Рівняння стану ідеального газу з Cobra SMARTsense (закон Бойля - Маріотта, Гей-Люссака, Амонтона)

Схема досліду

Ця установка поєднує дослідження основ газових законів, сформульованих Робертом Бойлем, Жаком Шарлем, Амедео Авогадро, Ґійомом Амонтоном і Жозефом-Луї Гей-Люссаком. Ці три описані газові закони визначають сучасні закони термодинаміки.

Основою цих газових законів є закон ідеального газу, який пов'язує між собою тиск , об'єм , температуру і кількість речовини з універсальною газовою сталою .

Попередні знання

Студенти мають бути обізнані з такими величинами, як тиск, температура, маса й об'єм, і вміти виконувати з ними розрахунки. Поняття ідеального газу має бути студентам відоме. Крім того, вони мають бути обізнані із загальною належною лабораторною практикою і загальними правилами безпеки для лабораторій.

Принцип

Стан газу визначається температурою, тиском і кількістю речовини. Для граничного випадку ідеальних газів ці параметри стану пов'язані між собою законом ідеального газу. Для зміни стану за ізобарних умов це рівняння переходить у перший закон Гей-Люссака, за ізохорних умов - у закон Амонтона, а за ізотермічного перебігу процесу - у закон Бойля і Маріотта.

Навчальна мета

У цьому досліді студенти знайомляться з різною поведінкою газів і поглиблюють свої знання про фізичні рівняння. Виконуючи різні досліди з тим самим об'ємом повітря за зміни зовнішніх впливів, вони пізнають зв'язки між тиском, температурою й об'ємом.

Завдання

1. Дослідіть справедливість трьох газових законів для сталої кількості газу (повітря).
2. Обчисліть універсальну газову сталу, термічний коефіцієнт розширення і термічний коефіцієнт тиску за отриманими залежностями.

Гази є на кожній планеті у Всесвіті

Закон ідеального газу в цьому досліді ілюструють за допомогою трьох експериментів. Треба показати, що цей закон, попри численні обмеження, є добрим наближенням для поведінки багатьох газів за багатьох умов.

Закон ідеального газу пов'язує змінні тиск , температуру , об'єм і кількість речовини між собою. Він означений як з ідеальною газовою сталою (сталою Авогадро) .

При підвищенні тиску об'єм газу зменшується, доки температура лишається сталою.

Закон Бойля - Маріотта має вигляд: або ~ і стверджує, що тиск ідеального газу за сталої температури обернено пропорційний до об'єму. Це означає: якщо тиск зростає від до , то об'єм зменшується від до , і навпаки:

Це випливає з формули закону ідеального газу, бо в досліді температура і кількість речовини лишаються сталими:

або

Отже, об'єм газу в газовому балоні під високим тиском менший, ніж за нормального тиску.

При підвищенні температури об'єм газу у шприці зростає, доки тиск лишається сталим.

Закон Гей-Люссака має вигляд: або ~ і стверджує, що об'єм ідеального газу за сталого тиску пропорційний до температури. Це означає: якщо температура зростає від до , то об'єм збільшується від до , і навпаки:

Це випливає з формули закону ідеального газу, бо в досліді тиск і кількість речовини лишаються сталими:

або

Цей закон застосовують у посудинах під тиском, кондиціонерах, повітряних кулях, а також в аналізі хімічних реакцій і метеорологічних умов.

При підвищенні температури тиск у каструлі зростає, доки об'єм лишається сталим.

Закон Амонтона (іноді його називають також «2-м законом Гей-Люссака») має вигляд: або ~ і стверджує, що тиск ідеального газу за сталого об'єму пропорційний до температури. Це означає: якщо температура зростає від до , то тиск збільшується від до , і навпаки:

Це випливає з формули закону ідеального газу, бо в досліді об'єм і кількість речовини лишаються сталими:

або

На відміну від закону Гей-Люссака, закон Амонтона стверджує, що за сталого об'єму тискгазу зростає, коли підвищують температуру.

• Для цього досліду діють загальні вказівки щодо безпечного експериментування на уроках природничих наук.
• Поводячись із газами під тиском, вам слід носити захисні окуляри і придатний одяг.
• Увага! У цьому досліді воду у скляному кожусі, відкритому до довкілля, нагрівають майже до кипіння! Носіть захисні окуляри!

iOS

Android

Windows

• Закріпіть ще дві подвійні муфти у верхній частині кожного з двох коротких штативних стрижнів.
• Закріпіть обидва універсальні затискачі на цих двох подвійних муфтах, щоб на наступному кроці зафіксувати скляний кожух із газовим шприцом безпосередньо над нагрівачем.
• Поставте нагрівач для системи зі скляним кожухом на опорну плиту.

• Зберіть скляний кожух так, як показано на обох рисунках:
  • Для цього приладнайте закриту гвинтову кришку і відрізок силіконового шланга (прибл. 15 см або більше) до лівого вентиля й оливки.
  • Скористайтеся одним із двох шлангових затискачів, щоб закріпити короткий відрізок шланга на кінчику газового шприца. Довжина відрізка шланга має бути достатньою, щоб приєднати до нього через оливку датчик Cobra SMARTsense Absolute Pressure (див. наступний слайд).

