Описание установки

Установка для демонстрации изотермического процесса (рис. 1) представляет собой герметичный резервуар 1 (полупрозрачный цилиндр из пластика), составляющий единую конструкцию с датчиком изменения объема 3. Объем резервуара изменяется при движении внутри него поршня 2, осуществляемого вручную за счет вращения винта 4. С поршнем жестко связана подвижная часть датчика изменения объема, и таким образом, положение поршня в цилиндре контролируется. Давление газа измеряется датчиком абсолютного давления 5, который присоединяется к цилиндру с помощью вакуумного шланга 6.

Конструкция установки ограничивает ход поршня с обеих сторон (объем резервуара меняется в пределах 30-110 мл), что не позволяет создать в системе давление, превышающее допустимый уровень для датчика давления. Стенки резервуара обладают достаточной теплопроводностью, чтобы обеспечить равенство температуры газа температуре внешней среды при условии медленного равномерного вращения подающего поршень винта. Калибровка датчика объема учитывает объем шланга, соединяющего резервуар с датчиком давления. Именно поэтому показания датчика (на экране компьютера) примерно на 10 мл выше величины объема, измеренной по шкале на стенке резервуара.

Конструкция привода допускает определенный люфт в точке крепления винта к поршню, который проявляется (ощущается при вращении винта рукой) при переходе газа из сжатого состояния (давление больше атмосферного, и поршень давит на винт привода) в разреженное состояние (давление меньше атмосферного, и винт тянет за собой поршень). В силу того, что чувствительный элемент датчика объема закреплен непосредственно на поршне, наличие люфта не оказывает никакого влияния на точность измерений.

Подготовка к эксперименту

Закрепите прибор «Изотерма» в штативе (рис. 1). Штуцер резервуара прибора при этом должен быть свободен

Установите поршень в среднее положение (отметка 70 мл), после чего присоедините датчик давления. При этом Вы отсоединяете установку от окружающего воздуха

Подключите датчик давления к разъему 1 измерительного блока, а датчик объема - к разъему 2

Вращая рукоятку винта по часовой стрелке, до предела уменьшите объем газа в резервуаре

Проведение измерений

Запустите программу L-micro, нажмите на кнопку «Молекулярная физика », выберите раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров», а в нем - эксперимент «Изотермический процесс». Далее выберите нужный вариант представления данных при проведении измерений

Нажав кнопку «настройка », убедитесь, что датчик давления показывает величину примерно 200 кПа, а датчик объема - около 40 см³ (калибровка датчика объема учитывает объем трубки, соединяющей резервуар с датчиком давления)

Перейдите в экран измерений. Включите регистрацию данных, нажав на кнопку «пуск».

Регистрируемые компьютерной измерительной системой давление и объем газа должны составить примерно 200 кПа и 40мл соответственно (никаких изменений в системе при переходе в режим измерений не производилось)

Медленно вращая рукоятку винта, переведите поршень в другое предельное положение. Кривые и цифровые индикаторы на экране при этом показывают изменение давления и объема газа с течением времени (один вариант сценария) или зависимость давления газа от занимаемого им объема (второй вариант сценария). Следует отметить, что быстрое перемещение поршня может привести к несоблюдению условия изотермичности процесса

Проведите выбор точек для передачи в программу обработки. Для этого наведите указатель мышки на одну из точек графика и щелкните левой клавишей. На экране появится красная точка большого размера. Если на экране несколько кривых (регистрировалась зависимость параметров газа от времени), то автоматически выделяются все точки с одинаковой абсциссой. Повторное наведение указателя мыши на уже выделенную точку и нажатие левой клавиши приводит к снятию выделения. Всего желательно выбрать 15 - 20 точек. Если по каким-либо причинам было выбрано менее трех точек, обработка происходит по всем точкам, которые были записаны в ходе проведения эксперимента (между нажатием кнопки «пуск» и кнопки «стоп»).

Для выхода из экрана измерений в режим обработки нажмите клавишу «обработка ».

