background image

Logistyka I 

Lucyna Skrzypczyk 

31 marzec 2011 

Ćw. Nr 6 

Wyznaczanie stosunku  

 

  

 

 dla powietrza metodą 

Clementa – Desormesa. 

 

 

 

1.  Wstęp teoretyczny 

Stan  gazu  określa  się  podając  jego  cztery  parametry:     –  objętość,     –  temperaturę,  

  – masę oraz   – ciśnienie. Jeżeli rozważymy przykład gazu w którym niezmienna jest jego 
masa, wywnioskujemy, że wszystkie pozostałe jego parametry są ze sobą ściśle powiązane. 
Ten związek ukazuje równanie stanu gazu doskonałego: 

Równanie stanu  gazu doskonałego opisuje  związek między ciśnieniem  

 

, objętością  

 

i temperaturą  

 

 w dowolnym stanie początkowym i odpowiednio z tymi wielkościami         

w stanie końcowym: 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

       

1

 

Równania te dla        gazu w warunkach normalnych przyjmuje postać: 

         

gdzie:   – stała gazowa         

 

   

    

  – ilość moli gazu 

Z równania wynikają prawa  przemian: izotermicznej (stała masa oraz temperatura gazu), 

izobarycznej  (stała  masa  oraz  ciśnienie  gazu)  oraz  izochorycznej  (stała  masa  oraz  objętość 
gazu). 

Rozważmy  pracę  jaką  wykonuje  gaz  w  czasie  rozprężania.  W  prostokątnym  naczyniu 

znajduje  się  gaz  o  objętości     i  nie  zmiennej  masie   .  Naczynie  te  z  góry  zamknięte  jest 
tłokiem  którego  pole  powierzchni  wynosi   .  Gaz  zajmuje  całą  dostępną  w  naczyniu 
przestrzeń.  W  skutek  np.  podgrzania  gaz zwiększa  swoją  objętość  i  jednocześnie unosi tłok 
o    . Wykonana praca jest równa: 

         

Korzystając z własności        oraz          otrzymujemy: 

         

                                                           

1

 Horst Stöcker, Nowoczesne kompendium z fizyki; PWN Warszawa 2010, s. 671; 20.6.1 

background image

Jedną  z  własności  fizycznych  gazu  jest  jego  ciepło  właściwe.  Określa  ono  ilość  ciepła 

potrzebną  do  ogrzania        ciała  o    .  Gdy  rozważamy  gazy  najprościej  posługiwać  się 
ciepłem,  właściwym  molowym  (ilość  ciepła  potrzebna do  ogrzania         danej  substancji 
o    .  Ciepło  właściwe  danego  gazu  zależy  od  warunków  w  jakim  odbywa  się  przemiana. 
Różnicę tę widać przy porównaniu  

 

 (dla stałego ciśnienia) oraz  

 

 dla stałej objętości. Ich 

różnica wynika z pierwszej zasady termodynamiki: 

Całkowita  energia  wewnętrzna  izolowanego  układu  jest  wielkością  stałą.  Energii  nie 

można wytworzyć ani unicestwić, można ją tylko przekazywać z układu do układu.

2

 

             

gdzie: 

   - ciepło pobrane przez gaz 
   – zmiana energii wewnętrznej gazu 
   – praca gazu 

W  czasie  ogrzewania  izochorycznego  gaz  nie  wykonuje  pracy  (      ),  a  w  czasie 

ogrzewania 

izobarycznego 

gaz 

wykonuje 

pracę 

przeciw 

silom 

zewnętrznym. 

 

 

   

 

 ponieważ w tych samych warunkach do ogrzania tej samej masy o      potrzebna 

jest większa ilość ciepła.  

 

 

   

 

   

3

 

Metoda  wyznaczania  stosunku  tych  wielkości  (Clementa  –  Desormesa)  opiera  się 

o związek  ciśnienia  w  czasie  rozprężania  adiabatycznego   

 

  w  czasie  sprężania 

izotermicznego    oraz szukaną wartością   

   

 

 

 

 

   

 

 

Korzystając ze wzoru         otrzymujemy: 

   

 

 

 

 

   

 

4

 

gdzie:  

 

 

 – różnica poziomów cieczy w manometrze wytworzona za pomocą pompki 

 

 

  –  różnica  poziomów  cieczy  w  manometrze  powstała  po  adiabatycznym 

rozprężeniu gazu 

                                                           

2

 Horst Stöcker, Nowoczesne kompendium z fizyki; PWN Warszawa 2010, s.685;21.1 

3

 Na podstawie J. Emich –Kokot, F. Gajda, C. Górecki, A. Ingram, R. Krupa, Z. Michno, A. Żurawska, Ćwiczenia 

laboratoryjne z Fizyki (skrypt nr 279); Oficyna Edukacyjna, Opole 2007, s. 85-92, 11. 

