Лабораторная установка (рис. 1) представляет собой герметичный резервуар 1 (полупрозрачный цилиндр из пластика), составляющий единую конструкцию с датчиком изменения объема 3. Объем резервуара изменяется при движении внутри него поршня 2, осуществляемого вручную за счет вращения винта 4. С поршнем жестко связана подвижная часть датчика изменения объема, и таким образом, положение поршня в цилиндре контролируется. Давление газа измеряется датчиком абсолютного давления 5, который присоединяется к цилиндру с помощью вакуумного шланга 6. Для контроля постоянства температуры в ходе проведения опыта, а также для её измерения в прибор вмонтирован также датчик температуры 7. Все измерения проводятся после погружения резервуара в сосуд с водой 8.
Конструкция установки ограничивает ход поршня с обеих сторон (объем резервуара меняется в пределах 30-150 мл), что не позволяет создать в системе давление, превышающее допустимый уровень для датчика давления. Стенки резервуара обладают достаточной теплопроводностью, чтобы обеспечить равенство температуры газа температуре внешней среды при условии медленного равномерного вращения подающего поршень винта. Калибровка датчика объема учитывает объем шланга, соединяющего резервуар с датчиком давления. Именно поэтому показания датчика (на экране компьютера! примерно на 2 мл выше величины объема, измеренной по шкале на стенке резервуара.
Рис. 1
Датчик объема установки «изотерма» требует предварительной настройки. Для ее выполнения после подключения датчика к компьютеру (должен засветиться один из двух светодиодов на корпусе прибора, что свидетельствует о наличии питания), и запуска программы с соответствующим сценарием измерений следует перевести поршень в крайнее нижнее положение (до ограничителя хода). Если поршень уже находится в крайнем положении, то, вращая ручку поршня в левую сторону, необходимо выдвинуть поршень на один сантиметр вверх и снова вернуть его в крайнее нижнее положение. При этом включится индикатор готовности - второй светодиод на корпусе прибора «изотерма». Если по каким-либо причинам установка отключалась от компьютера, то процедуру настройки необходимо выполнить заново.
К приборам и принадлежностям относятся компьютер с необходимым программным обеспечением для регистрации и обработки данных.
Теоретическая часть
Состояние воздуха при условиях близких к нормальным достаточно хорошо описывается уравнением состояния идеального газа:
PV = νRT, (1)
где. P, Vи T - давление, объём и температура газа соответственно, ν -количество вещества газа.R- универсальная газовая постоянная. Из этого уравнения следует, что если с некоторым фиксированным количеством газа происходит какой-то процесс при постоянной температуре, то правая часть уравнения при этом остаётся постоянной и, следовательно, произведение давления и объёма тоже не изменяется:
В сущности, уравнение (2) представляет собой закон Бойля -Мариотта для изотермического процесса в идеальном газе. Уравнение (1) можно переписать в виде:
(3)
из которого очевидно, что графиком изотермического процесса в координатах (V,Р) является гипербола вида у=А/х, где коэффициент гиперболы А пропорционален массе газа и его температуре:
(4)
Отсюда следует, что если изобразить на одной и той же координатной плоскости две изотермы для одной и той же массы газа но различных температур, то изотерма, соответствующая большей температуре должна пройти выше низкотемпературной изотермы.
Заметим также, что из уравнения (3) следует, что зависимость давления от объёма в изотермическом процессе может быть легко линеаризована, если1 её строить в координатах (1/V,Р). В этом случае экспериментальные точки должны «лечь» на график прямой пропорциональности у=Ах, причём угловой коэффициент прямой при этом совпадает с коэффициентом гиперболы, строящейся в координатах (V, Р),
