273 0 С. Таким образом, для всех случаев температура, при которой давление газа должно обращаться в нуль, одинакова и равна – 273 0 С, а температурный коэффициент давления α =1/ОА=(1/273) 0 С -1 .
 |
 |
При решении задач обычно пользуются приближенным значением α равным α =1/ОА=(1/273) 0 С -1 . Из опытов значение α впервые было определено французским физиком Ж. Шарлем, который в 1787г. установил следующий закон: температурный коэффициент давления не зависит от рода газа и равен (1/273,15) 0 С -1 . Заметим, что это верно только для газов, имеющих небольшую плотность, и при небольших изменениях температуры; при больших давлениях или низких температурах α зависит от рода газа. Точно подчиняется закону Шарля лишь идеальный газ. Выясним, как можно определить давление любого газа р, при произвольной температуре t.
Подставив эти значения Δр и Δt в формулу, получим
p 1 -p 0 =αp 0 t,
p 1 =p 0 (1+αt).
Поскольку α~273 0 С, при решении задач формулу можно использовать в следующем виде:
p 1 =p 0
К любому изопроцессу применим объединенный газовый закон с учетом того, что один из параметров остается постоянным. При изохорическом процессе постоянным остается объём V, формула после сокращения на V принимает вид
Уравнение состояния идеального газа определяет связь температуры, объема и давления тел.
- Позволяет определить одну извеличин, характеризующих состояние газа, по двум другим (используется в термометрах);
- Определить, как протекают процессы при определенных внешних условиях;
- Определить, как меняется состояние системы, если она совершает работу или получает тепло от внешних тел.
Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа)
- универсальная газовая постоянная , R = kN A
Уравнение Клапейрона (объединенный газовый закон)
Частными случаями уравнения являются газовые законы, описывающие изопроцессы в идеальных газах, т.е. процессы, при которых один из макропараметров (T, P, V) в закрытой изолированной системе постоянный.
Количественные зависимости между двумя параметрами газа одной и той же массы при неизменном значении третьего параметра называют газовыми законами.
Газовые законы
Закон Бойля - Мариотта
Первый газовый закон был открыт английским ученым Р. Бойлем (1627-1691) в 1660 г. Работа Бойля называлась «Новые эксперименты, касающиеся воздушной пружины». И действительно, газ ведет себя подобно сжатой пружине, в этом можно убедиться, сжимая воздух в обычном велосипедном насосе.
Бойль изучал изменение давления газа в зависимости от объема при постоянной температуре. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим (от греческих слов isos - равный, therme - тепло).
Независимо от Бойля несколько позднее французский ученый Э. Мариотт (1620-1684) пришел к тем же выводам. Поэтому найденный закон получил название закона Бойля-Мариотта.
Произведение давления газа данной массы на его объем постоянно, если температура не меняется
pV = const
Закон Гей-Люссака
Сообщение об открытии еще одного газового закона было опубликовано лишь в 1802 г., спустя почти 150 лет после открытия закона Бойля-Мариотта. Закон, определяющий зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении (и неизменной массе), был установлен французским ученым Гей-Люссаком (1778- 1850).
Относительное изменение объема газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционально изменению температуры
V = V 0 αT
Закон Шарля
Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме экспериментально установил французский физик Ж. Шарль (1746-1823) в 1787 г.
Ж. Шарль в 1787 г., т. е. раньше, чем Гей-Люссак, установил и зависимость объема от температуры при постоянном давлении, но он своевременно не опубликовал своих работ.
Давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре.
p = p 0 γT
| Название | Формулировка | Графики |
|
Закон Бойля-Мариотта – изотермическ ий процесс |
Для данной массы газа произведение давления на объем постоянно, если температура не меняется
|
   |
|
Закон Гей-Люссака – изобарный процесс |
Введение
Состояние идеального газа полностью описывается измеряемыми величинами: давлением, температурой, объемом. Отношение между этими тремя величинами определяется основным газовым законом:
Цель работы
Проверка закона Бойля-Мариотта.
Решаемые задачи
Измерение давления воздуха в шприце при изменении объема учитывая, что температура газа постояна.
Экспериментальная установка
Приборы и принадлежности
Манометр
Ручной вакуумный насос
В данном эксперименте закон Бойля – Мариотта подтверждается с помощью установки показанной на рисунке 1. Объем воздуха в шприце определяется следующим образом:
где p 0 атмосферное давление, аp– давление, измеренное при помощи манометра.
Порядок выполнения работы
Установите поршень шприца на отметке 50 мл.
Плотно надеть свободный конец соединительного шланга ручного вакуумного насоса на выходной патрубок шприца.
Выдвигая поршень, увеличивайте объем с шагом 5 мл, фиксируйте показания маномета по черной шкале.
Чтобы определить давление под поршнем, надо из атмосферного давления вычесть показания монометра, выраженного в паскалях. Атмосферное давление равно приблизительно 1 бар, что соответствует 100 000 Па.