Следует отметить, что если в данном опыте имеет место отклонение температуры от комнатной (т.е. нарушение условия постоянства температуры), то это можно увидеть следующим образом. Проведите процесс циклически (регистрация данных осуществляется в координатах (V, P)), т.е. после расширения снова сожмите газ до первоначальных параметров. Если график, записываемый при сжатии, накладывается на график, полученный при расширении, то температура газа практически совпадает с первоначальной. При получении на экране контура (кривая сжатия идет выше линии, отвечающей расширению газа) можно сделать вывод о том, что температура газа не успевает выравниваться с температурой окружающей среды, и перемещать поршень необходимо медленнее.

Обработка данных

На первом экране представлена зависимость P = P(V). Кнопка «Функция» выводит аппроксимирующую кривую - гиперболу (красным цветом) вместе с уравнением этой кривой вида PV= C. Для перехода к следующему экрану обработки нажмите кнопку «далее».

На втором экране те же самые полученные в эксперименте точки перестраиваются в координатах (1/V, P). Зависимость для изотермического процесса в таких координатах является линейной функцией. Следовательно, все экспериментально полученные точки должны лечь на одну прямую. При нажатии кнопки «прямая» на на экране строится прямая линия, наилучшим образом аппроксимирующая экспериментальные результаты и выводится ее уравнение Y=кX. Коэффициент к при этом равен константе из уравнения для изотермы (к = С)

В случае, если в программу обработки данных были переданы выбранные точки, при нажатии кнопки «далее» на экран будет выведена таблица. Еще одно нажатие кнопки «далее» вернет Вас в первый экран обработки (п.1).

Изохорный процесс

Установка, собираемая на базе прибора «Изохора», позволяет продемонстрировать зависимость давления газа от его температуры при постоянном объеме.

Описание установки

Установка для изучения изохорного процесса (рис. 1) представляет собой цилиндрический стеклянный сосуд объемом 250 мл (1) с герметично завинчивающейся крышкой. В крышку вмонтирован штуцер (2), через который осуществляется вывод кабеля датчика температуры (3), а также подключение датчика давления (4). Датчик температуры расположен в центре газового объема (1). Установка может работать вплоть до температуры 80°С, что позволяет наблюдать примерно 25% увеличение давления газа при изменении температуры от 0°С до максимальной.

При проведении измерений необходимо, чтобы температура газа была одинаковой по всему объему резервуара и чтобы датчик температуры, который сам обладает определенной теплоемкостью, успевал приходить в равновесие с окружающим его газом. Для этого изменение температуры газа должно осуществляться достаточно медленно.

Нагрев исследуемого газа проводится с помощью горячей воды. Погружение резервуара с исследуемым газом в горячую воду приводит к быстрому нагреву стенок резервуара. Установление однородного распределения температуры газа внутри резервуара происходит значительно медленнее. Для того, чтобы избежать искажений результатов эксперимента, обусловленных конечной скоростью выравнивания температуры газа и изменения температуры самого датчика, следует проводить запись данных во время остывания резервуара с газом на воздухе.

Подготовка к эксперименту

При проведении эксперимента исследуемый объем сначала помещается в сосуд с горячей водой и нагревается до температуры 70 - 80°С. Затем он извлекается из воды и остывает на воздухе.

Закрепите прибор для демонстрации изохорного процесса в штативе (рис. 1.).

Присоедините к установке датчик давления с помощью вакуумного шланга и закрепите его в штативе над установкой

Подключите датчик давления к разъему 1 компьютерного измерительного блока, а датчик температуры - к разъему 2

Нагрейте необходимое количество воды до температуры 80 - 90°С

Погрузите установку для демонстрации изохорного процесса в горячую воду (крышка должна быть погружена в воду) и подождите 3-5 мин. (это время необходимо для полного прогрева стенок сосуда и газа внутри него).

