почему охлаждение воздуха в проведенном опыте можно считать изохорным

Физика. Информатика. Портфолио.

Нашёл ошибку!?

Кто здесь?

Сейчас на сайте 18 гостей и нет пользователей

Последние слова

Информатика

Глобус

Статистика

Исследование изохорного процесса

Лабораторная работа №

Тема: Исследование изохорного процесса.

Цель работы: исследовать зависимости давления газа от температуры при его изохорном охлаждении.

Оборудование:

Теоретическая часть

В начале эксперимента определяют давление и температуру газа в нагретом состоянии. Затем его охлаждают при неизменном объеме и вновь определяют давление и температуру. После этого проверяют, насколько изменение этих параметров соответствует равенству (1).

Воздух в шланге при нагревании станет расширяться и из крана начнут выходить пузырьки. Когда температуры воздуха и воды сравняются, расширение прекратится и пузырьки перестанут образовываться. После отделения последнего пузырька кран закрывают.

Измерив исходные параметры воздуха, его переводят в другое состояние путем охлаждения до комнатной температуры. Трубку извлекают из калориметра и в виде бухты вешают на лапку штатива. Лапка штатива предварительно закрепляется на стержне на высоте около 35 см от поверхности стола. Под лапку ставят мерный цилиндр, в который натито 15-20 мл воды. Термометр также вынимают из калориметра.

Получив значения P₁, Р₂, T₁ и Т₂ находят отношения давления воздуха к его температуре в нагретом и охлажденном состоянии и проверяют насколько выполняется равенство (1) в условиях проведенного эксперимента.

Указания к работе

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

2. По показанию термометра определите температуру воздуха в классе t₂.

3. Уложите трубку во внешний стакан калориметра.

5. По выделению пузырьков определите момент выравнивания температур воды и воздуха в трубке.

8. Закройте кран, извлеките трубку из стакана и поместите ее на штатив как сказано выше.

9. Присоедините к крану манометрическую трубку, выполняя последовательность действий, изложенную в предыдущем разделе.

13. Переведите полученные значения температуры в градусы шкалы Кельвина Т = t + 273°.

14. Вычислите отношения P₁/T₁ и Р₂/Т₂.

15 Сделайте вывод о том, насколько полученный результат соответствует формуле (1). Укажите возможные причины расхождения экспериментальных данных с теорией.

Контрольные вопросы

Источник

Исследование газовых законов

Описание разработки

Вид урока: практическая работа с использованием компьютера

Цель: исследование зависимости макроскопических параметров

Задачи:

— повторить тему «Газовые законы»;

— развивать творческую и познавательную деятельность учащихся;

— моделировать полученные данные в электронной таблице с использованием компьютера;

— построить графики изопроцессов.

Оборудование: термометр, линейка, прозрачная трубка с кранами, манометрическая трубка, сосуды с холодной и теплой водой.

Программное обеспечение: операционная система OS Windows XP, электронные таблицы MS Microsoft Excel из пакета Microsoft Office, программа по созданию презентаций Microsoft Power Point из пакета MS Office.

План урока физики.

2.Повторение изопроцессов. Заполнение таблицы ( см.приложение 1).

3.Инструктаж по технике безопасности.

4.Объяснение учителем хода лабораторной работы.

5.Выполнение учениками лабораторной работы.

6.Подведение итогов урока и переход в кабинет информатики.

Объяснения учителя:

У каждого ученика на парте находится листок с описанием лабораторной работы, на который вы будете записывать измерения и вычисления(см.приложение 2)

Цель работы формулируем вместе.

Оборудование ученики записывают самостоятельно.

В ходе этой части работы трубка опускается в стакан с водой комнатной температуры(верхний кран закрыт). Внутрь трубки поступает некоторое количество воды. Давление внутри трубки будет равно сумме давлений атмосферного ( измеряется барометром) и гидростатического давления воды. Температура воздуха внутри трубки осталась неизменной. Давление воздуха внутри трубки и его объем изменились. Проверяете равенство произведений : p₁L₁=p₂L_2.

