Лабораторная работа №
Тема: Исследование изотермического процесса.
Цель работы: проверить соотношения между изменениями объема и давления определенного количества газа при его изотермическом сжатии.
Оборудование:
- прозрачная трубка с кранами на концах;
- мерный цилиндр;
- измерительная лента.
Теоретическая часть
В соответствии с законом Бойля-Мариотта это соотношение должно иметь вид: V1P1 = V2P2 (1), где V1 и V2 - объемы, занимаемые газом соответственно до и после сжатия, a P1 и Р2 - его давления.
Объектом изучения в работе является воздух, находящийся внутри прозрачной трубки. В исходном состоянии он имеет следующие параметры. Давление равно атмосферному. Объем равен объему внутренней полости трубки. Температура соответствует температуре воздуха в помещении класса.
Второе состояние получают путем сжатия. Для этого кран на одном конце закрывают. Второй кран остается открытым. Конец трубки с открытым краном погружают в мерный цилиндр, который предварительно заполняют водой комнатной температуры, не долив до верхнего края 15-20 мм. Кран опускают до дна цилиндра. Через открытый кран в трубку заходит вода и сжимает воздух до тех пор, пока его давление не сравняется с внешним давлением. Таким образом, во втором состоянии параметры воздуха окажутся следующими. Объем будет равен объему внутренней полости за вычетом объема воды, вошедшей в трубку. Давление возрастет на величину гидростатического давления столба воды в цилиндре. Температура не изменится.
Объем внутренней полости определяется произведением площади поперечного сечения трубки на ее длину. Поскольку поперечное сечение трубки не меняется, объем воздуха удобно измерять в условных единицах. За условную единицу принимают единицу длины воздушного столба.
Итак, в исходном состоянии давление определяется по показаниям барометра-анероида, а объем измерительной лентой по длине внутренней полости.
Для измерения давления во втором состоянии измеряют разницу уровней воды в мерном цилиндре и в трубке - h. По формуле для расчета гидростатического давления жидкости вычисляют давление столба воды: Рв = ρgh, где ρ - плотность воды. Давление воздуха во втором состоянии будет равно сумме атмосферного и гидростатического давлений.
Для определения объема воздуха во втором состоянии измеряют длину столба воды, вошедшей в трубку. Из измеренной ранее длины трубки вычитают длину столба воды.
Завершив измерения, находят произведения давления на объем воздуха в первом и втором состояниях. Сравнивая полученные числа, делают вывод о справедливости закона Бойля-Мариотта.
Указания к работе
1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
l1, мм | P1, Па | Δl, мм | l2, мм | h, мм | Pв, Па | Р2, Па | l1P1 | l2P2 |
знач |
2. Измерьте длину воздушного столба в трубке - l1 .
3. Закройте один кран и погрузите конец трубки с открытым краном в мерный цилиндр до дна.
4. Измерьте длину столба воды, вошедшей в трубку - Δl.
5. Измерьте разницу уровней воды в мерном цилиндре и в трубке - h.
6. Вычислите длину воздушного столба в трубке после сжатия l2 = l1 - Δl.
7. Вычислите гидростатической давление воды Рв = ρgh.
8. Вычислите давление воздуха в трубке после сжатия Р2 = P1 + Рв.
9. Вычислите произведения l1P1 и l2P2 и сделайте вывод о том, насколько точно изменение параметров газа в проделанном опыте соответствует закону Бойля-Мариотта.
10. Укажите причины, повлиявшие на точность полученных результатов.
Контрольные вопросы.
- Почему процесс сжатия воздуха в данной работе можно считать изобарным?
- Какие условия должны выполняться, чтобы изменения параметров газа соответствовали закону Бойля-Мариотта?