Проведение измерений

Запустите программу L-micro, нажмите на кнопку «Молекулярная физика », выберите раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров», а в нем - эксперимент «Изохорный процесс». Выберите нужный вариант представления данных эксперимента

Войдите в режим настройки эксперимента (кнопка «настройка ») и убедитесь, что датчики подключены правильно, а их показания равны ~120 кПа и 70ё80°С для датчика абсолютного давления и датчика температуры соответственно.

С помощью соответствующей кнопки перейдите в экран проведения измерений и извлеките установку для демонстрации изохорного процесса из воды

Включите регистрацию данных, нажав на кнопку «пуск». Газ в резервуаре начнет остывать, что показывается кривыми и цифровыми индикаторами на экране компьютера.

Измерения можно остановить через 10─15 минут, когда температура газа практически становится равной комнатной температуре. Для остановки эксперимента нажмите кнопку «стоп»

Проведите выбор точек для передачи в программу обработки. Для этого наведите указатель мышки на одну из точек графика и щелкните левой клавишей. На экране появится красная точка большого размера. Если на экране несколько кривых (регистрировалась зависимость параметров газа от времени), то автоматически выделяются все точки с одинаковой абсциссой. Повторное наведение указателя мыши на уже выделенную точку и нажатие левой клавиши приводит к снятию выделения. Всего желательно выбрать 15 - 20 точек. Если по каким-либо причинам было выбрано менее трех точек, обработка происходит по всем точкам, которые были записаны в ходе проведения эксперимента (между нажатием кнопки «пуск» и кнопки «стоп»).

Для выхода из экрана измерений в режим обработки нажмите клавишу «обработка ».

Обработка данных

На первом экране представлена экспериментальная зависимость P = P(t). При нажатии кнопки «прямая» на график добавляется прямая линия, наилучшим образом аппроксимирующая экспериментальные результаты и выводится ее уравнение Y=aX+b. Зависимость давления газа P от температуры t (в градусах Цельсия) выражается формулой P=P₀Ч(1  + a t), где P₀ - давление газа при температуре 0°С, а a - температурный коэффициент давления газа. Таким образом, коэффициент a в уравнении прямой равен a = a P₀, а b = P₀. Проведя необходимые вычисления, вы на основе данных эксперимента получите значение температурного коэффициента давления газа и сможете сравнить его с теоретическим значением (1/273» 0,0037).

Для перехода на следующий экран обработки нажмите кнопку «далее»

Экспериментальные данные выводятся здесь в виде зависимости давления от абсолютной температуры. При нажатии на кнопку «прямая» на экспериментальные данные накладывается прямая, наилучшим образом аппроксимирующая экспериментальные результаты и выводится ее уравнение вида Y=кX. Данное уравнение представляет собой уравнение продемонстрированного изохорного процесса P=P₀aT. Коэффициент к в уравнении этой прямой также равен a P₀ и поэтому в рамках допустимой погрешности эксперимента должен совпадать со значением коэффициента a, полученного на предыдущем графике.

Для перехода на следующий экран обработки нажмите кнопку «далее» в нижней части экрана. Если в программу обработки были переданы все данные (без выбора точек), то при нажатии кнопки «далее» Вы возвращаетесь на первый шаг обработки.

Следующий экран обработки представляет таблицу:

Для возврата на первый экран обработки нажимается кнопка «далее». Для выхода из экранов обработки используется кнопка «¬» в верхнем правом углу экрана.

Изобарный процесс

Эксперимент по изобарному процессу требует поддержания на постоянном уровне давления исследуемого газа при изменении его температуры. Это может быть сделано путем принудительного изменения объема в соответствии с показаниями датчика давления в ручном или в автоматическом режиме (поддержание давления на постоянном уровне), или с помощью резервуара, упругие свойства стенок которого позволят ему в определенных пределах изменять свой объем под действием небольшой разницы давлений внутри и снаружи. Реализация первого варианта представляется достаточно сложной хотя бы из-за необходимости одновременно контролировать все параметры газа (температура, объем, давление) и не дает желаемой наглядности эксперимента.