Вторая часть работы называется «Исследование изохорного процесса»

Затем трубку достаем из воды( верхний кран закрыт, нижний открыт) и прикрепляем к ней небольшую манометрическую трубку, конец которой опущен в холодную воду. По этой манометрической трубке начнет подниматься вода до тех пор, пока не наступит равенство атмосферного давления и суммы давлений воздуха внутри трубки и гидростатического давления воды, поднявшейся по трубке.

За счет присоединения небольшой трубки, можно считать, что воздух в основной трубке после охлаждения, не изменил объем. Его температура и давление изменились.

Третья часть работы называется «Исследование изобарного процесса»

Воздух в трубке нагревают, помещая ее в теплую воду (верхний кран открыт, нижний закрыт). Затем воду сливают и заполняют стакан холодной водой. Вода заходит внутрь трубки, сжимая воздух и одновременно охлаждая его. Температура и объем воздуха изменяются, а давление остается постоянным.

Проверяем равенство отношений L ₁/ T ₁= L ₂/ T ₂

Приступаем к выполнению работы.

— выполнили измерения по трем частям лабораторной работы;

— все вычисления на уроке информатики с помощью электронных таблиц программы Excel

— с помощью той же программы построить графики изобарного и изохорного процесса.

План урока информатики.

1. Организационный момент.

2. Повторение материала, необходимого для выполнения практической работы.

3. а). Выполнение работы по группам.

б). Отработка навыков в построении и анализе графиков изопроцессов. Практическая работа.

в). Отчёт о выполненной работе – создание формул и графики зависимости макроскопических параметров.

г). Сохранение документа по локальной сети на диск S:, имя файла – фамилии учащихся.

4. Подведение итогов урока.

На сегодняшнем уроке мы займёмся обработкой данных эксперимента, проведённого вами на уроке физике (слайд № 2,3).

Для компьютерного эксперимента воспользуемся средой электронной таблицы, программой MS Excel из офисного пакета.

Повторение. Основной назначение электронной таблицы? – автоматизация расчётов в табличной форме.

Какие данные можно заносить в ячейки электронной таблицы? – числа, даты, формулы, текст.

А ещё в этой программе мы можем по исходным данным и по произведенным расчётам построить график или диаграмму. Вот этой возможностью мы воспользуемся, чтобы проследить зависимость макроскопических параметров в изопроцессах.

Изотермический процесс разбираем вместе (слайды 4,5), а остальные 2процесса – по группам.

2 группа – за компьютерами выполняет работу по изобарному процессу (вводит значения величин), 1 группа – по изохорному процессу.
б). Построить графики.

Источник

Изохорный процесс

Изохорный, или изохорический процесс (от др.-греч. ἴσος — «равный» и χώρος — «место») — термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме. Для осуществления изохорного процесса в газе или жидкости достаточно нагревать или охлаждать вещество в сосуде неизменного объёма.

При изохорическом процессе давление идеального газа прямо пропорционально его температуре (см. Закон Шарля). В реальных газах закон Шарля выполняется приближённо.

История

Наиболее часто первые исследования изохорного процесса связывают с Гийомом Амонтоном. В своей работе «Парижские мемуары» в 1702 году он описал поведение газа в фиксированном объёме внутри так называемого «воздушного термометра». Жидкость в нём находится в равновесии под воздействием давления газа в резервуаре и атмосферным давлением. При нагревании давление в резервуаре увеличивается, и жидкость вытесняется в выступающую трубку. Зависимость между температурой и давлением была установлена в виде:

В 1801 году Джон Дальтон в двух своих эссе опубликовал эксперимент, в котором установил, что все газы и пары, исследованные им при постоянном давлении, одинаково расширяются при изменении температуры, если начальная и конечная температура одинакова. Данный закон получил название закона Гей-Люссака, так как Гей-Люссак вскоре провёл самостоятельные эксперименты и подтвердил одинаковое расширение различных газов, причём получив практически тот же самый коэффициент, что и Дальтон. Впоследствии он же объединил свой закон с законом Бойля — Мариотта, что позволило описывать в том числе и изохорный процесс.