Для обработки результатов измерений следует учитывать наличие воздуха в соединительном шланге. Для этого измерьте расчитайте объем соединительного шланга, измерив длину шланга рулеткой, а диаметр шланга штангенциркулем, учитывая, что толщина стенок составляет 1,5 мм.
Постройте график измеренной зависимости объема воздуха от давления.
Рассчитайте зависимость объема от давления при постоянной температуре по закону Бойля-Мариотта и постройте график.
Сравните теоретические и экспериментальные зависимости.
2133. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме (закон шарля)
Введение
Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Эти исследования были впервые произведены в 1787 г. Жаком Александром Сезаром Шарлем (1746-1823). Газ нагревался в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Пренебрегая ничтожным увеличением объема колбы при нагревании и незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, можно считать объем газа неизменным. Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, измеряли температуру газа по термометру Т , а соответствующее давлениер - по манометру. Наполнив сосуд тающим льдом, определяли давлениер о , и соответствующую температуруТ о . Было установлено, что если при 0 С давлениер о , то при нагревании на 1 С приращение давления будет в р о . Величинаимеет одно и то же значение (точнее, почти одно и тоже) для всех газов, а именно 1/273 C -1 . Величинуназывают температурным коэффициентом давления.
Закон Шарля позволяет рассчитать давление газа при любой температуре, если известно его давление при температуре 0 C. Пусть давление данной массы газа при 0 Cв данном объемеp o , а давление того же газа при температуреt p . Температура меняется наt , а давления изменяется на р о t , тогда давлениер равно:
При очень низких температурах, когда газ приближается к состоянию сжижения, а также в случае сильно сжатых газов закон Шарля неприменим. Совпадение коэффициентов и, входящих в закон Шарля и закон Гей-Люссака, не случайно. Так как газы подчиняются закону Бойля - Мариотта при постоянной температуре, тоидолжны быть равны между собой.
Подставим значение температурного коэффициента давления в формулу температурной зависимости давления:
|
|
Величину (273+ t ) можно рассматривать как значение температуры, отсчитанное по новой температурной шкале, единица которой такая же, как и у шкалы Цельсия, а за нуль принята точка, лежащая на 273 ниже точки, принятой за нуль шкалы Цельсия, т. е. точки таяния льда. Нуль этой новой шкалы называют абсолютным нулем. Эту новую шкалу называют термодинамической шкалой температур, гдеT t +273 .
Тогда, при постоянном объеме справедлив закон Шарля:
|
|
Цель работы
Проверка закона Шарля
Решаемые задачи
Определение зависимости давления газа от температуры при постоянном объеме
Определение абсолютной шкалы температур путем экстраполяции в сторону низких температур
Техника безопасности
Внимание: в работе используется стекло.
Будьте предельно аккуратны при работе с газовым термометром; стеклянным сосудом и мерным стаканом.
Будьте предельно внимательны при работе с горячей водой.
Экспериментальная установка
Приборы и принадлежности
Газовый термометр
Мобильный CASSY Lab
Термопара
Электрическая нагревательная плитка
Стеклянный мерный стакан
Стеклянный сосуд
Ручной вакуумный насос
При откачке воздуха при комнатной температуре с помощью ручного насоса, создается давление на столб воздуха р0+р, где р 0 – внешние давление. Капля ртути также оказывает давление на столб воздуха:
В данном эксперименте этот закон подтверждается с помощью газового термометра. Термометр помещают в воду с температурой около 90°С и эта система постепенно охлаждается. Откачивая воздух из газового термометра с помощью ручного вакуумного насоса, поддерживают постоянный объём воздуха во время охлаждения.
|
|
Порядок выполнения работы
Откройте заглушку газового термометра, подключите к термометру ручной вакуумный насос.
Поверните осторожно термометр как показано слева на рис. 2 и откачайте воздух из него с помощью насоса так, чтобы капелька ртути оказалась в точке a) (см. рис.2).
После того как капелька ртути собралась в точке a)поверните термометр отверстием наверх и спустите нагнетенный воздух ручкойb) на насосе (см. рис.2) осторожно, чтобы ртуть не разделилась на несколько капелек.
Нагреть воду в стеклянном сосуде на плитке до 90°С.
Налить горячую воду в стеклянный сосуд.
Поместить в сосуд газовый термометр, закрепив его на штативе.
Поместить термопару в воду, постепенно эта система охлаждается. Откачивая воздух из газового термометра с помощью ручного вакуумного наноса, поддерживаете постоянный объём столба воздуха в течении всего процесса охлаждения.
Фиксируйте показание манометра р и температуруТ .
Постройте зависимость полного давления газаp 0 +p +p Hg от температуры в о С.
Продолжите график до пересечения с осью абсцисс. Определите температуру пересечения, объясните полученные результаты.
По тангенсу угла наклона определите температурный коэффициент давления.
Рассчитайте зависимость давления от температуры при постоянном объеме по закону Шарля и постройте график. Сравните теоретические и экспериментальные зависимости.