- •Введение
- •Теоретическое введение
- •Лабораторная установка и метод измерений
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы:
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое введение
- •Описание установки и метода измерений
- •Контрольные вопросы
- •Теоретическое ведение
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Содержание
Описание установки и метода измерений
Схема установки изображена на рисунке 1
Рисунок 1
При подготовке к работе следует познакомиться с элементами вакуумной техники. Т.к. для точного измерения массы воздуха пришлось бы полностью выкачать его из колбы, что невозможно (даже при давлении порядка 10-6 мм рт.ст.), которое дают высоковакуумные насосы, в каждом см3 остается более 1010 молекул газа пользуются следующим методом: определяют давление Р, объем V, температуру Т некоторой массы газа mв колбе. Это состояние определяется уравнением Менделеева-Клапейрона
(2)
Затем не изменяя температуру (изотермически), откачивают часть газа из колбы. При этом масса газа становится равной m2, давление Р2. Уравнение такого состояния можно записать в виде
(3)
Вычитая почленно уравнение (3) из уравнения (2), получим формулу
(4)
которая позволяет вычислить молярную массу, если известны изменение массы, (а не сама масса), изменение давления, температуры и объема газа.
Порядок выполнения работы:
измеряют атмосферное давление Р1и комнатную температуру Т;
взвешивая колбу при открытом зажиме, определяю массу m1колбы и воздуха в ней при давлении Р1;
присоединяют колбу к насосу и откачивают воздух до давления Р2;
закрывают кран, отсоединяют колбу от установки и взвешивают ее, определяя массу m2колбы и воздуха в ней при давлении Р2;
по формуле вычисляют молярную массу;
пункты 2-5 повторяют не менее 3-х раз;
результаты измерений заносят в таблицу;
Таблица 1.
№ |
Р1 |
Т |
М1 |
М2 |
V |
()2 | |||||
1 2 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
абсолютную и относительную погрешности находят по формулам
где n– число измерений
окончательный результат записывают в виде:
Контрольные вопросы
1 Какой газ называется идеальным?
2 Записать уравнение Менделеева-Клапейрона.
3 В чем заключается физический смысл универсальной газовой постоянной R?
4 Что показывает молярная масса газа?
5 Что показывает отношение ?
6 Что выражает число Авагадро?
Лабораторная работа №28 Определение постоянной Больцмана
Цель работы: экспериментальное определение постоянной Больцмана К.
Оборудование: сосуд,U– образный манометр, шприц, распыляемая в воздухе жидкость.
Теоретическое ведение
Молекулярно-кинетическая теория утверждает, что давление идеального газа в сосуде равно 2/3 средней кинетической энергии молекул, содержащихся в единице объеме
(1)
где Р – давление газа; n– число молекул в единице объема;m0– масса одной молекулы; <> – средняя квадратичная скорость молекулы.
Умножая обе части уравнения на молярный объем газа , получаем
,
где – число молекул газа в одном моле и называется числом Авагадро. Таким образом
(2)
С другой стороны, уравнение состояния идеального газа для одного моля записывается в виде
(3)
Приравнивая правые части (2) и (3), получаем
(4)
Обозначим К=; тогда
(5)
С учетом (5) уравнение (1) принимает вид
(6)
Обратим внимание на особенности уравнения (6). Из него следует, что давление газа не зависит от рода газа, а лишь от его концентрации n. Поэтому его можно применять в равной степени и к чистым газам, и к смесям химически чистых газов (паров).
В случае смеси газов под Р понимают сумму давлений, создаваемых отдельными газами в данном объеме, т.е. , где Рi– парциальное давление;i– компонента смеси газов.
Зная давление Р, концентрацию и температуру газа Т, можно определить коэффициент КБ, который и называется постоянной Больцмана.
Для экспериментального определения КБв работе используется сосуд, в который впрыскивает легко испаряемая жидкость. Пары этой жидкости создают дополнительное давлениев сосуде, которое измеряется водным манометром. Уравнение (6) для испарившейся жидкости в сосуде запишется в виде
(7)
где N– число молекул испарившейся жидкости;VC– объем сосуда.
Nопределим по формуле
(8)
где – масса испарившейся жидкости;– ее плотность;V– объем впрыснутой жидкости; М – молярная масса впрыснутой жидкости.
С учетом (8) уравнение (7) приводится к виду
(9)
Из формулы (9) получаем расчетную формулу для К
(10)
Выполнение работы:
подсоединить сосуд к водному манометру и проверить его герметичность;
записать температуру окружающей среды;
набрать в шприц от 0,5 до 1,5 мл ацетона и впрыснуть его в сосуд через соответствующее отверстие. До конца опыта шприц не вынимать из отверстия;
определить объем испаряемой жидкости по формуле:гдеV0– объем ацетона в шприце,;
подождать пока показания по манометре не будут изменяться, и сделать отсчет в миллиметрах водного столба. Избыточное давление записать в паскалях, т.е. где– плотность воды;g– ускорение свободного падения;h– высота водного столба;
повторить опыт еще два раза;
по формуле (10) подсчитать К и найти его среднее значение. При расчетах использовать М=58,08 г/моль, кг/м3,VС=22,5 л.
Таблица 1
№ |
VC,м3 |
V,м3 |
h, м |
% | ||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
определить случайную погрешность КБпо формуле:
где – приборные погрешности при измеренииVC,V,T,h.
окончательный результат записать в виде: