EAiE |
Nartowski Paweł Piekutowski Zbigniew |
Grupa IV |
Zespół 10 |
||||
Laboratorium Fizyczne |
Temat : Prawo Boyle'a Mariotte'a i uniwersalna stała gazowa R |
Nr ćw. 22 |
|||||
Data wykonania: 25.02.97 |
Data Oddania: |
Zwrot do poprawy : |
Data odbioru: |
Data zaliczenia: |
Ocena : |
||
1.Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z ukladem próżniowym i pomiarem ciśnienia w
tym układzie , sprawdzenie prawa Boyle'a - Mariotte'a dla powietrza w temperaturze pokojowej wyznaczenie uniwersalnej stałej gazowej.
2. Wprowadzenie teoretyczne.
Gaz doskonały
Gazem doskonałym w ujęciu teorii kinetyczno - molekularnej będziemy nazywali następujący uproszczony, wyidealizowany model gazu rzeczywistego:
a. Gaz składa się z identycznych cząsteczek
b. Cząsteczki znajdują się w ciągłym ruchu i podlegają zasadom dynamiki Newtona
c. Całkowita liczba cząsteczek jest bardzo duża
d. Objętość i rozmiary liniowe cząsteczek są zaniedbywalnie małe
e. Cząsteczki nie oddziałują między sobą za wyjątkiem samych zderzeń
f. Zderzenia są doskonale sprężyste i zachodzą w zaniedbywalnie krótkim czasie.
Równanie stanu gazu doskonałego dane jest wzorem:
pV = nRT
gdzie:
p - ciśnienie gazu;
V - objętość;
n - liczba moli gazu;
R - uniwersalna stała gazowa.
Prawo Boyle`a - Mariotta:
Opisuje przemianę izotermiczą ( T = const ) gazu doskonałego. Z równania stanu gazu doskonałego otrzymujemy:
pV = const = nRT, czyli p1V1 = p2V2
We współrzędnych p, V wykresem przemiany izotermicznej jest hiperbola.
Ciśnienie gazu wiąże się z oddziaływaniem cząsteczek z ściankami naczynia. Zderzając się z nimi oddają swoją energię i wywierają nacisk.
Jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal [Pa]. Jest to ciśnienie wywierające nacisk jednego niutona na jeden metr kwadratowy. Jednostkami pochodnymi są: atmosfera techniczna , bar, atmosfera fizyczna, milimetr słupa rtęci ( tor ), etc.
Próżnią nazywamy stan, jaki panuje w obszarze wypełnionym gazami lub parami, gdy ciśnienie jest niższe od ciśnienia atmosferycznego.
Próżnię wytwarza się w tzw. układach próżniowych. Są to zespoły szklanych lub metalowych zbiorników, zaworów próżniowych, połączeń rurowych, sondy próżniomierzy i pomp próżniowych. Próżnię wytwarza się poprzez mechaniczne usunięcie cząsteczek powietrza poza obszar naczynia ( pompy przepływowe: rotacyjna i dyfuzyjna ) lub poprzez absorpcję ( pompy sorpcyjne ).
Pompę próżniową charakteryzują dwie wartości: ciśnienie końcowe i szybkość pompowania. Ciśnienie końcowe jest miarą próżni ustalonej po bardzo długim czasie pompowania, zależne jest w dużym stopniu od prądu wstecznego w pompie ( ilości gazu „cofającego się” ). C. k. dla pompy rotacyjnej równe jest w przybliżeniu 10-1 - 10-2 Pa , a dla pompy dyfuzyjnej 10-6 - 10-7 Pa. Szybkość pompowania S oznacza objętość gazu usuniętego w jednostce czasu. Definiowana jest funkcja zależności ciśnienia wewnątrz opróżnianego pojemnika od czasu ( S = const ) oznaczane p(t). Korzystając z definicji szybkości pompowania i różniczkując prawo Boyle`a - Mariotta otrzymujemy dla pojemnika o pojemności V:
Całkując stronami:
Próżniomierze mają za zadanie podać miarę próżni. Rozróżniamy próżniomierze: mechaniczne, hydrostatyczne, kompensacyjne, cieplnoprzewodnościowe, jonizacyjne i inne. Manometr mechaniczny dokonuje pomiaru różnicy ciśnień pomiędzy ciśnieniem zewnętrznym a ciśnieniem wewnątrz pojemnika wykorzystując odkształcenie elementu mechanicznego, które przenoszone jest na wskazówkę. Próżniomierz termoprzewodnościowy wykorzystuje zależność zmiany przewodnictwa cieplnego rozrzedzanego gazu od ciśnienia, jonizacyjny zaś bazuje na zmianie oporu elektrycznego rozrzedzanego gazu.
Barograf jest to przyrząd służący do ciągłego zapisu wartości ciśnienia atmosferycznego. Zbudowany jest on z puszki wewnątrz której zachowane jest stałe ciśnienie i wskazówki z pisakiem której wychylenie proporcjonalne jest do różnicy ciśnień: atmosferycznego i wzorcowego.
Próżniomierz McLeoda jest próżniomierzem kompensacyjnym, w którym ciśnienie mierzy się odczytując różnicę poziomów rtęci w dwóch kapilarach. Zbudowany jest on z kapilary kompensacyjnej i porównawczej, zbiornika gazu, przewodu głównego i mieszkowego zbiornika rtęci. Pomiaru dokonuje się metodą liniową ( w kapilarze porównawczej poziom rtęci jest ustalony na pewnej wysokości, odpowiadającej poziomowi h0 w drugiej kapilarze ) i metodą kwadratową ( kapilara porównawcza jest całkowicie wypełniona rtęcią ).
Technika próżniowa znajduje szerokie zastosowanie: w procesach produkcji związków o wysokiej czystości chemicznej i przyrządów półprzewodnikowych, w lampach kineskopowych, termosach i naczyniach do przechowywania skroplonych gazów. Największą jakość próżni uzyskuje się w komorach akceleratorowych - rzędu 10-9 Pa
3.Wyniki pomiarów.
a)Warunki zewnętrzne
po=983 hPa
T=22 C
Vz=1240 cm3 - objętość zbiornika
Vp=320 cm 3 - objętość przewodów łączących
b)Zalerzność ciśnienia od czasu pompowania dla pompy rotacyjnej.
c)Wyniki pomiarów p.[V]
nr. ot.zaw |
cis. ukł. |
p.[hPa] |
V[cm3] |
1/V |
|
0 |
983 |
1240 |
0,000806 |
8 |
-0,28 |
707,76 |
1560 |
0,000641 |
9 |
-0,59 |
403,03 |
2800 |
0,000357 |
10 |
-0,71 |
285,07 |
4040 |
0,000248 |
11 |
-0,77 |
226,09 |
5280 |
0,000189 |
12 |
-0,81 |
186,77 |
6520 |
0,000153 |
13 |
-0,84 |
157,28 |
7760 |
0,000129 |
14 |
-0,86 |
137,62 |
9000 |
0,000111 |
15 |
-0,87 |
127,79 |
10240 |
9,77E-05 |
16 |
-0,89 |
108,13 |
11480 |
8,71E-05 |
17 |
-0,9 |
98,3 |
12720 |
7,86E-05 |
Wykres p.[1/V]
Wyniki dla pomiarów przeprowadzonych przy zmianie objętości o trzy zbiorniki.
nr. ot.zaw |
cis. ukł. |
p.[hPa] |
V[cm3] |
1/V |
p.[hPa] |
|
0 |
983 |
1240 |
0,000806 |
983 |
8 |
-0,275 |
712,675 |
1560 |
0,000641 |
712,675 |
11+10+9 |
-0,77 |
226,09 |
5280 |
0,000189 |
226,09 |
14+13+12 |
-0,86 |
137,62 |
9000 |
0,000111 |
137,62 |
17+16+15 |
-0,9 |
98,3 |
12720 |
7,86E-05 |
98,3 |
Cwiczenie 22
Strona 5