Проверка уравнения состояния идеального газа

Цель работы: экспериментально проверить уравнение состояния идеального газа (соотношение между объёмом, давлением и температурой газа), приняв, что воздух в хорошем приближении можно рассматривать как идеальный газ.

Оборудование: стеклянная трубка (можно использовать пробирку), пробка; два стеклянных цилиндрических сосуда; барометр; термометр; линейка; горячая и холодная вода.

Описание работы

Сначала стеклянную трубку опускают закрытым концом вниз в сосуд с горячей водой, чтобы воздух внутри трубки нагрелся до температуры T₁, равной температуре горячей воды (рис. 2). При этой температуре объём воздуха в трубке V₁ = l₁S, где l₁ — её длина, S — площадь поперечного сечения. При этом давление воздуха в трубке р₁ = р_a.

Рис. 2

Затем трубку закрывают, переворачивают и опускают в сосуд с холодной водой так, чтобы запаянный конец трубки находился на уровне воды (рис. 3). Через некоторое время воздух в трубке охладится до температуры холодной воды Т₂, вследствие чего его объём V и давление р изменятся. Во втором состоянии объём воздуха можно вычислить по формуле V₂ = l₂S, где l₂ — длина столба воздуха в трубке. Давление воздуха во втором состоянии равно сумме атмосферного давления и давления водяного столба, высота которого тоже равна l₂:

p₂ = p_a + ρgl₂,

где ρ — плотность воды.

Согласно уравнению состояния идеального газа должно выполняться соотношение

Отсюда следует, что

Цель работы — проверить на опыте, с какой точностью выполняется это равенство.

Ход работы

1. Измерьте длину трубки l₁ Запишите результат этого и всех последующих измерений в таблицу, заголовок которой приведён ниже.

2. В сосуд с горячей водой опустите открытую трубку закрытым концом вниз на 1—2 мин. Измерьте температуру Т₁ горячей воды. Не забудьте перевести температуру в шкалу Кельвина.

3. Закрыв трубку резиновой пробкой, опустите её пробкой вниз в сосуд с холодной водой. Под водой выньте пробку и опустите трубку так, чтобы её закрытый конец находился на уровне воды (см. рис. 3). Измерьте температуру Т₂ холодной воды и длину столба воздуха в трубке l₂.

4. Определите давление рх воздуха в трубке в первом состоянии по показаниям барометра, а давление воздуха в трубке во втором состоянии — по формуле р₂ = р_а + ρgl₂.

5. Сделайте необходимые расчёты и заполните все столбцы таблицы. Расчёты запишите.

6. Сравните значения дробей в двух последних столбцах таблицы и запишите выводы.