X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Газовые законы. Применение закона Бойля-Мариотта
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
Цель:
Изучить газовые законы;
Научиться объяснять законы с молекулярной точки зрения;
Задачи:
Изображать графики процессов;
Продолжить обучение решая экспериментальные задачи , используя Газовый закон Бойля-Мариотта.
Выяснить на практике зависимость давления газа от его объема.
Актуализация проекта
Что является объектом изучения МКТ?
Что в МКТ называют идеальным газом?
Для того чтобы описать состояние идеального газа используют три термодинамических параметра.
Микроскопические параметры идеального газа и макроскопические параметры.
Как создаётся давление газом?
Как объём связан с давлением газа?
Гипотеза
При изменении давления газа, также меняется и его объем при условии неизменной массы и температуры газа.
В молекулярно-кинетической теории идеальным газом называют газ, состоящий из молекул, взаимодействие между которыми пренебрежимо мало
2.Газовые законы. Закон Бойля-Мариотта
Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) — теория XIX века, рассматривавшая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений: все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов; частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом) ; частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений. Основными доказательствами этих положений считались: диффузия, броуновское движение, изменение агрегатных состояний вещества.[3]
Газовые законы
Изменение одного из макроскопических параметров вещества определенной массы — давления р, объема V или температуры t — вызывает изменение остальных параметров.
Если одновременно меняются все величины, характеризующие состояние газа, то на опыте трудно установить какие-либо определенные закономерности. Проще сначала изучить процессы, в которых масса и один из трех параметров — р, V или t — остаются неизменными. Количественные зависимости между двумя параметрами газа одной и той же массы при неизменном значении третьего параметра называют газовыми законами.
Закон Бойля—Мариотта
Первый газовый закон был открыт английским ученым Р. Бойлем (1627—1691) в 1660 г. Работа Бойля называлась «Новые эксперименты, касающиеся воздушной пружины». И действительно, газ ведет себя подобно сжатой пружине, в этом можно убедиться, сжимая воздух в обычном велосипедном насосе.
Бойль изучал изменение давления газа в зависимости от объема при постоянной температуре. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим (от греческих слов isos — равный, therme — тепло). Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой, в которой поддерживается постоянная температура, — термостатом. Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении опыта.
Бойль наблюдал за изменением объема воздуха, запертого в длинной изогнутой трубке столбом ртути (рис. 1, а). Вначале уровни ртути в обоих коленах трубки были одинаковыми и давление воздуха равно атмосферному (760 мм рт. ст.). Доливая ртуть в длинное колено трубки, Бойль заметил, что объем воздуха уменьшился вдвое, когда разность уровней в обоих коленах оказалась равной h = 760 мм, и, следовательно, давление воздуха увеличилось вдвое (рис. 1, б). Это навело Бойля на мысль о том, что объем данной массы газа и его давление находятся в обратно пропорциональной зависимости.
Рис. 1
Дальнейшие наблюдения за изменением объема при доливании различных порций ртути подтвердили это заключение.
Независимо от Бойля несколько позднее французский ученый Э. Мариотт (1620—1684) пришел к тем же выводам. Поэтому найденный закон получил название закона Бойля—Мариотта. Согласно этому закону давление данной массы (или количества) газа при постоянной температуре обратно пропорционально объему газа: р ~ . Если р1 — давление газа при объеме V1, а р2 — его давление при объеме V2, то
Отсюда следует, что р1V1 = p2V2, или
при t = const.
Произведение давления газа данной массы на его объем постоянно, если температура не меняется.
Этот закон справедлив для любых газов, а также для смесей газов (например, для воздуха).
Убедиться в справедливости закона Бойля—Мариотта можно с помощью прибора, изображенного на рисунке 2. Герметичный гофрированный сосуд соединен с манометром, регистрирующим давление внутри сосуда. Вращением винта можно менять объем сосуда. Об объеме можно судить с помощью линейки. Меняя объем и измеряя давление, можно заметить, что уравнение выполняется.
Рис. 2
Как и другие физические законы, закон Бойля—Мариотта является приближенным. При давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными.
На графике зависимости давления от объема каждому состоянию газа соответствует одна точка.
Изотермы
Процесс изменения давления газа в зависимости от объема изображается графически с помощью кривой, которая носит название изотермы (рис. 3). Изотерма газа выражает обратно пропорциональную зависимость между давлением и объемом. Кривую такого рода называют гиперболой. Разным постоянным температурам соответствуют различные изотермы, так как более высокой температуре при одном и том же объеме соответствует большее давление(1). Поэтому изотерма, соответствующая более высокой температуре t2, лежит выше изотермы, соответствующей более низкой температуре t1.
Рис. 3
Молекулярно-кинетическое истолкование закона Бойля—Мариотта
Давление газа зависит от числа ударов молекул о стенку сосуда. Число ударов прямо пропорционально числу молекул в единице объема (концентрации n). При уменьшении объема газа концентрация увеличивается, так как n = , где N — число молекул в сосуде. Давление пропорционально концентрации и, следовательно, обратно пропорционально объему: р ~ n - . Так и должно быть согласно закону Бойля—Мариотта.
