Номер 3, страница 134 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел. Параграф 32. Связь между параметрами состояния газа. Вопросы для самопроверки - номер 3, страница 134.

Условие.

3. Опишите опыт, позволяющий установить эту зависимость. Почему объём цилиндра надо менять медленно?

Решение.

3. Опишите опыт, позволяющий установить эту зависимость.
Для экспериментальной проверки зависимости давления газа данной массы от его объема при постоянной температуре (закона Бойля-Мариотта) потребуется следующее оборудование: герметичный сосуд переменного объема (например, стеклянный цилиндр с поршнем), манометр для измерения давления и измерительная шкала для определения объема.
Ход опыта:
1. В цилиндре под поршнем запирают определённое количество воздуха. Измеряют его начальный объем $V_1$ по шкале на цилиндре и начальное давление $p_1$ с помощью манометра. Температуру поддерживают постоянной, равной температуре окружающей среды.
2. Медленно перемещают поршень, уменьшая объем газа до значения $V_2$. При сжатии газа выделяется тепло, поэтому необходимо подождать некоторое время, чтобы газ отдал тепло окружающей среде и его температура вернулась к первоначальному значению.
3. Измеряют новое установившееся давление $p_2$.
4. Опыт повторяют несколько раз, каждый раз уменьшая объем и измеряя соответствующее давление, получая пары значений $(V_3, p_3), (V_4, p_4)$ и так далее.
5. По результатам измерений строят график зависимости $\text{p}$ от $\text{V}$, который будет иметь вид гиперболы. Также для каждой пары значений вычисляют произведение $p \cdot V$. Если опыт проведен правильно, это произведение будет оставаться примерно постоянным: $p_1 V_1 \approx p_2 V_2 \approx \dots \approx \text{const}$.
Таким образом, опыт подтверждает, что для данной массы газа при постоянной температуре давление обратно пропорционально объему.
Ответ: Опыт состоит в медленном изменении объема газа в цилиндре с поршнем и измерении соответствующих значений давления и объема при постоянной температуре. Результаты показывают, что произведение давления на объем остается постоянным ($p V = \text{const}$), что и устанавливает искомую зависимость.

Почему объём цилиндра надо менять медленно?
Зависимость давления от объема, которую устанавливает данный опыт, справедлива только для изотермического процесса, то есть процесса, протекающего при постоянной температуре ($T = \text{const}$).
При изменении объема газа совершается работа. Если газ сжимают, над ним совершается положительная работа, что ведет к увеличению его внутренней энергии и, как следствие, к росту температуры. Если газ расширяется, он сам совершает работу, его внутренняя энергия и температура уменьшаются.
Для того чтобы температура газа в процессе эксперимента оставалась неизменной, необходимо, чтобы газ находился в тепловом равновесии с окружающей средой. Изменение объема нужно производить достаточно медленно, чтобы успевал происходить теплообмен:
- При медленном сжатии избыток тепла, выделяющийся в газе, успевает передаться окружающей среде.
- При медленном расширении газ успевает получить из окружающей среды количество теплоты, необходимое для компенсации охлаждения.
Если же менять объем быстро, теплообмен не успеет произойти, и процесс будет адиабатным, а не изотермическим, в результате чего температура газа изменится, и закон Бойля-Мариотта выполняться не будет.
Ответ: Объем цилиндра надо менять медленно, чтобы обеспечить постоянство температуры газа. Медленный процесс позволяет газу обмениваться теплом с окружающей средой, отдавая избыточное тепло при сжатии или поглощая его при расширении, что является необходимым условием для протекания изотермического процесса.