Зертханалық жұмыс № 3 Ауадағы газ тұрақтылығын анықтау

Мақсаты: ауадағы газ тұрақтылығын тәжірибелік анықтау әдістемесімен танысу,идеалды газ жағдайын теңестіру және жылулық параметрлерін зерттеу.

1. Кіріспе

Негізгі жылулық көрсеткіштеріне меншікті көлем,қысым және температура жатады. Біртекті заттың меншікті көлемі – көлем массасының қатынасына тең физикалық шама:

v = V/m, м³/кг (3.1)

Кубтық метрдің килограмға біртекті заттың меншікті көлеміне тең.Көлем массасы 1кг болған жағдайда 1 м³-ке тең.

Дене массасының оның көлемінің қатынасына тең шаманы тығыздық деп атайды. Яғни,меншікті көлемге қарама-қарсы шама:

 = m/V=1/ v, кг/м³. (3.2)

Килограмдағы кубтық метр массасы 1 м³ көлемде болатын біртекті заттың тығыздылығына тең.

Қысым деп бетке перпендикуляр жүретін күштің осы бет ауданының қатынасына тең физикалық шамасын айтад:

p = F / S, Н/м² = Па (3.3)

СИ қысым бірлігіне арнайы Паскаль(Па) атауы берілген. Ол француз математигіне Блез Паскальдің құрметіне берілген атау.

Паскаль күшке перпендикуляр орналасқан 1 м² бетінің ауданында біркелкі орныққан 1Н күшімен шақырылатын қысымға тең. МКГСС жүйесінде қысым бірлігі 1 ат = 1 кгс/см² техникалық атмосферасы болып табылады. Жүйеден тыс қысым бірліктері бар: физикалық атмосфера (атм.), су бағанасының миллиметрі (су.бағ.мм.), сынап бағанасының миллиметрі (сын.бағ.мм.), олардың көмегімен өлшенген қысымды сұйықтық бағанасы қысымымен салыстырады. 1Па қысымы өте кішкентай шама: 1 Па = 0,102 су.бағ.мм.Сондықтан тәжірибелік қолдануға жүйелік емес бірлік – бар қолданылады. 1 бар = 10 Н/см² = 10⁵ Па.

Қысымның түрлі бірліктерінің арасындағы байланысы келесіде:

1 кгс/см² = 1 ат = 0,98·10⁵ Па = 736 сын.бағ.мм. = 10⁴ су.бағ.мм.;

1 ат = 10,1325 Па = 760 сын.бағ.мм. = 1,033 кгс/см² = 10,33 су.бағ.мм.;

1 су.бағ.мм. = 9,81 Па; 1 сын.бағ.мм. = 133,32 Па.

Қысым келесіге ажыратылады:барометрлік немесе атмосфералық қысым Р_б = Р_о (барометрмен өлшенеді), абсолюттік қысым Р (ыдыста немесе қоршаған ортадағы газ немесе сұйықтың қысымы үшін ығыстырылған қысым термині емес,ал толық емес «абсолюттік қысым» терминін қолдану керек), артық қысым Р_Арт. (манометрмен өлшенеді) және серіттілу Р_С немесе вакуум Р_в (мұнда «вакуум» емес, ал «серіттілу» терминін қолдану керек).

Артық деп атмоферадағы және ыдыстағы газ арасындағы қысымның айырмашылығын айтады: мм. түрлі бірліктерінің арасындағы байланысы келесіде:ен салыстырады. 1Па қысымы өте кішкентай шама: 1 Па Р_арт. = Р_о – Р.

Р_в = Р – Р_о.

Ыдыстағы газдың қысымы нөлге тең болған жағдайда ғана максималды серіттілу санды түрде атмосфералық қысымға тең болады. Минималды серіттілу қысым атмосфераға тең болған жағдайда нөлге тең болады.

Егер атмосфералық қысымның нақты мәні белгісіз болса (барометр болмаса), онда олар жуық мәнде 1 бар = 100 кПа деп аламыз.

Қоспа құрамының қысымы үшін «серпінділік» термині емес,ал «парциалды қысым» терминің қолдану керек.

Ұзындық бірліктерімен көрсететін қысымды арын(сызықтық шама) деп атауы дұрыс болмайды,мысалы,дұрысы 0,3 Мпа» және дұрыс емес «су арыны 0,3 Мпа», дұрысы «су арыны 30 м» және дұрысы емес «су қысымы 30 м». Қысым мен арын арысындағы байланыс:

H = P / g, м (3.4)

Газдың кинетикалық теориясына сай көлем бірлігінен құралған қысым кинетикалық энергиясына пропорционал.

