Технические объекты, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 8. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа. Параграф 40. Молекулярно-кинетическая теория и газовые законы. Вопросы - страница 221.

Условие.

Знакомство с техническими объектами

На рис. 159 изображён физический прибор — сильфон, предназначенный для исследования равновесного состояния идеального газа. Герметически гофрированный сосуд 1 соединён с манометром 2, регистрирующим давление газа внутри сосуда. С помощью шкалы 3 можно судить об объёме газа в условных единицах. Температура газа в сосуде равна температуре окружающего воздуха. Вращением винта 4 можно изменять объём гофрированного сосуда.

Предложите способы исследования изотермического, изобарного и изохорного процессов с помощью сильфона.

Рис. 159

Решение.

Исследование изотермического процесса

Изотермический процесс происходит при постоянной температуре ($T = \text{const}$). Согласно условию задачи, температура газа в сосуде равна температуре окружающего воздуха. Чтобы процесс был изотермическим, необходимо изменять объем газа достаточно медленно, чтобы он успевал обмениваться теплотой с окружающей средой и его температура оставалась постоянной. Порядок действий следующий: сначала фиксируются начальные показания объема $V_1$ по шкале 3 и давления $p_1$ по манометру 2. Затем, медленно вращая винт 4, изменяют объем газа. После каждого небольшого изменения объема необходимо дожидаться установления теплового равновесия и записывать новые значения объема $\text{V}$ и давления $\text{p}$. Проведя несколько таких измерений, по их результатам проверяют выполнение закона Бойля–Мариотта: $p \cdot V = \text{const}$, вычисляя произведение $p_i V_i$ для каждой пары измерений. Если эти произведения примерно равны, то закон выполняется.

Ответ: Для исследования изотермического процесса необходимо медленно изменять объем газа с помощью винта 4, фиксируя соответствующие значения объема по шкале 3 и давления по манометру 2, и проверить постоянство произведения $p \cdot V$.

Исследование изобарного процесса

Изобарный процесс происходит при постоянном давлении ($p = \text{const}$). Для его исследования необходимо изменять температуру газа, поддерживая давление постоянным. Для этого следует поместить гофрированный сосуд 1 в большую емкость с водой и термометром. Сначала нужно зафиксировать начальные показания температуры $T_1$ и объема $V_1$ при некотором давлении $\text{p}$. Затем, медленно нагревая воду, нужно следить за давлением. По мере роста температуры давление будет расти, и чтобы поддерживать его постоянным, необходимо одновременно вращать винт 4, увеличивая объем сосуда. Когда температура стабилизируется на новом значении $T_2$, а давление вернется к исходному значению $\text{p}$, записывают новый объем $V_2$. Повторив эксперимент для нескольких значений температуры, проверяют выполнение закона Гей-Люссака: $V/T = \text{const}$, где $\text{T}$ – абсолютная температура в Кельвинах.

Ответ: Для исследования изобарного процесса необходимо изменять температуру газа (например, поместив сосуд в водяную баню) и одновременно с этим регулировать винтом 4 объем так, чтобы давление по манометру 2 оставалось постоянным. Затем следует проверить постоянство отношения объема $\text{V}$ к абсолютной температуре $\text{T}$.

Исследование изохорного процесса

Изохорный процесс происходит при постоянном объеме ($V = \text{const}$). Для его исследования необходимо зафиксировать винт 4 в одном положении, чтобы объем газа в сосуде 1 был постоянным. Затем, поместив сосуд в емкость с водой и термометром, можно изменять температуру газа. В ходе эксперимента фиксируют начальные значения температуры $T_1$ и давления $p_1$. Далее, медленно нагревая воду, дожидаются стабилизации температуры на новом значении $T_2$ и записывают соответствующее ему давление $p_2$. Проведя измерения для нескольких значений температуры, проверяют выполнение закона Шарля: $p/T = \text{const}$, где $\text{T}$ – абсолютная температура в Кельвинах. Если отношение $p_i / T_i$ остается примерно постоянным, закон подтверждается.

Ответ: Для исследования изохорного процесса необходимо зафиксировать объем газа, не вращая винт 4, изменять температуру газа (например, с помощью водяной бани) и фиксировать соответствующие значения давления по манометру 2. Затем следует проверить постоянство отношения давления $\text{p}$ к абсолютной температуре $\text{T}$.