Термодинамика процесса

Из определения работы следует, что элементарная работа при термодинамическом процессе равна:

Чтобы определить полную работу процесса проинтегрируем данное выражение:

но, поскольку объём неизменен, то есть Δ V = 0 , то такой интеграл равен нулю. Поэтому при изохорном процессе газ работы не совершает:

Это же можно показать на графике изохорного процесса. С математической точки зрения, работа процесса равна площади такого графика. Но график изохорного процесса является прямой перпендикулярной к оси объёма. Таким образом, площадь под ним равна нулю.

Изменение внутренней энергии идеального газа можно найти по формуле:

Из определения и формулы теплоёмкости формулу для внутренней энергии можно переписать в виде:

Используя первое начало термодинамики можно найти количество теплоты при термодинамическом процессе:

Но при изохорном процессе газ не выполняет работу. То есть, имеет место равенство:

таким образом, вся теплота, которую получает газ, идёт на изменение его внутренней энергии.

Энтропия при изохорном процессе

Поскольку в системе при изохорном процессе происходит теплообмен с внешней средой, то происходит изменение энтропии. Из определения энтропии следует:

Выше была выведена формула для определения количества теплоты. Если её переписать в дифференциальном виде:

Микроскопическое изменение энтропии при изохорном процессе можно определить по формуле:

Или, если проинтегрировать последнее выражение, полное изменение энтропии в этом процессе:

В данном случае выносить выражение молярной теплоемкости при постоянном объёме за знак интеграла нельзя, поскольку она является функцией, которая зависит от температуры.

Практическое применение теории изохорного процесса

При идеальном цикле Отто, который приближённо воспроизведён в бензиновом двигателе внутреннего сгорания, такты 2—3 и 4—1 являются изохорными процессами.

Работа, совершаемая на выходе двигателя, равна разности работ, которую произведёт газ над поршнем во время третьего такта (то есть рабочего хода), и работы, которую затрачивает поршень на сжатие газа во время второго такта. Так как в двигателе, работающем по циклу Отто используется система принудительного зажигания смеси, то происходит сжатие газа в 7—12 раз.

Анимация классического двигателя Стирлинга с конфигурацией бета-типа, при которой рабочий и вытеснительный поршни скомпонованы в одном цилиндре

В цикле Стирлинга также присутствуют два изохорных такта. Для его осуществления в двигателе Стирлинга добавлен регенератор. Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло от рабочего тела к регенератору, а при движении в другую сторону отдаёт его обратно рабочему тему. Идеальный цикл Стирлинга достигает обратимости и тех же величин КПД что и цикл Карно.

Источник

Изохорный процесс в термодинамике

Вы будете перенаправлены на Автор24

Изохорический или изохорный процесс — один из основных термодинамических процессов, который происходит исключительно при постоянном объёме.

Рисунок 1. Изохорный процесс. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для осуществления изохорного процесса в идеальном газе или жидкости достаточно постепенно нагревать или охлаждать действующее вещество в сосуде, который не изменяет своего изначального объёма и находится в замкнутом пространстве.

При изохорическом процессе общее давление идеального газа будет всегда прямо пропорционально его начальной температуре. Графики, которые изображают указанное физическое явление линиями, называются изохоры.

Для идеального газа они являются прямыми и стабильными во всех диаграммах, которые связывают такие основные параметры:

История возникновения теории изохорного процесса

Готовые работы на аналогичную тему

В начале 1801 года физик Джон Дальтон в двух своих известных эссе опубликовал новый эксперимент, в котором определил, что все пары и газы, исследованные при неизменном давлении, одинакового расширяются и уменьшаются при изменении температуры, если соответствующий начальный и конечный показатель были одинаковы. Данный закон получил в науке название закона Гей-Люссака, так как именно этот исследователь вскоре смог провести самостоятельные опыты и подтвердил одинаковое распределение различных газов, получив в итоге практически тот самый коэффициент, что и Дальтон. Впоследствии ученый объединил свою теорию с законом Бойля — Мариотта, что позволило более понятно описывать в том числе и сам изохорный процесс.