Закон Бойля—Мариотта устанавливает простую обратно пропорциональную зависимость между давлением и объемом газа при постоянной температуре. [2]
3.Область применения закона Бойля-Мариотта
Закон Бойля-Мариотта справедлив для любых газов, а так же и для их смесей, например, для воздуха.
Пример проявления:
А) сжатие воздуха компрессором
Б) расширение газа под поршнем насоса при откачивании газа из сосуда.
В) при дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давлениевоздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон(pV=const), и в следствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох. [4]
Другими словами воздух идет из окружающей среды в легкие самотеком до тех пор, пока величины давления в легких и в окружающей среде не выровняются.
Выдох происходит аналогично: вследствие уменьшения объема легких давление воздуха в них становится больше, чем внешнее атмосферное, и за счет обратного перепада давлений он переходит наружу.
Г)В огнестрельном оружии для выталкивания пули из ствола. В качестве теплоносителей; рабочего тела для выполнения механической работы (реактивные двигатели и снаряды, газовые турбины, парогазовые установки, пневмотранспорт и др.), физической среды для газового разряда (в газоразрядных трубках и др. приборах).
В технике используется свыше
30 различных газов.
Д) Газы в технике, применяются главным образом в качестве топлива; сырья для химической промышленности: химических агентов при сварке, газовой химико-термической обработке металлов, создании инертной или специальной атмосферы, в некоторых биохимических процессах. Газы также применяют в качестве амортизаторов (в шинах), рабочих тел в двигателях (тепловых на сжатом газе), двигателях внутреннего сгорания.[1]
4.Исследовательская часть
Рассмотрим газ заключенный в сосуд с подвижным поршнем. Его состояние характеризуется основными тремя параметрами: давлением, объемом и температурой.
Зависимость двух величин, при фиксированной третьей дает нам три газовых закона.[5]
Связь давления и объема при постоянной температуре исследовали английский физик Роберт Бойль и француз Эдм Мариотт.
Мои опыты я начну с того, чтобы использовать закон Бойля-Мариотта. Попробую оценить давление газа в бутылке с сильногазированным напитком и попробую доказать, что из напитка выходит углекислый газ.
Оборудование: бутылка с сильногазированным напитком, воздушный ( резиновый) шарик, сосуд с водой, мензурка, шприц объемом в 160 мл, спички, салфетки и лист бумаги А4 с маркером.
Как убедиться, что в бутылке именно углекислый газ?
В углекислом газе не происходит реакции горения и он тяжелее воздуха..
Значит, он должен осесть на дно мензурки и вытеснит воздух.
Но как извлечь газ из бутылки?
Для этого я использовал резиновый шарик, который натянул на горлышко бутылки. Аккуратно провернул крышку бутылки и выпустил из нее газ, который устремился в шарик. Шарик надулся. Значит, давление в нем стало равным атмосферному.
По закону Бойля-Мариотта ,во сколько раз уменьшится давление газа, во столько же раз увеличится объем.
Не допустив вытечки газа из шарика, я аккуратно снял его с горлышка бутылки и медленно выдавил содержимое внутрь мензурки.
Углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому он опустится на дно цилиндра.
Где потухнет спичка, там будет граница углекислого газа с воздухом.
Я проделал эксперимент три раза и использовал среднее значение объема газа в мензурке.
Теперь нужно определить объем газа в бутылке. Для этого я использовал шприц и чистую воду. Набрал полный шприц воды и заполнил ею бутылку доверху. У меня поместилось 65 мл воды. Это и будет второй объем газа.
Осталось только рассчитать давление газа, используя закон Бойля-Мариотта.
5.Заключение
Итак, я исследовал зависимость давления газа от его объема доказав справедливость закона Бойля –Мариотта. Я убедился в том, что давление газа в бутылке очень велико и составляет более трех атмосфер.
Хотя полученный результат назвать точным сложно, поэтому я и поставил для себя цель не вычисления а оценки давления. И оно оказалось гораздо больше атмосферного!
Данный способ оценки давления очень интересный и доступен каждому.
Таким образом, познавать физику выполняя задачи, используя эксперимент, гораздо интереснее и поучительней.
Я считаю, что экспериментальные задачи-лучший способ изучения физики.
Такие опыты можно проводить с учениками в школе на внеурочной деятельности, что позволит заинтересовать не только старшие классы, но и младшие.
6.Список используемой литературы
1. Балыбердина И.Т. Физические методы переработки и использования газа
Учебник для вузов, М.: Недра, 1988 г. ,248 с.
2. Матвеев А.Н. Молекулярная физика
3.Мякишев. Физика. 10 класс. Учебник. Базовый уровень. ВЕРТИКАЛЬ. (ФГОС).
4. Скворцова Н.Н. Учебное пособие.Основы молекулярной биологии.
Министерство образования и науки РФ
5. Сорокин А.В. Наблюдение, эксперимент, моделирование, Элективный курс,2006
9