Лабораторная работа 20 изучение изопроцессов в газах
Цель работы – экспериментально изучить справедливость закона Бойля-Мариотта при постоянной массе газа (воздуха), из полученного соотношения рассчитать универсальную газовую постоянную.
Общие сведения
Идеальным газом называется газ, обладающий следующими свойствами:
-
Размеры молекул малы по сравнению с расстояниями между ними, т.е. молекулы считаются материальными точками.
-
Между молекулами нет сил взаимодействия за исключением лишь моментов столкновений. При столкновениях молекулы ведут себя как абсолютно упругие шарики.
Реальные газы при малых плотностях (малых давлениях) и при не очень высоких и не слишком низких температурах подчиняются законам идеальных газов.
Термодинамической системой называется совокупность тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Отдельное тело или газ, находящийся в сосуде, также можно рассматривать как термодинамическую систему.
Совокупность значений некоторого числа физических величин, характеризующих физические свойства тела (системы тел), определяют термодинамическое состояние тела (системы тел). Подобные величины, характеризующие состояние системы и изменяющиеся под влиянием внешних воздействий, называются параметрами состояния.
Переход системы из одного состояния в другое называется процессом.
Состояние данной массы газа М полностью определяется тремя параметрами: давлением p, объемом V и температурой Т. Эти параметры закономерно связаны друг с другом, так что изменение одного из них влечет за собой изменение других. Соотношение, дающее связь между параметрами системы, называется уравнением состояния данной системы.
Для идеального газа уравнением состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона:
. (1)
R-универсальная газовая постоянная.
( в СИ.)
- молярная масса.
Из уравнения Менделеева-Клапейрона можно легко получить уравнения различных процессов в газах.
Изопроцессами называются процессы, протекающие в системе с неизменной массой при постоянном значении одного из параметров системы.
-
Изотермическим называется процесс, протекающий при неизменной температуре (М=const, T=const)
Записав уравнение Менделеева-Клапейрона для двух состояний
, ,
получим
или (2)
Это уравнение изотермического процесса (закон Бойля - Мариотта).
Математически это уравнение выражает обратно пропорциональную зависимость давления от объема. На графике зависимости p от V изотермический процесс изображается кривой, называемой изотермой. На рис.1 представлены изотермы для трех различных температур (Т1< Т2 <Т3).
-
Изобарным называется процесс, протекающий при неизменном давлении (M=const, р=const)
,
Отсюда
или (3)
Это уравнение изобарного процесса (закон Гей – Люссака). Оно выражает прямо пропорциональную зависимость объема от температуры. На графике зависимости V от T изобарный процесс изображается прямой проходящей через начало координат. На рис.2 представлены графики изобарного процесса для трех различных значений давления (p1< p2 <p3). Прямые не могут быть продолжены в область низких температур, где законы идеальных газов неприменимы.
-
Изохорным называется процесс, протекающий при неизменном объеме
(M=const, V=const)
, ,
Отсюда
или (4)
Это уравнение изохорного процесса (закон Шарля). Оно выражает прямо пропорциональную зависимость давления от температуры. На графике зависимости р от T изохорный процесс изображается прямой проходящей через начало координат. На рис.3 представлены графики изохорного процесса для трех различных значений объема (V1< V2 <V3). Прямые не могут быть продолжены в область низких температур, где законы идеальных газов неприменимы.