Краткая теория и методика выполнения работы

Опытным путем французским ученым Б. П. Э. Клапейроном в 1834 г. было установлено, что при комнатной температуре и атмосферном давлении параметры состояния газов (, , ) довольно хорошо подчиняются уравнению:

, (3.1)

где – константа, пропорциональная массе газа. Причем, чем меньше плотность газа, тем точнее выполняется это уравнение.

У разреженных газов молекулы практически не взаимодействуют между собой. Газ, молекулы которого считают материальными точками и пренебрегают взаимодействием между ними силами притяжения и отталкивания, называют идеальным газом. Такой газ строго подчиняется уравнению (3.1), которое называется уравнением состояния идеального газа.

Согласно закону Авогадро при нормальных условиях ( ⁰С, =1 атм.) моль любого газа занимает один и тот же объем – 22,4 литра. Один моль газа – это такое количество газа, в котором содержится столько же структурных единиц (атомов, молекул), сколько атомов содержится в изотопе углерода массой 0,012 кг. Следовательно, когда количество газа равно 1 моль, константа в уравнении (3.1) будет одинаковой для всех газов. Эту константу обозначают через и называют универсальной газовой постоянной. Запишем уравнение состояния идеального газа следующим образом:

, (3.2)

где – объем 1 моля газа.

Из закона Авогадро можно определить значение универсальной газовой постоянной:

. (3.3)

Для произвольной массы газа уравнение состояния записывается в виде:

, (3.4)

где – объем газа массой , – молярная масса газа (масса 1 моля газа), – число молей газа. Это уравнение называется уравнением Менделеева–Клапейрона.

Уравнение состояния идеального газа можно также представить в виде:

, (3.5)

где – концентрация молекул газа, – число молекул газа, находящихся в объеме , – постоянная Больцмана, – число молекул в 1 моле газа (число Авогадро).

Отношение массы газа к занимаемому им объему определяет его плотность: . Из формулы (3.4) плотность идеального газа можно выразить так:

. (3.6)

2. Описание экспериментальной установки

Установка ФПТ1–12 (рис. 3.1) состоит из измерительного блока 1 и колбы 3, установленной на весах 2. В измерительном блоке установлен вакуумметр 4. На лицевой панели блока расположены органы управления и световой индикации, термометр 5 для определения температуры окружающей среды; внутри блока установлен компрессор.

Колба установлена на весах и соединена с вакуумметром вакуумной трубкой. Соединение компрессора со штуцером измерительного блока осуществляется также с помощью вакуумной трубки.

3. Выполнение упражнений и обработка результатов измерений

1. Включить установку тумблером «Сеть». При этом загорается сигнальная лампа.

2. Нарисовать таблицу 3.1.

3. Измерить температуру воздуха в лаборатории и записать ее значение в таблицу.

4. С помощью электронных весов определить массу колбы с воздухом при давлении воздуха в колбе ( – атмосферное давление). Результат занести в таблицу.

5. Включить компрессор кнопкой «Пуск» и, удерживая ее нажатой, откачать воздух из колбы до давления . После чего, закрыв кран и выключив компрессор (отпустив кнопку «Пуск»), определить массу колбы с воздухом при давлении . Данные занести в таблицу.