"Газовые законы. Изопроцессы"

Практическая работа № 19

Раздел 2. Молекулярная физика

Тема 2.2. Уравнение состояния идеального газа

Название практической работы: Газовые законы. Изопроцессы

Учебная цель:  изучать связь между тремя макроскопическими параметрами газа, – их взаимосвязь в газовых процессах, протекающих при постоянном значении одного из этих трёх параметров, или изопроцессах: изотермических, изохорных и изобарных.

Учебные задачи: По диаграммам изменения состояния идеального газа определять закон, описать изменения основных параметров газа (давление, температура, объём) в ходе процесса; перестраивать этот же цикл в других координатах.

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты:

Студент должен

уметь: пользоваться приборами (сильфон, манометр, термометр, барометр)

знать: уравнение состояния идеального газа, понимать зависимость между макроскопическими параметрами (p,V,T), характеризующими состояние газа, смысл законов: Бойля – Мариотта, Гей-Люссака. Шарля

Обеспеченность занятия (средства обучения):

- методические указания по выполнению практического занятия

- рабочая тетрадь и т.п.

Порядок проведения занятия:

Для выполнения практической работы учебная группа распределяется по индивидуальным вариантам (всего тридцать).
Теоретическое обоснование уравнение состояния идеального газа – закон, связывающий между собой три макроскопических параметра газа: температуру, давление и объём. pV= υRT Изо­тер­ми­че­ский про­цесс – про­цесс пе­ре­хо­да иде­аль­но­го газа из од­но­го со­сто­я­ния в дру­гое без из­ме­не­ния тем­пе­ра­ту­ры. Закон, опи­сы­ва­ю­щий связь меду па­ра­мет­ра­ми газа при таком про­цес­се, на­зы­ва­ет­ся закон Бой­ля-Ма­ри­от­та в честь двух учё­ных, прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но вы­вед­ших его: ан­гли­ча­ни­на Ро­бер­та Бойля и фран­цу­за Эдма Ма­ри­от­та (рис.1). График - изотерма

Рис.1 Рис. 2 Рис.3

Изо­бар­ный (или изо­ба­ри­че­ский) про­цесс – про­цесс пе­ре­хо­да иде­аль­но­го газа из од­но­го со­сто­я­ния в дру­гое при по­сто­ян­ном зна­че­нии дав­ле­ния. Впер­вые такой процесс рас­смот­рел фран­цуз­ский учён­ный Жо­зеф-Луи Гей-Люс­сак (рис. 2), по­это­му закон носит его имя. закон Гей-Люссака

p = const =const. График - изобара

Изо­хор­ный (или изо­хо­ри­че­ский) про­цесс – про­цесс пе­ре­хо­да иде­аль­но­го газа из од­но­го со­сто­я­ния в дру­гое при по­сто­ян­ном зна­че­нии объ­ё­ма. Про­цесс рас­смот­рен впер­вые фран­цу­зом Жаком Шар­лем (рис. 3), по­это­му закон носит его имя. За­пи­шем закон Шарля:

V = const = const. График - изохора

Содержание и последовательность выполнения практической работы:

Задачи практической работы:

Провести анализ отдельных газовых законов, представленных на диаграммах состояний дать общую характеристику каждого процесса, рисунок 4.

Указать закон, которому подчиняются параметры идеального газа в данном процессе; Описать изменения основных параметров газа (давление, температура, объём) в ходе процесса. Построить этот процесс в координатах p,V; p,T; V, T

При изображении процессов использовать разные цвета:

изотермы – красный цвет; изохоры – зелёный цвет; изобары – синий цвет, рисунок 5

Пример выполнения и оформления

Пример выполнения задания вариант № 30

Участок 1- 2

Изотермическое сжатие газа, T = const, T₂ = T₁

Рис.4

Рис.5

Линия 1 – 2 – изотерма.

Закон Бойля – Мариотта: рV = const

Объём газа уменьшается: V₂  V₁

давление газа увеличивается: р₂  p₁

Участок 2 – 3

Изобарное нагревание газа, p = const, p₃ = p₂

Линия 2 – 3 - изобара

Закон Гей – Люссака: V/Т = const

Температура газа возрастает: T₃  T₂

В соответствии с законом Гей – Люссака объём газа также увеличивается: V₃  V₂

Участок 3 – 4

Изотермическое расширение газа, T = const, T₄ = T₃

Линия 3 – 4 – изотерма

Закон Бойля – Мариотта p V = const

Объём газа: увеличивается V₄ V₃

В соответствии с законом Бойля – Мариотта давление газа: уменьшается:

p₄  p₃

Участок 4 – 1

Изобарное охлаждение газа, p = const, p₁ = p₄

Линия 4 – 1 - изобара

Закон Гей – Люссака: V / Т = const

В соответствии с законом Гей – Люссака объём газа также уменьшается:

V₁  V₄

Диаграммы процессов в координатах p,V; p,T; V, T

Рис.7

Рис.8

Рис.6

По окончанию практической работы студент должен ответить на

вопросы и предоставить тетрадь в соответствии с требованиями

1. Во сколько раз объём V₃ больше объёма V₂ и во сколько раз температура T₃ больше температуры T₂? Соответствует ли такое изменение V и T закону процесса перехода 2 – 3?

2. С помощью какой диаграммы и как графически определить работу газа в цикле 1– 2– 3 – 4 –1?

3. Запишите первое начало термодинамики для процессов 1 – 2 и 3 – 4. Чем отличаются эти процессы с точки зрения первого начала термодинамики?

4. Какие процессы в данном цикле протекают с поглощением тепла, а какие с её выделением?

Ответы

1.С помощью линейки измеряем на диаграмме V,T отрезки OV₃, OV₂, OT₂, находим их средние значения, которые в соответствующем масштабе (например м³ /см и К /см) определяют значения объёмов V₃ и V₂ и температур T₃ иT₂. Находим отношения V₃ / V₂  2,5 и T₃ / T₂  2,5, откуда получаем V₂ / T₂ = V₃ / T₃, что соответствует постоянству отношения объёма к температуре – закону Гей – Люссака: V / T = const.

2. Работа газа в цикле 1 – 2 – 3 – 4 графически определяется по графикам в координатах p,V: элементарная работа газа подсчитывается по формуле

А  = p V; полная работа газа А =   А и определяется площадью ограниченной

Список литературы: 

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. – М.: ИД Академия, 2013

2. Библиотека «Первого сентября» 10 класс Молекулярная физика -М.2015