Описание установки для выполнения опытов

Установка состоит из стеклянного баллона с воздухом, соединенного

Т-образной трубкой с U-образным водяным манометром и воздушным насосом (рис.1).

В колене трубки между баллоном и насосом находится воздушный кран. Этим краном баллон можно соединять либо с насосом, либо с воздухом в комнате.

В начальном положении баллон соединен с воздухом в комнате - давление Р и температура Т воздуха в баллоне те же, что и в комнате. Поэтому, вода в обоих коленах манометра находится на одном уровне.

Соединим баллон с насосом. Быстро накачаем воздух в баллон. Так как объем воздуха в баллоне достаточно большой, время накачки воздуха в баллон мало, а стекло — плохой проводник тепла, то теплообмен между воздухом в комнате и в баллоне через стенки баллона за время накачки незначителен и им можно пренебречь. Следовательно, процесс накачки воздуха в баллон можно рассматривать как адиабатическое сжатие воздуха в баллоне. Но при адиабатическом сжатии газа его температура возрастает см. формулу (1).

Р и с. 1

Поэтому температура сжатого воздуха в баллоне станет выше температуры воздуха в комнате. Отсюда, давление воздуха в баллоне будет выше давления воздуха в комнате по двум причинам: во-первых, из-за увеличения массы воздуха в объеме баллона, во-вторых, из-за повышения температуры сжатого воздуха. Уровень воды в правом колене манометра будет выше, чем в левом.

Затем начинается охлаждение сжатого воздуха в баллоне в результате его теплообмена через стенки баллона с воздухом в комнате, поэтому температура сжатого воздуха в баллоне будет падать. Будет падать и его давление. Уровень воды в правом колене манометра станет опускаться, в левом - подниматься. Такое перемещение уровней воды в коленах манометра будет продолжаться до тех пор, пока температура сжатого воздуха в баллоне не сравняется с температурой воздуха в комнате. Теперь давление воздуха в баллоне будет определяться только одной причиной: увеличением массы воздуха в баллоне. Разность уровней h₁ воды в коленах манометра и показывает, насколько давление сжатого воздуха в баллоне превосходит давление воздуха в комнате. Охлаждение воздуха в баллоне - изохорическое охлаждение (V = const).

Быстро откроем воздушный кран - баллон соединился с воздухом в комнате и сжатый воздух из баллона со свистом устремляется наружу. В тот момент, когда воды в коленах манометра сравняются (в этот момент прекращается выход из баллона избыточного воздуха), закроем воздушный кран.

Так как время выхода из баллона избыточного воздуха мало, масса воздуха в баллоне достаточно велика, а стекло - плохой проводник тепла, то теплообмен между воздухом в комнате и в баллоне через стенки баллона за это время можно пренебречь. Следовательно, выход воздуха из баллона можно рассматривать как адиабатическое расширение воздуха. Но при адиабатическом расширении газа его температура падает (см. формулу 1). Поэтому температура воздуха в баллоне станет ниже, чем в комнате, а давление воздуха в баллоне будет равно давлению воздуха в комнате.

Затем начинается нагревание воздуха в баллоне в результате его теплообмена через стенки баллона с воздухом в комнате. Поэтому температура воздуха в баллоне будет повышаться - будет увеличиваться и его давление. Уровень воды в правом колене манометра станет подниматься, а в левом - опускаться. Такое перемещение уровней воды в коленах манометра будет продолжаться до тех пор, пока температура воздуха в баллоне не сравняется с температурой воздуха в комнате. Разность уровней h₂ воды в коленах манометра и показывает, насколько давление воздуха в баллоне превосходит давление воздуха в комнате. Нагревание воздуха в баллоне - изохорическое нагревание (V = const).

Итак, для вычисления показателя адиабаты g по формуле (4) на опыте надо измерить: разность уровней в водяном манометре при изохорическом охлаждении воздуха в баллоне (h₁) и при изохорическом нагревании воздуха в баллоне (h₂). Единица измерения разности уровней воды в коленах манометра - миллиметр водяного столба (мм. вод. ст.).