Температура тікелей өлшенетін шама емес. Оның мәнін өлшеуге ыңғайлы белгілі бір физикалық қасиеттің өзгеруіне байланысты айқындалады,мысалы,жылудың ұлғаюы, электрліктің кедергісі, жылулықтың сәулеленуі және т.б.

«Температура» түсінігінің анықтамасына келесі тұжырымдамалар негізінен келуге болады. Дене температурасын еруші мұз температурасымен сәйкестендіріп,дене температурасы бұл жағдайда 0 ^оС деп алып,дене көлемі V_Д мәнін айқындаймыз. Кейін осы денені қайнап жатқан сумен теңестіреміз. Осы жағдайда оған 100 ^оС –ге тең температурасын қосамыз:

, ^оС (3.5)

Осы тәсілмен бекітілген шкаласы Цельсий шкаласы деп аталады.

Гей-Люссака заңына сәйес берілген газ массасы өзгермейтін көлем жағдайында температурағаи сай өзгереді:

p = p_o (1+ t), (3.6)

мұнда= 1/273,15 –тұрақты көлемдегі қысымның өзгеріс коэффициенті.

p – t диаграммада (3.1 суреті)барлық изохоралары t нүктесі бір нүктеде ғана өтеді,келесі шарттан анықталады:

1 +  t = 0.

Одан t = -1/ = – 273 15 ^оС.

Бастапқы температуралық есепті осы нүктеге ауыстырсақ,біз Цельсия арқылы өтетін шкала температурасынан Кельвин шкаласына көшеміз. Сол себептен, Кельвин және Цельсия шкалалары өзара жай ғана бір – шама жылжытылған:

T = t + 273,15, К. (3.7)

Қазіргі уақытта:Цельсия шкаласы,жүз градустық температуралық шкала, Кекльвин шкаласы, Кельвин немесе Цельси температуралары деген айтулар қолданылмайды. Халықаралық тәжірибелік температуралық шкаласының 1968ж. (ХТТШ-68) жағдайына байланысты тек екі ғана температуралық шкаланы қолдануға болады:

1. Термодинамикалық,бастапқы екінші термодинамикада негізделген;

2. Халықаралық тәжірибелік 1968ж.,он бір реперлік нүктеде негізделген;

Осы шкалалардың Кельвинде немесе градус Цельсийде градуировкалауы.

Өлшемі бойынша Цельсия градусы Кельвинге тең:1^оС = 1 К.Температуралық аралығы Кельвинде және Цельсия градусында білдіріледі:Т=t= 1 К = 1^оС.

Газдардың сәйкес кинетикалық теориялары температура бөлек молекулалардың орта кинетикалық энергиясын мінездемі береді.

Сана газ термиялық параметрлері аралық байланыс күй-жағдай теңдеуімен айтылады, үшін газ жеке көпшіліктері түрді болады:

PV = RT, (3.8)

немесе газ көпшілігіне арналған т:

PV = т RT. (3.9)

Осы теңдеулер Клапейрон теңдеулері ретінде белгілі,бірақ бұрын олар Сади Карно теңдеулері болатын.

Пропорционал коэффициенті R меншікті газ тұрақтысы деп аталады(немесе газ тұрақтысы). Меншікті газ тұрақтысының шамасы газ табиғатына байланысты (1 К-гі 1 кг құрайтын барлық газ молекулалардың кинетикалық энергиясын сипаттайды) және келесі формуламен анықталады:

R = R_M /M= 8314/М, Дж/(кг·К), (3.10)

мұндаR_M= 8314 Дж/(кмоль·К) –әмбебаб газ тұрақтысы(1 К температурасындағы 1 кмоль құрайтын барлық газ молекулалардың кинетикалық энергиясын сипаттайды);

М– молярлықмасса, кг/кмоль (қатысты молекула массасына санды түрде тең).

Газь қоспасы үшін меншік газ тұрақтысы:

R_СМ = R_M /M_СМ (3.11)

Мұнда M_СМ – қоспаның көрінетін молярлық массасы, мынаған тең:

M_СМ =  х_к М_к, (3.12)

мұнда х_к = п_к / п_СМ – қоспа компонентінің молярлық бөлігі (солярлық бөлігі көлем бөлігіне тең; ауа үшін – х_О2 = 0,21, х_N2 = 0,79);

М_к–қоспа компонентінің«к»-ның молярлық массасы.