Изготовление прибора по молекулярной физике для измерения молекулярной и относительной массы жидкости.

2. Для упрощения измерения равности уровня воды на деревянную пластинку наклеили  измерительную линейку.

В лабораторной работе микропипетку мы заменили медицинским  шприцом.

Тема лабораторной работы разработанной на основе данного  прибора: Определение молярной массы спирта с помощью прибора для определения молярной массы жидкости.

Цель работы: определить молярную и относительную  молекулярную массу жидкости.

Оборудование: прибор для измерения молярной массы  жидкости, исследуемая жидкость (эфир, спирт и др.), термометр, мензурка.

 

2.Теоретическая часть

2.1. Опытные  законы идеального газа.

 

В XVII – XIX веках  были сформулированы опытные законы идеальных газов.       

 Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.

1) Изохорический процесс. Закон Шарля. V = const.       

 Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V. Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля:       

 При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным:    .       

 График изохорического  процесса на РV-диаграмме называется изохорой. Полезно так же знать график изохорического процесса на РТ- и VT-диаграммах (рис. 1).       Уравнение изохоры:

(1)

 
Рис. 1

 

 

       Если температура  газа выражена в градусах Цельсия,  то уравнение изохорического  процесса записывается в виде 

(2)

где Р₀ – давление при 0°С, α - температурный коэффициент давления газа равный 1/273 град^-1. График такой зависимости на Рt - диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 2.

 
Рис. 2.    

 

 

  2) Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const.       

 Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р. Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака:       

 При постоянном  давлении и неизменных значениях  массы и газа и его молярной  массы, отношение объёма газа  к его абсолютной температуре  остаётся постоянным:         

 График изобарического  процесса на VT-диаграмме называется изобарой. Полезно знать графики изобарического процесса на РV- и РT-диаграммах (рис. 3).

 
Рис. 3.      

 Уравнение  изобары: 

.

(3)

 

       Если температура  газа выражена в градусах Цельсия, то уравнение изобарического процесса записывается в виде

(4)

где α =1/273 град ^-1- температурный коэффициент объёмного расширения. График такой зависимости на Vt диаграмме имеет вид, показанный на рис.4

 
Рис. 4.      

3) Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. .       

 Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т.       

 Поведение  идеального газа при изотермическом  процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта:       

 При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.       

 График изотермического  процесса на РV-диаграмме называется изотермой. Полезно знать графики изотермического процесса на VT- и РT-диаграммах (рис. 5.).

 
Рис. 5.      

 Уравнение  изотермы:

(5)

 

       4) Адиабатический процесс (изоэнтропийный):       

 Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.       

5) Политропический процесс. Процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропический процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов.       

6) Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится N_A=6,02·10²³молекул (число Авогадро).       

7) Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений Р, входящих в неё газов:

(6)

 

       Парциальное давление Pn – давление, которое оказывал  бы данный газ, если бы он  один занимал весь объем. 

 При,  давление  смеси газов: 

(7)

 

       8) Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона).

В соответствии с законами Бойля – Мариотта (5) и Гей-Люссака (3) можно сделать заключение, что для данной массы газа

(8)

 

2.2.Изучение закона Менделеева – Клапейрона

 

Уравнение, связывающее  основные параметры состояния идеального газа, вывел великий русский ученый Д.И. Менделеев.       

 Менделеев  объединил известные нам законы  Бойля – Мариотта, Гей-Люссака  и Шарля с законом Авогадро. Уравнение, связывающее все эти  законы, называется уравнением Менделеева  – Клапейрона и записывается  так: 

(9)

здесь - число молей. Если обозначим – плотность газа, то

(10)

 

 

Ход работы:

 

Установку собирают, как показано на рисунке (6).

 

 

1. В микропипетку набирают 0,1 мл спирта, пробку микропипетки плотно вставляют в отверстие крышки баллона и спирт вводят в баллон. При этом предварительно определите  число капель спирта в 1 см³ (в нашем варианте 9 капель).
2. Когда показание манометра достигнет максимального значения, отсчитывают давление, измеряя линейкой разность уровней воды в манометре.
3. Вынимают пробку с микропипеткой и повторяют измерения несколько раз.
4. Определяют объем баллона, наполнив его водой, которую затем переливают в мензурку .

Для работы с  другой жидкостью необходимо баллон тщательно промыть.

5. Подсчитайте молярную массу спирта .