Первый закон термодинамики для изохорного процесса

Рисунок 2. Закон Шарля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Простая формулировка первого термодинамического закона может звучать приблизительно так: изменение внутренней энергии той или иной концепции возможно только при наличии внешнего воздействия.

То есть иными словами, чтобы в системе произошли любые изменения необходимо приложить усилия извне. Именно первый закон термодинамики устанавливает, почему все многочисленные попытки исследователей потерпели неудачу, ведь ученые так и не смогли изобрести «вечный двигатель», существование которого считается абсолютно невозможным согласно этому самому закону.

Метод исследования данного процесса заключается в следующем:

Поскольку внутренняя энергия является главной функцией состояния материального тела, то формулы изохорного процесса справедливы для любого термодинамического процесса идеального газа.

Применение эффекта изохорного процесса

Рисунок 3. Уравнение состояния. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Следовательно, теплоёмкость при неизменном объёме будет всегда значительно меньше аналогичного параметра при постоянном давлении.

В идеальном газе в ходе изохорного процесса давление прямо пропорционально температуре – закон Шарля. Для неидеального газа закон Шарля невозможно применить, так как часть сообщённой газу теплоты идет строго на увеличение энергетического потенциала взаимодействия элементарных частиц.

При идеальном цикле Отто, который максимально приближённо внедрен в бензиновый двигатель внутреннего сгорания, такты 2—3 и 4—1 считаются изохорными процессами. Совершаемая на выходе мотора работа равна разности основных работ, которую производит газ над конкретным поршнем во время третьего такта и рабочего хода, включающий поршень на сжатие действующего вещества во время второго такта. Так как в указанном цикле используются принципы принудительного зажигания смеси, то происходит увеличение сжатия газа в 7—12 раз.

В другом цикле, под названием Стирлинг, также присутствуют два главных изохорных такта. Для его осуществления в устройстве добавлен мощный регенератор. Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепловую энергию от рабочего тела к регенератору, а при обратном движении возвращает его рабочей системе. Идеальный цикл Стирлинга достигает стопроцентной обратимости, а затем и тех же величин, что и цикл Карно.

Источник

Методическая разработка урока физики в 10-м классе «Исследование изотермического процесса»

Разделы: Физика

Тип урока: урок изучения нового материала.

Цель урока: установление зависимости между двумя термодинамическими параметрами при неизменном третьем в процессе изучения фундаментальных экспериментов Бойля и Мариотта и экспериментальная проверка справедливости газовых законов.

1. Подготовка к восприятию нового материала (работа с таблицами и проектом)

2. Изучение нового материала

Учитель сопровождает объяснение демонстрацией физического эксперимента и фрагментов проекта.

2.1. Определение уравнения состояния.

Опыт №1.

Под вакуумную тарелку насоса поместим надутый до размеров яблока воздушный шарик. Откачивая воздух из-под купола насоса, обнаружим увеличение размеров шарика в несколько раз. Процесс откачивания воздуха сопровождается охлаждением воздуха под куполом и внутри шарика. Объём, давление и температура воздуха в шарике изменяются.

Уравнение, определяющее связь температуры, объёма и давления тел, называют уравнением состояния.

2.2. Определение равновесных и неравновесных процессов.

При медленном протекании процесса в любой момент времени успевает устанавливаться новое состояние равновесия с новыми значениями давления и объёма. Такие медленные процессы называют равновесными. Если после медленного сжатия проводить процесс в обратном направлении, т.е. предоставить газу возможность медленно расширяться, то он пройдёт через ту же последовательность равновесных состояний, что и при сжатии. По этой причине равновесные процессы называются обратимыми.

2.3. Закон Бойля – Мариотта.

