Лабораторная работа №46.

«Экспериментальные газовые законы»

Составитель: О. В. Сергеева, к.ф.-м.н., доцент

Рецензент: И. А. Малиненко, к.ф.-м.н., доцент

Цели работы:

1. Изучить понятие идеального газа.

2. Изучить экспериментальные газовые законы для идеального газа.

3. Изучить уравнение состояния идеального газа.

Задачи:

1. Проверить, является ли воздух, находящийся при атмосферном давлении и комнатной температуре идеальным газом.

2. Проверить выполнение экспериментальных газовых законов для воздуха.

3. Рассчитать универсальную газовую постоянную различными способами.

4. Рассчитать и сравнить между собой термические коэффициенты объемного расширения и давления для воздуха.

Приборы и принадлежности

1. Универсальная установка Кобра 3.

2. Источник питания на 12 В.

3. Датчик давления.

4. Программное обеспечение для изучения уравнения состояния газа.

5. Полупроводниковый датчик, -10..120 °C.

6. Стеклянный корпус.

7. Газовый шприц на 100 мл.

8. Нагреватель.

9. H-образная опора.

10. Магнит, магнитная мешалка.

11. Трубка-переходник для подключения датчика давления.

Идеальный газ

Системы, состоящие из большого числа молекул, называются макросистемами. К таким системам относятся, например, газ, жидкость, жидкие кристаллы, твердые тела, плазма.

Теоретическое изучение макросистем связано с большими трудностями, так как для этого требуется учесть все силы, которые действуют на каждую молекулу со стороны всех других. Если предположить, что движения молекул являются чисто механическими и подчиняются законам механики, то для полного описания всякой молекулярной системы нужно решить механическую задачу о движении всех молекул под действием заданных сил. Это значит, что должны быть написаны и решены уравнения движения, число которых равно числу молекул в данной системе (точнее говоря, число уравнений должно быть втрое больше, поскольку положение молекулы определяется тремя координатами, поскольку каждая молекула имеет три степени свободы). Если учесть, что, например, в 1 см³ газа при обычных условиях содержится 2,7^.10¹⁹ молекул, то ясно, что не только решить, но даже написать такое число уравнений невозможно.

Но именно большое количество молекул делает ненужным рассмотрение движения каждой из них в отдельности. При таком большом числе частиц оказывается возможным ограничиться знанием лишь средних значений величин, характеризующих их движение: их средней скорости, средней энергии и т. д. Этим приемом и пользуются в молекулярно-кинетическом подходе при изучении молекулярных систем.

Из трех агрегатных состояний, в которых может находиться всякое вещество, наиболее простым является газообразное, так как в этом случае силы, действующие между молекулами, очень малы и ими при определенных условиях можно пренебречь. Будем считать, что межмолекулярные силы в них даже не малы, а полностью отсутствуют. Пренебрежем также размерами молекул, будем считать их материальными точками. При таких допущениях молекулы газа должны считаться совершенно свободными. Это значит, что движутся они прямолинейно и равномерно, как всегда движутся тела, не подверженные действию каких-либо сил. Каждая молекула ведет себя, следовательно, так, как будто других молекул в сосуде нет. Газ, обладающий такими же свойствами, как и совокупность невзаимодействующих материальных точек, называется идеальным газом.

Таким образом, идеальный газ удовлетворяет следующим условиям:

1. Между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия на расстоянии;

2. Объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда, т. е. молекулы газа можно считать материальными точками;

3. Столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Идеальный газ – это модель, применяемая для описания реальных газов. Любой газ, находящийся в условиях, близких к нормальным (например, кислород и гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах, близки по своим свойствам к идеальному.

Ученые используют модель идеального газа даже в сложных теоретических расчетах. Например, астрономы при моделировании горячих звезд обычно считают вещество звезды идеальным газом и весьма точно прогнозируют давления и температуры внутри них. Интересно, что вещество внутри звезды ведет себя как идеальный газ, хотя его плотность несопоставимо выше плотности любого вещества в земных условиях. Дело в том, что вещество звезды состоит из полностью ионизированных ядер водорода и гелия, то есть из частиц значительно меньшего диаметра, чем диаметр атомов земных газов. Понятие «идеальный газ» используют также для описания свойств совокупности частиц различной природы: фотоны, электроны, фононы и т. д.