В силу указанных причин прибор «Изобара» сконструирован на основе полиэтиленового резервуара с гофрированными стенками, который деформируется под действием разности давлений 1 - 2 кПа, что не превышает 2% от давления исследуемого газа, и деформация происходит вдоль одного направления (сжатие и расширение гофрированной поверхности, приводящее к изменению длины цилиндра). Это позволяет легко регистрировать изменение объема газа, при этом свойства резервуара гарантируют поддержание давления внутри постоянным с погрешностью, не превышающей 2%. Применяемый резервуар допускает нагрев до температуры 60-70 градусов в сосуде с горячей водой.

Таким образом, с помощью данной установки можно продемонстрировать зависимость объема данной массы газа от температуры при p=const (закон Гей-Люссака).

При проведении измерений необходимо, чтобы температура газа была одинаковой по всему объему резервуара и чтобы датчик температуры, который сам обладает определенной теплоемкостью, успевал приходить в равновесие с окружающим его газом. Для этого изменение температуры газа должно осуществляться достаточно медленно.

Нагрев исследуемого газа проводится с помощью горячей воды. Погружение резервуара с исследуемым газом в горячую воду приводит к быстрому нагреву стенок резервуара. Установление однородного распределения температуры газа внутри резервуара происходит значительно медленнее. Для того, чтобы избежать искажений результатов эксперимента, обусловленных конечной скоростью выравнивания температуры газа и изменения температуры самого датчика, следует проводить запись данных во время остывания резервуара с газом на воздухе.

Описание установки

Установка для демонстрации изобарного процесса представляет собой (рис. 1) герметичный резервуар 1 (полупрозрачный цилиндр из пластика с гофрированной боковой поверхностью), составляющий единую конструкцию с датчиком изменения объема 2. Элементы установки размещены на кронштейне, выполненном в виде узкой пластины. Конструкция установки обеспечивает перемещение подвижного основания цилиндра с горловиной вдоль его продольной оси. Это основание цилиндра жестко связано с подвижной частью датчика изменения объема, и таким образом, осуществляется регистрация объема цилиндра с гофрированными стенками.

Горловина цилиндра закрыта пробкой, через которую внутрь вводится кабель датчика температуры 3 и при необходимости осуществляется контроль давления газа внутри цилиндра (датчик давления 4). Датчик температуры расположен на оси цилиндра в его центральной части. Кабель датчика объема выводится в верхней части его корпуса. Сигналы, поступающие от чувствительных элементов датчиков, преобразуются в электронном блоке, и по единому кабелю передаются в измерительную систему.

Конструкция установки ограничивает деформацию цилиндра с гофрированными стенками. Предельные положения подвижного основания цилиндра соответствуют внутреннему объему в 300 и 720 мл соответственно.

В течение эксперимента установку следует размещать вертикально, так чтобы гофрированный цилиндр находился внизу.

Подготовка к эксперименту

Подогрейте воду до температуры не более 70°С.

Закрепите установку для демонстрации изобарного процесса с встроенным датчиком объема газа в штативе.

Подключите кабель прибора (кабель, выходящий из электронного блока) к разъему 1 измерительного блока.

На оливку установки для демонстрации изобарного процесса наденьте вакуумный шланг длиной 30 см.

Слегка надавливая на подвижное основание цилиндра с гофрированными стенками, установите объем цилиндра близкий к минимальному (400-500 мл). Желательно, чтобы положение основания цилиндра соответствовало 15 - 30% полного рабочего хода установки). Пережмите шланг с помощью зажима.

Убедитесь в герметичном подсоединении пробки резервуара (при попытке растянуть или сжать цилиндр резервуара он не должен заметным образом изменять свою длину и возвращаться в исходное состояние сразу после снятия нагрузки).

Предварительные измерения

Для того чтобы учащиеся могли убедиться в том, что процесс изменения состояния газа в резервуаре действительно изобарный, предлагается провести следующий опыт.

Подключите датчик абсолютного давления к разъему 2 измерительного блока.

