Изучение изохорического процесса

Лабораторная работа №15

ИЗУЧЕНИЕ ИЗОХОРИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Цель работы: изучить зависимость давления воздуха от температуры при постоянном объёме, найти плотность воздуха.

Приборы и принадлежности: баллон, манометр, термометр, нагреватель.

1.  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Состояние системы в термодинамике характеризуется набором термодинамических параметров, то есть физических величин, измеряемых на опыте. Например, состояние газа удобно характеризовать массой  m, объёмом V, давлением Р и температурой Т. Некоторые параметры имеют как термодинамический, так и механический смысл (m, Р), другие - только термодинамический (Т).

Давлением называется физическая величина, численно равная силе F, действующей на единичную площадку по нормали к ней

Температура характеризует степень нагретости тела. В термодинамике используется абсолютная шкала температур (шкала Кельвина), связанная со шкалой Цельсия соотношением:

T = t + 273,                                               (1)    где   t - температура газа по шкале Цельсия, °С.

Температура t измеряется термометром.

Функциональная зависимость, связывающая термодинамические параметры, называется уравнением состояния.

Простейшей термодинамической системой является идеальный газ.

Идеальным называется газ, молекулы которого имеют исчезающе малый объем и не взаимодействуют друг с другом. Уравнение состояния называется уравнением Клапейрона - Менделеева

                                                      PV = RT,                                                    (2)

где R = 8,31 Дж/(моль·К) - универсальная газовая постоянная; μ - молярная масса, кг/моль.

Воздух является смесью газов, для него вычисляется значение μ = 29 · 10^-3 кг/моль.                                                    

Изохорическим называется процесс, при котором объем системы остается постоянным. Из формулы (2) при V = const  получаем:                                                                                                                                                                                                      (3)         

то есть давление прямо пропорционально температуре. Здесь ρ - плотность газа. Зависимость давления от температуры при различных значениях плотности изображена на рис. 1.

Термический коэффициент давления γ определяется по формуле

                                                  (4)

Он характеризует относительное изменение давления при. изменении температуры на 1 К.. Используя (3), нетрудно найти   

2.  ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка для изучения изохорического процесса изображена на рис. 2. Исследуемый газ (воздух) находится в баллоне Б, помещенном в кастрюлю с водой К. Давление в баллоне измеряется манометром М. Кран Кр позволяет установить атмосферное давление в баллоне. В рабочем положении кран должен быть закрытым. Насосом Н через клапан устанавливается начальное давление. Установка помещается на нагреватель Пл - электрическую плитку. Температура воды и, следовательно, воздуха в баллоне измеряется термометром Т.

При проведении экспериментов следует помнить, что термометр измеряет температуру по шкале Цельсия, манометр - избыточное (превышение над атмосферным) давление. При переводе измеренных давлений в СИ можно пользоваться следующими соотношениями

1 ат =1,013 · 10⁵ Па,

1 кгс/см² = 0,981·10⁵ Па,

1мм рт. ст. = 133Па,  

1мм вод. ст. = 9,81 Па.

3.   ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1) Налейте в кастрюлю воды, измерьте термометром начальную температуру t_0, по формуле (1) найдите абсолютную температуру Т₀. Измерьте барометром атмосферное давление P₀. Переведите измеренное значение в СИ.

2) Перекройте кран Kр (рис. 2), насосом Н накачайте воздух в баллон Б до давления, указанною преподавателем. Поместите установку на нагреватель.

3) Изучите зависимость давления от температуры.

а) Через равные интервалы времени измеряйте избыточное давление Р и соответствующую ему температуру  t . Сделайте 8 - 10 измерений. Измеренные значения записать в табл. 1.

б) По результатам измерений постройте график зависимости избыточного давления от температуры (рис. 3). По графику определите отношение

Переведите полученный результат и СИ.

в) Определите по формуле (4) коэффициент γ. Для этого разделите отношение ΔР/ΔT на начальное давление, в качестве которого взять сумму Р₀ + ΔР. Сравнить полученное значение с обратной температурой 1/T₀.

Таблица 1.

Изучение зависимости давления от температуры г) Определить плотность воздуха по формуле:    и по формуле (3). Сравните полученные результаты между собой.

4.   КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1) Что называется термодинамическими параметрами?

2) Какие параметры используются для характеристики состояния газа?

3) Что называется давлением?

4) Какой термодинамический и статистический смысл абсолютной температуры?

5) Что называется уравнением состояния?

6)  Какой газ называется идеальным?

7) Как записать уравнение Клапейрона  - Менделеева?

8) Какой процесс называется изохорическим? Как выглядят графики этого процесса в различных диаграммах?

9) Что называется термическим коэффициентом давления?