Закон Клапейрона (объединенный газовый закон)

 

Если изменяются параметры р, V и Т, а число молекул N газа остается неизменным, тосостояние идеального газа описывается уравнением Клапейрона:

при N = const (3.10)

 

3.4. Описание экспериментальной установки и подготовка к работе

 

Колбу 3 с термометром 4 помещают в химический стакан 5, установленный на электроплитке 6, и закрепляют с помощью регулировочного винта 1 лапки штатива 2 (для устойчивого положения, когда колба будет находиться в воде).

Для равномерного нагревания воздуха воду в стакан наливают так, чтобы колба почти полностью находилась в воде. В открытой колбе, т.е. когда зажим 7 открыт, уровень воды в обоих коленах манометра 8 должен совпадать с нулем миллиметровой шкалы 9. Кроме того, шкалу манометра можно перемещать, ослабив регулировочные винты 10, на несколько миллиметров вверх или вниз для более точного совмещения нуля шкалы с первоначальным уровнем воды.

Рис. 3.1. Схема лабораторной установки:

1 – регулировочный винт штатива; 2 – штатив; 3 – колба;

4 – термометр; 5 – химический стакан; 6 – электроплитка; 7 – зажим;

8 – манометр; 9 – шкала манометра; 10 – регулировочные винты манометра

 

3.5. Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений

 

1) Ослабить зажим 7 и проверить, совпадает ли уровень воды в коленах манометра с нулем шкалы.

2) Записать в таблицу 3.1 начальные значения параметров состояния воздуха в колбе: t ₀ и p ₀, которые определяют с помощью термометра и барометра. Объем колбы V ₀ и площадь S внутреннего сечения трубок манометра необходимо выяснить у преподавателя, ведущего занятия, или лаборанта. Давление р ₀, измеренное с помощью барометра в миллиметрах ртутного столба переводят в паскали (1 мм рт.ст. = 133 Па).

Таблица 3.1

Начальные параметры воздуха

t 0	T 0	p 0	p 0	V 0
ºC	K	мм рт.ст.	Па	м3	Дж/К

 

3) Перекрыть с помощью зажима 7 доступ воздуха в колбу и включить электрический нагреватель 6.

4) Для проверки уравнения Клапейрона воздух в закрытой колбе 3 (рис. 3.1) нагревают с помощью электроплитки 6 до температуры 40 ¸ 50 ºC, регистрируя изменение высоты столба воды в коленах водяного манометра 8 через каждые 4 ¸ 6 ºС. В зависимости от числа опытов, уравнение (3.10) примет вид:

(3.11)

где р ₀ и V ₀ - первоначальные давление и объем воздуха в колбе при комнатной температуре Т ₀.

Нагревание воздуха в закрытой колбе до температуры Т ₁ сопровождается ростом давления, которое определяют по формуле:

р ₁ = р ₀ + ρ ·g ·h (3.12)

где ρ - плотность воды (ρ= 1000 кг/м³),

h - разность уровней воды в коленах манометра.

 

Для удобства измерения h начало миллиметровой шкалы совмещают с первоначальным уровнем воды в коленах манометра. Тогда h = 2 h ^/ и формула (3.12) примет вид:

 

р ₁ = р ₀ + 2 · ρ · g · h ^/ (3.13)

 

Объем воздуха при температуре Т ₁также увеличивается, вытесняя столб жидкости в манометре на величину h ^/:

V ₁ = V ₀ + S· h ^/ (3.14)

где S - площадь внутреннего сечения стеклянных трубок манометра, м².

 

4) Фиксируют по шкале манометра значения h ₁^/, h ₂^/, h ₃^/, …, h_n^/ соответствующие температурам Т ₁, Т ₂, Т ₃, …, T_n. Данные измерений заносят в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

Результатыизмерений

№ опыта	t	T	h /	р	V
ºC	K	м	Па	м3	Дж/К
…