Запустите программу L-micro, нажмите на кнопку «Молекулярная физика », выберите раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров», а в нем - эксперимент «Изобарный процесс». Запустите сценарий «Изобарный процесс ─ предварительные измерения». Войдите в режим проведения измерений.

Погрузите в нагретую воду цилиндр с гофрированными стенками и продемонстрируйте, что при изменении объема резервуара давление воздуха остается практически неизменным, т.е. процесс действительно изобарный.

Выйдите из эксперимента «Изобарный процесс ─ предварительные измерения».

Проведение измерений

В списке сценариев эксперимента «Изобарный процесс» выберите нужный вариант регистрации данных при проведении эксперимента

Снова установите на шланг зажим (желательно вплотную к тройнику) и отсоедините датчик давления от установки и от измерительного блока.

Нажмите кнопку «Настройка оборудования». Измеряемые компьютерной измерительной системой объем и температура газа должны составить примерно 600 мл и 70°С соответственно.

Нажмите кнопку «Проведение измерений» и извлеките резервуар с газом из сосуда с нагретой водой. Начните измерения, нажав на кнопку «пуск». Газ в резервуаре начнет остывать, при этом будут изменяться его параметры. Кривые и цифровые индикаторы на экране покажут эти изменения.

После того, как температура перестанет заметно изменяться (для достижения термического равновесия со средой потребуется 10─15 мин), остановите измерения, нажав кнопку «стоп».

Проведите выбор точек для передачи в программу обработки. Для этого наведите указатель мышки на одну из точек графика и щелкните левой клавишей. На экране появится красная точка большого размера. Если на экране несколько кривых (регистрировалась зависимость параметров газа от времени), то автоматически выделяются все точки с одинаковой абсциссой. Повторное наведение указателя мыши на уже выделенную точку и нажатие левой клавиши приводит к снятию выделения. Всего желательно выбрать 15 - 20 точек. Если по каким-либо причинам было выбрано менее трех точек, обработка происходит по всем точкам, которые были записаны в ходе проведения эксперимента (между нажатием кнопки «пуск» и кнопки «стоп»).

Для перехода из экрана измерений в режим представления результатов нажмите клавишу «обработка ».

Обработка данных

На первом экране представлена зависимость V= V (t). Шкала температуры - в градусах Цельсия. Нажатие на кнопку «прямая» приводит к построению прямой, наилучшим образом аппроксимирующей экспериментальные результаты и выводу ее уравнения (Y=aX+b). Зависимость объема газа P от температуры t (в градусах Цельсия) выражается формулой V = V₀Ч(1  + a t), где V₀ - объем газа при температуре 0°С, а a - температурный коэффициент объемного расширения газа. Таким образом, коэффициент a в уравнении прямой равен a = a V₀, а b = V₀. Проведя необходимые вычисления, вы на основе данных эксперимента получите значение температурного коэффициента объемного расширения газа и сможете сравнить его с теоретическим значением (1/273» 0,0037).

Для перехода на следующий экран обработки нажмите кнопку «далее».

Экспериментальные данные здесь представляются в координатах (T, V), где T - абсолютная температура, а начало координат соответствует точке (0 °K, 0 см³). Нажатие на кнопку «прямая» выводит прямую линию и ее уравнение вида Y=кX. Уравнение изобарного процесса при использовании абсолютной шкалы температур имеет вид V = V₀Чa T,и коэффициент к = V₀Чa долженв рамках допустимой погрешности эксперимента совпадать со значением коэффициента a, полученного на предыдущем графике.

Для перехода на следующий экран обработки нажмите кнопку «далее» в нижней части экрана. Если в программу обработки были переданы все данные (без выбора точек), то при нажатии кнопки «далее» Вы возвращаетесь на первый шаг обработки.

Следующий экран обработки представляет таблицу:

Для возврата на первый экран обработки нажимается кнопка «далее». Для выхода из экранов обработки используется кнопка «¬» в верхнем правом углу экрана.