Для определения  молярной массы спирта можно использовать и прибор по изучению свойств газов.

 

 

 

 

3. Расчет молекулярной и относительной массы жидкости.

 

В лабораторной работе для спирта возможны следующие  результаты:

 

№	Vж,       (м3)	h,          (м)	Vг,           (м3)	T,         (K)	ρ     (кг/м3)	M, (кг/моль)	e,          (%)
1		20,5·10-2				0,45782
2		19,9·10-2				0,47163
3		20,2·10-2				0,46462
4		20,7·10-2				0,45340
5		20,6·10-2				0,45560
Ср.	0,100·10-6	20,38·10-2	2040·10-6	288	800	0,460614	0,72

 

Молярную массу  найдем из уравнения Менделеева-Клапейрона

 

где - масса жидкого эфира.

М ₁ =(800*0,0000001*8,31*288)/(0,00205*100000*0,002040) = 0,45782 (кг/моль)

М ₂ = (800*0,0000001*8,31*288)/(0,00199*100000*0,002040) = 0,47163 (кг/моль)

М ₃ = (800*0,0000001*8,31*288)/(0,00202*100000*0,002040) = 0,46462 (кг/моль)

М ₄ = (800*0,0000001*8,31*288)/(0,00207*100000*0,002040) = 0,45340 (кг/моль)

М ₅ = (800*0,0000001*8,31*288)/(0,00206*100000*0,002040) = 0,45560 (кг/моль)

Найдем абсолютную погрешность равную

где - коэффициент Стьюдента для 5 измерений он равен 2,5.

Вычислим относительную  погрешность молярной массы из следующей  формулы

 

Заключение

 

В данной курсовой работе был рассмотрен раздел молекулярной физики, молекулярно- кинетическая теория идеальных газов для определения молекулярной и относительной массы жидкости. При выполнении лабораторной работы, как с реальными физическими приборами, так и с компьютерными моделями, была организована исследовательская деятельность по экспериментальному установлению зависимостей между величинами. Осуществлены все этапы: постановка задачи, планирование эксперимента, выбор средств выполнения эксперимента, сборку установки, наблюдения и измерения, фиксацию и анализ результатов эксперимента, выводы.

С помощь сконструированной  установки экспериментально был  доказан закон идеальных газов  – закон  Менделеева – Клапейрона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

 

Менделеев Дмитрий Иванович (1834–1907) – русский ученый. Работы – преимущественно в области химии, а также физики, метрологии, метеорологии. Открыл в 1869 году один из фундаментальных законов природы – периодический закон химических элементов и на его основе создал периодическую таблицу химических элементов. Исправил значения атомных весов многих элементов, предсказал существование и свойства новых. Предсказал существование критической температуры. В области метрологии разработал физическую теорию весов.

Клапейрон Бенуа Поль Эмиль (1799–1864) – французский физик и инженер. Физические исследования посвящены теплоте, пластичности и равновесию твердых тел. Придал математическую форму идеям Н. Карно, первым оценил большое научное значение его труда. Вывел уравнения состояния идеального газа. Впервые ввел в термодинамику графический метод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1. Средства и материалы предназначенные  для сборки прибора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 2. Прибор по молекулярной физике для измерения молекулярной и относительной массы жидкости

 

 

  
Список использованной литературы.

 

1. Физика 9-го  класса.

2.Курс физики: учеб. пособие для вузов / Трофимова  Т.И., М - : Издательский центр «Академия», 2006, 560с.

               3. Теория и методика обучения  физике в школе: общие вопросы/  С.Е.Каменецкий, Н.С.Пурышева, Н.Е.Важеевская и др., М.,2000, 368с.

4. Физический  практикум для классов с углубленным  изучением физики /под ред. Ю.И.Дик,  О.Ф.Кардина, М.,1993,208с

5. Методика факультативных  занятий по физике /под ред.  О.Ф.Кабардина, В.А. Орлова, М.,1988, 240с.

6. Хорошавин С.А. Физический эксперимент в средней школе: 6-7 кл., М.,1988, 175с.

               7. Основы методики преподавания физики в средней школе/под ред. А.В.Перышкина и др., М.,1984,398с

8. Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе: теоретические основы, М.,1981,288с.

9. Демонстрационный  эксперимент по физике в средней  школе/под ред. А.А.Покровского,  М., 1978,1979,ч.1,2