• Вставте скляний кожух в обидва універсальні затискачі й простежте, щоб він вільно лежав на затискачах і на нагрівачі.
• Після цього закріпіть скляний кожух обома затискачами без напруження.
• Вставте у праве різьбове з'єднання лійку.
• Наповніть апарат дистильованою водою, вийміть лійку, вставте крізь отвір в апарат мішалку і щільно закрутіть праву закривну кришку.

• Поставте мензурку за скляним кожухом і покладіть у неї відкритий кінець шланга. Так під час досліду нагріта вода зможе безпечно стікати з апарата.
• Закріпіть занурювальний датчик у правій закривній кришці з ущільненням і щільно її закрийте.
• З'єднайте занурювальний датчик із Cobra SMARTsense Thermocouple(див. синю коробку).

• Закріпіть датчик тиску Cobra SMARTsense Absolute Pressure другим шланговим хомутом на трубці газового шприца.
• Наостанок під'єднайте блок живлення до нагрівача.

Загальну установку тепер зібрано. Далі йде налаштування measureAPPдля дослідів. Подробиці про окремі досліди описано після цього.

• З'єднайте обидва датчики Cobra SMARTsenseпо Bluetooth або USB з measureLAB: для цього утримуйте кнопку ввімк./вимк. на датчику приблизно . Світлодіод Bluetooth після цього блимне тричі.
• Виберіть датчик у measureAPPі натисніть на для з'єднання.

• Переконайтеся, що всі гумові шланги зафіксовані шланговими хомутами і всі гвинтові кришки щільно закриті.
• Установіть початковий об'єм газового шприца рівно на .
• Перш ніж почати, треба зробити кілька налаштувань у measureAPP:
  • Торкніться в розділі Вимірювальний канал для датчика Pressure (величина ) шестерні і встановіть одиницюкілопаскаль (kPa), а тоді торкніться Зберегти.
  • Так само зробіть для датчика Temperature і встановіть одиницю кельвін (K); усі інші налаштування можете обрати на свій розсуд, причому показувати точки вимірювання є доцільним.

У цьому досліді досліджують залежність між тиском і об'ємом за сталої температури.

• Переконайтеся, що всі гумові шланги зафіксовані шланговими хомутами і всі гвинтові кришки щільно закриті.
• Установіть початковий об'єм газового шприца рівно на .
• Торкніться в measureAPP в розділі Конфігураціяпункту Запис вимірюваньі перемкніть його на Поточковий. Тоді торкніться Зберегти.
• Торкніться Перейменувати номер точки вимірювання і встановіть .
• Датчик температури для цього вимірювання можна вимкнути після зчитування початкової температури (див. наступні слайди).

• Завершіть вимірювання натисканням .
• Після завершення вимірювання measureAPPпоказує діаграму, яка відображає залежність між і за сталої температури.
• Тепер побудуйте лінію лінійної регресії: спершу торкніться над діаграмою. Виберіть діапазон від до і торкніться . Після цього виберіть лінійну регресію і торкніться Обчислити.
• Порада: клацни на синю кнопку, щоб показати зображення великим.

• Вам показано лінійну регресію. За потреби ви можете вилучити її, торкнувшись . Параметри лінійної регресії показано вам у віконці. Занотуйте їх.
• Ви можете зберегти вимірювання, торкнувшись .

У цьому досліді досліджують залежність між температурою і об'ємом за сталого тиску.

• Переконайтеся, що всі гумові шланги зафіксовані шланговими хомутами і всі гвинтові кришки щільно закриті.
• Установіть початковий об'єм газового шприца рівно на .
• Торкніться в measureAPP в розділі Конфігураціяпункту Запис вимірюваньі перемкніть його на Поточковий. Тоді торкніться Зберегти.
• Торкніться Перейменувати номер точки вимірювання і встановіть .

• Після завершення вимірювання measureAPPпоказує діаграму, яка відображає залежність між і за сталого тиску.
• Тепер побудуйте лінію лінійної регресії, як описано в першій частині досліду. Виберіть діапазон від до .
• Параметри лінійної регресії показано вам у віконці. Занотуйте їх.
• Ви можете зберегти вимірювання, торкнувшись .

У цьому досліді досліджують залежність між тиском і температурою за сталого об'єму.

• Переконайтеся, що всі гумові шланги зафіксовані шланговими хомутами і всі гвинтові кришки щільно закриті.
• Установіть об'єм газового шприца рівно на 50 мл. Під час досліду тримайте газовий шприц міцно і в такий спосіб зберігайте об'єм сталим - 50 мл.
• Торкніться в measureAPP праворуч від осі X кнопки і встановіть температуру як вимірювану величину, як показано на рисунку.
• Торкніться в measureAPP в розділі Конфігураціяпункту Запис вимірюваньі перемкніть його на Неперервнийта Зберегти.

Закон Бойля - Маріотта:
~

Закон Гей-Люссака:
~

Закон Амонтона:
~