Лабораторна робота №2: “Дослідне підтвердження закону Бойля-Маріотта”

Мета роботи: дослідити, як змінюється об'єм певної маси газу при сталій температурі зі зміною тиску, і встановити співвідношення між об’ємом і тиском.

Прилади і матеріали: скляний циліндр з водою висотою приблизно 60 см; скляна трубка довжиною 60 см, закрита з одного кінця; вимірна лінійка з ціною поділки 5 мм/под; барометр-анероїд; штатив універсальний з муфтою і лапкою.

Небезпечні фактори:

1. Пошкодження цілісності шкіри гострим предметом (шматком скла).

2. Пошкодження шкірного покрову загостреними предметами.

Застереження:

• Різкі некоординовані рухи спричинюють пошкодженню шкіри, стають причинами травм.

• Скло має властивості крихкості, легко ламається й тріскає при ударах й різких змінах температур.

• Недостатня фіксація приладів сприяє тілесним пошкодженням.

З правилами техніки безпеки ознайомлений (-а) ____________________

^{(підпис студента)}

Теоретичні відомості

Д ля опису властивостей газів користуються трьома макропараметрами, які однозначно визначають стан газу та знаходяться простим вимірюванням за допомогою приладів, це тиск - p, абсолютна температура - T  і об’єм газу - V.  Значення таких величин визначається спільною дією великої кількістю молекул, тому їх називають макроскопічними (від грецького ‘макрос’ - великий ). Тиск вимірюють барометром, температуру – термометром, а об’єм – лінійкою або мензуркою. 

Закон відкрив і опублікував у 1662 році Роберт Бойль. Едм Маріотт опублікував такий же закон в 1676 році на основі незалежних досліджень.

У термодинімічній діаграмі p—V ізотермічний процес зображаєтсья кривою, що називаєься ізотермою.

Закон Бойля-Маріотта визначає те, що якщо маса газу у системі не змінюється (замкнена система), то добуток тиску газу на його об’єм є постійна величина для будь-якого стану газу  при ізотермічному процесі: 

.

Це означає, що при зменшенні об’єму газу тиск зростає, а при його збільшенні тиск спадає. При ізотермічному стисканні газу його частинкам надається менший об’єм і, тому, вони частіше стикаються зі стінками посудини, що призводить до збільшення тиску газу. При ізотермічному розширенні газу все відбувається навпаки. 

При врахуванні закону Менделєєва-Клайперона для будь-якої кількості станів ідеального газу для ізотермічного процесу справедливо: 

У певних межах справедливий для розріджених реальних газів, тобто для природних і нафтових вуглеводневих газів за нормальних (чи стандартних) умов. Тоді його записують так: p₀ V₀ = pV, де індекс нуль означає ці умови.

Закон Бойля-Маріотта можна перевірити за допомогою обладнання. 

Опустити відкритим кінцем вниз трубку  у скляний циліндр висотою 40 см  з водою (малюнок 1) і закріпити її у штативі. Повітря в трубці буде під тиском, який дорівнює атмосферному H плюс гідростатичний тиск стовпчика води висотою h.  (Для спрощення розрахунку атмосферний тиск і тиск стовпчика води доцільно вимірювати в мм рт. ст.).

Густина води в 13,6 рази менша за густину ртуті, тому стовпчик висотою h мм створює такий самий тиск, як стовпчик ртуті висотою мм.

Повітря в трубці буде під тиском:

, (4)

де Н – атмосферний тиск, виражений в мм рт. ст.;

h – різниця рівнів води, виміряна в мм, у циліндрі і в трубці (див. рис.).

Об’єм повітря в трубці визначається за формулою:

де L – довжина стовпчика повітря, мм рт. ст. (рис.);

S  – площа поперечного перерізу повітряного стовпчика в трубці, м².

Із зміною глибини занурення трубки змінюється об’єм V повітряного стовпчика в трубці ( і L – довжина стовпчика повітря) і, відповідно, тиск p повітря в ній.