Изучение изобарного процесса

 

Цель лабораторной работы

Целью лабораторной работы является экспериментальное изучение изобарного процесса в газе.

 

Задачи лабораторной работы

Задачи лабораторной работы:

1) получение экспериментальных точек зависимости давления от температуры газа при его остывании в условиях постоянного давления;

2) проверка соответствия полученной экспериментальной зависимости закону Гей-Люссака для изобарного процесса в идеальном газе.

Экспериментальное оборудование, приборы и принадлежности

Лабораторная установка

Представляет собой герметичный резервуар 1 (полупрозрачный цилиндр из пластика с гофрированной боковой поверхностью), составляющий единую конструкцию с датчиком изменения объема 2. Элементы установки размещены на кронштейне 3, который фиксируется на стойке штатива. Конструкция установки обеспечивает перемещение подвижного верхнего основания цилиндра с горловиной вдоль его продольной оси. Это основание цилиндра жестко связано с подвижной частью датчика изменения объема, и таким образом, осуществляется регистрация объема цилиндра с гофрированными стенками.

Нижнее основание цилиндра закреплено на кронштейне и остается неподвижным.

Горловина цилиндра закрыта пробкой, через которую внутрь вводится кабель чувствительного элемента датчика температуры и трубка для заполнения цилиндра воздухом. В рабочем состоянии сообщение внутреннего объема цилиндра с атмосферой перекрывается с помощью зажима, устанавливаемого на трубку.

Чувствительный элемент датчика температуры 3 расположен на оси цилиндра в его центральной части. Электронная схема датчика температуры смонтирована на плате датчика объема газа. Датчики температуры и объема выполнены на едином микроконтроллере, поэтому подключение их к компьютеру осуществляется одним кабелем.

Датчик объема газа, используемый в установке, требует предварительной настройки, которая выполняется после подключения датчиков к компьютеру.

Конструкция установки ограничивает деформацию цилиндра с гофрированными стенками. Предельные положения подвижного основания цилиндра соответствуют внутреннему объему в 300 и 720 мл соответственно.

В течение эксперимента установку следует размещать вертикально, так чтобы гофрированный цилиндр находился внизу.

Кроме того, в состав установки входит штатив, муфта и пластиковый сосуд для горячей воды.

К приборам и принадлежностям относятся компьютер с необходимым программным обеспечением для регистрации и обработки данных, а также соединительный кабель.

 

Теоретическая часть

Изобарным называется процесс, протекающий в системе при постоянном давлении. Примером изобарного процесса может служить расширение газа в цилиндре со свободно ходящим поршнем. В этом случае давление газа будет равно атмосферному. Если изобарный процесс происходит настолько медленно, что давление в системе можно считать постоянным и равным внешнему давлению, а температура меняется так медленно, что в каждый момент времени сохраняется термодинамическое равновесие, то изобарный процесс обратим. Для осуществления изобарного процесса к системе надо подводить или отводить теплоту, которая расходуется на работу при изменении объема и изменение внутренней энергии.

Объем идеального газа при изобарном процессе в соответствии с законом Гей-Люссака пропорционален температуре. Масса и состав газа при этом должны быть неизменными. Изобарный процесс описывается уравнением:

V = V_oαT,

где V - объем газа при абсолютной температуре Т, V₀ — объем газа при температуре 0°С, а — температурный коэффициент объемного расширения газа, равный 1/273 К^-1 (≈ 0,0037 К^-1). Если температура измеряется в градусах Цельсия, то зависимость давления от температуры t принимает вид:

V=V₀(1+αt).

Таким образом, в первом случае экспериментальные точки должны «лечь» на график прямой пропорциональной зависимости у=Aх, а во втором - на график линейной зависимости, причём угловой коэффициент прямой в обоих случаях одинаков и равен aV₀