2.3. Лабораторная работа № 3 определение плотности воздуха

Цель работы: экспериментальное определение плотности воздуха при нормальных условиях.

Приборы и принадлежности:вакуумный насос с электроприводом, вакуумная тарелка с краном и манометром, барометр-анероид, термометр, баллон для взвешивания воздуха, весы технические, разновес.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Плотностью газа называется физическая величина, равная отношению массы газа к его объему:

.

В системе СИ измеряется вкг/м³. Так как плотность газа зависит от температуры и давления, то принято значение плотности газов записывать для нормальных условий, т.е. для температурыТ₀ = 273,15К(0C) и давленияp₀ = 1.013I0⁵Па(760мм рт.ст.).

Пусть V₀ –объем, занимаемый массой воздухаmпри нормальных условиях, тогда плотность воздуха при этих условиях можно вычислить по формуле:

. (1)

Воздух в лаборатории находится, как правило, в условиях, отличных от нормальных. Для нахождения ₀в данной работе масса воздуха определяется взвешиванием, а объем этой массы при нормальных условиях вычисляется из уравнения газового состояния по известному объемуVпри температуре и давлении воздуха во время проведения опыта.

Допустим, в некотором сосуде находится воздух массой m₁при температуреТи давленииp₁(атмосферном). Откачаем из него насосом часть воздуха до давленияp₂(p₂ <p₁), тогда масса сосуда с оставшимся в нем воздухом станет равнойm₂(m₂ <m₁) Таким образом, удаленный воздух массойm=m₁ - m₂ находился в сосуде под давлениемp=p₁-p₂и занимал объем сосуда при температуре опытаТ(это следует из закона Дальтона).

По уравнению газового состояния

(2)

можно найти объем V₀, который занимала бы при нормальных условиях (p₀,T₀) удаленная часть воздуха массыm:

. (3)

Подставляя выражение (3) в формулу (1), получим:

. (4)

Формула (4) является окончательной для определения плотности воздуха при нормальных условиях, выраженной через непосредственно измеряемые величины.

Экспериментальная установка представлена на рис.5. Она включает в себя вакуумный насос Н, баллон с воздухом Б, манометр М для измерения давления воздуха в баллоне, вакуумную тарелку С с краном К и кран Т. Схемы рабочих положений крана Т показаны на рис.6а: положение 1 – откачка воздуха из баллона; положение 2 – баллон изолирован от насоса.

Рис.5

Рис. 6аРис. 6б

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Определить массу m₁баллона вместе с содержащимся в нем воздухом, предварительно проверив, что кран Т открыт (положение 1). Взвешивание провести три раза и полученные результаты усреднить.

2. Соединить баллон с насосом Н через вакуумную тарелку С, снабженную манометром М, как показано на рис. 5 (краны Т и К поставить в положение 1, см. рис. 6а, 6б).

3. Включить насос Н и откачать из баллона воздух до минимально возможного давления р (примерно 10мм рт.ст.). Давление измерять по укороченному ртутному манометру (на рис. 5 не показан).

4. Отсоединить баллон от установки. Произвести это в следующем порядке:

а) плавно закрыть кран Т, переведя его в положение 2 (см. рис. 6а);

б) плавно перевести кран К в положение 3, впустив воздух в насос (делать это нужно аккуратно, чтобы столбик ртути, вернувшийся в первоначальное положение, не разбил трубку манометра);

в) выключить вакуумный насос Н;

г) аккуратно отсоединить шланг баллона с краном Т от вакуумной тарелки С.

5. Определить массу m₂баллона после откачки из него воздуха. Взвешивание провести три раза и полученные результаты усреднить.

6. По имеющейся на баллоне надписи установить его объем V.

7. Измерить температуру воздуха Ти атмосферное давлениеp₁по барометру-анероиду, находящемуся в лаборатории.

8. Опыт повторить 3 раза.

9. Вычислить по формуле (4) плотность воздуха при нормальных условиях _0i, (гдеi= 1,2,3 для 3-х измерений) в системе СИ.

10. Вычислить среднее значение

.

11. Вычислить абсолютную среднеквадратичную погрешность среднего значения плотности воздуха:

12. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 4.

Таблица 4

V= ,м3	№ измерения	m2,кг	р2,Па	0i,кг/м3	0,кг/м3
Т= ,К	1
m1= ,кг	2
р1= ,Па	3
Среднее значение

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется плотностью вещества?

2. Плотность газа – величина непостоянная, зависящая от многих условий. При каких условиях определяется плотность воздуха в данной работе?

3. Что называется массой тела, весом тела?

4. Вывести рабочую формулу (4).

5. В каких единицах измеряется масса газа, плотность газа в системе СИ?

6. Что такое высокий, средний и низкий вакуум?

7. В чем заключается принцип действия ротационного форвакуумного насоса?

8. Какие свойства газов лежат в основе процесса откачки?

9. В каких единицах измеряется давление в системе СИ?