Первый газовый закон был открыт английским учёным Робертом Бойлем в 1662 году и опубликован во втором издании его книги «Новые эксперименты, касающиеся воздушной пружины». Бойль изучал изменения давления газа в зависимости от объёма при постоянной температуре. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим (от греческих слов isos – равный, therme – тепло). Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении опыта.
Бойль наблюдал за изменением объёма воздуха, запертого в длинной изогнутой трубке столбом ртути. Вначале уровни ртути в обоих коленах трубки были одинаковыми, и давление воздуха было равно атмосферному, т.е. 760 мм ртутного столба. Доливая ртуть в длинное колено трубки, Бойль заметил, что объём воздуха уменьшился вдвое, когда разность уровней в обоих коленах оказалась равной 760 мм, и, следовательно, давление увеличилось вдвое. Это навело Бойля на мысль о том, что объём данной массы газа и его давление находятся в обратно пропорциональной зависимости. В 1667 году независимо от Бойля этот же закон установил французский физик Эдм Мариотт (1620-1684). Он проделал аналогичные опыты и в 1679 г. описал их в своей работе «Речи о природе воздуха». Поэтому закон, связывающий давление газа и его объём, называется законом Бойля – Мариотта. Согласно этому закону давление данной массы (или количества) газа при постоянной температуре обратно пропорционально объёму газа: p

Опыт №2.

Герметичный гофрированный сосуд соединён с манометром, регистрирующим давление внутри сосуда. Вращением винта можно изменять объём сосуда. Об объёме можно судить с помощью линейки. Меняя объём и измеряя давление, можно заметить, что выполняется уравнение P * V = const при t = const. Произведение давления данной массы газа на его объём постоянно, если температура не меняется.

Опыт №3. «Экспериментальное определение зависимости давления газа от объёма при постоянной температуре».

Запустить программу L-физика. Выбрать раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров», а в нём – эксперимент «Изотермический процесс». Медленно вращая рукоятку винта, сжимаем газ и переводим поршень в другое предельное положение. Кривые и цифровые индикаторы на экране при этом показывают изменение давления и объёма газа от занимаемого им объёма. На экране монитора учащиеся видят гиперболу.
На втором экране те же самые полученные в эксперименте точки перестраиваются в координатах (1/V, P). Для изотермического процесса зависимость 1/V от Р представляет собой линейную функцию. [3]

Таблица 1. Характеристики изотермического процесса [2]

1/V; то есть
P₁ * V₁ = P₂ * V₂
или p₁/p₂ = V₂/V₁.Давление газа зависит от числа ударов молекул о стенки сосуда.
Число ударов прямо пропорционально концентрации:

3. Закрепление учащимися нового материала в ходе выполнения лабораторной работы «Исследование изотермического процесса» [3]

Цель работы: проверить соотношение между объёмом и давлением определённого количества газа при его изотермическом сжатии. В соответствии с законом Бойля – Мариотта это соотношение должно иметь вид: V₁P₁ = V₂P₂, где V₁ и V₂ – объёмы, занимаемые газом соответственно до и после сжатия, а P₁ и P₂ – его давления.

Объектом изучения в работе является воздух, находящийся внутри прозрачной трубки. До сжатия он имеет следующие параметры: давление равно атмосферному, объём равен объёму внутренней полости трубки, температура – комнатная.
Для сжатия воздуха в трубке один из кранов закрывают. Второй кран оставляют открытым. Конец трубки с открытым краном погружают до дна мерного цилиндра, который предварительно заполняют водой комнатной температуры, не долив до края 15-20 мм. Через открытый кран в трубку заходит вода и сжимает воздух до тех пор, пока его давление не сравняется с внешним давлением. Таким образом, после сжатия параметры воздуха окажутся следующими. Объём будет равен объёму внутренней полости за вычетом объёма воды, вошедшей в трубку. Давление возрастает на величину гидростатического давления столба воды в цилиндре. Температура не изменится.

1. Подготовить таблицу для записи результатов измерений и вычислений (Табл.2):

4. После выполнения лабораторной работы учащиеся зачитывают свои выводы о выполнении закона Бойля – Мариотта, оценивают правдоподобность полученных результатов, предлагают способы улучшения эксперимента.

Источник