4

 J. Emich –Kokot, F. Gajda, C. Górecki, A. Ingram, R. Krupa, Z. Michno, A. Żurawska, Ćwiczenia laboratoryjne 

z Fizyki (skrypt nr 279); Oficyna Edukacyjna, Opole 2007, s. 92, (11.36) 

background image

2.  Układ pomiarowy oraz przebieg ćwiczenia 

Zestaw wykorzystany w tym ćwiczeniu składa się balonu szklanego B wypełnionego powietrzem o 

objętości   .  Balon  połączony  jest  z  manometrem  wodnym  M  na  którym  zaznaczona  jest  podziałka 
pozwalająca  mierzyć  różnicę  ciśnień  atmosferycznego  i  ciśnienia  powietrza  w  balonie.  Oprócz  tego 
druga rurka łączy balon z pompką przez zawór Z. 

 

Rys. schematyczny układu 

Ćwiczenie przebiegało w dwóch fazach :  

Faza  pierwsza  -  pompką  P  zwiększano  ciśnienie  w  balonie  –  zachodziło  sprężanie  izotermiczne,  po 
ustaleniu poziomów odczytywano różnicę ciśnień atmosferycznego i ciśnienia gazu w balonie  

 

Faza druga – otwierano  zawór aż do wyrównania ciśnień – rozprężanie adiabatyczne, następnie po 
zamknięciu  zaworu  zachodziła  przemiana  izochoryczna  (przy  stałej  objętości).  Ciśnienie  gazu 
w balonie wzrasta do stanu równowagi – wtedy (po ok 3-4 min) odczytywano różnicę ciśnień po raz 
drugi  

 

Fazy pierwszą i drugą powtórzono jedenastokrotnie. 

3.  Tabela pomiarów 

B

 

M

 

Z

 

A

 

P

 

background image

4.  Obliczenia 

W celu obliczenia przyspieszenia   dla wahadeł korzystamy ze wzoru: 

   

 

 

 

 

   

 

 

 

 

       

 

 

       

 

 

       

 

 

       

 

 

       

 

 

       

 

 

       

 

 

       

 

 

       

 

  

       

 

  

       

         

5.  Obliczanie niepewności pomiarowych 

Niepewność standardowa typu  : 

 ( )   √

 

   )

 

 

   

 (     )

 

 ( )   √

 (     )

 

       

 

      

 

          

 

      

 

   (     )

 

  (      )

 

Suma kwadratów wynosi: 

∑          

 ( )   √

     

   

        

Niepewność złożona: 

 

 

 

 

   

 

 

 

   

 

  

 

 

           

 

 

 

 

   

 

 

 

   

 

  

 

 

           

 ( )   √

   

 

     

 

 

         

Złożona niepewność standardowa: 

 

 

( )   √(

  

  

 

    )

 

  (

  

  

 

    )

 

 

background image

 

 

( )   √( 

 

 

 

   

 

)

 

    )

 

  (

 

 

 

   

 

)

 

    )

 

 

 

 

( )   √( 

  

 

 

 

   

 

    )

 

  (

 

 

 

   

 

    )

 

 

 

 

( )   √( 

          

    

     )

 

  (

    
    

     )

 

 

 

 

( )   √                   

 ( )    

 

( )     

dla       

 ( )       

         

    

 

   

 

|

 

 

       

    

|           |

    

       

           

6.  Wnioski: 

Celem  doświadczenia  było  wyznaczenie  wartości  współczynnika     dla  powietrza.  Według 

tablic wynosi ona      w warunkach: ciśnienie                          oraz temperatura 
   . Warunki w których wykonano doświadczenie odbiegały od tych standardów w mniej lub 
bardziej  znaczny  sposób. Wynik  otrzymany w  doświadczeniu       (   )  wraz  z  niepewnościami 
mieści w swoim zbiorze pomiar tablicowy i różni się od niego o      . 

Na  błąd  pomiaru  w  znacznym  stopniu  wpłynęły  błędy  eksperymentatora  oraz  dokładność 

podziałki.  Znaczenie  dla  różnicy  otrzymanego  wyniku  miały  również  inne  niż  tablicowe  warunki 
w czasie wykonywania pomiarów.