ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΠΙΒΕΒΑΙΩΣΗ ΤΟΥ ΓΕΝΙΚΟΥ ΝΟΜΟΥ ΤΩΝ ΙΔΑΝΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ R

Συσκευή για τη Μελέτη των Νόμων των Αερίων ΑΠΟΤΕΛΕΙΤΑΙ ΑΠΟ: Κυλινδρικό μεταλλικό θάλαμο όγκου ~340mL, κλειστό στο ένα άκρο, στο εσωτερικό του οποίου προσαρμόζεται έμβολο που κινείται μέσω χειρολαβής προώθησης και άγκιστρου επαναφοράς. Κυλινδρικό δοχείο από PVC (υδατόλουτρο) μέσα στο οποίο τοποθετείται ο μεταλλικός κυλινδρικός θάλαμος για δημιουργία μεταβαλλόμενων συνθηκών θερμοκρασίας. Μεταλλικό μανόμετρο με κλίμακα 0 – 2,5 bar με υποδιαιρέσεις ανά 0,02 bar, στο οποίο είναι προσαρμοσμένος εύκαμπτος σωλήνας για τη σύνδεσή του με τον μεταλλικό θάλαμο μέσω κατάλληλης στρόφιγγας τριών εισόδων.

Συσκευή για τη Μελέτη των Νόμων των Αερίων Ψηφιακό πολύμετρο – θερμόμετρο με αισθητήρα θερμοκρασίας. Για λόγους εξοικονόμησης μπαταρίας κλείνει αυτόματα μετά από λίγα λεπτά λειτουργίας και επανέρχεται σε λειτουργία πατώντας το μπουτόν POWER δύο φορές. Βαθμονομημένη κλίμακα μέτρησης του όγκου του αέρα 0 – 360 mL με υποδιαιρέσεις ανά 2 mL. Στρόφιγγα τριών εισόδων για την εισαγωγή και εξαγωγή αέρα. Πλαστική σύριγγα των 20 mL με υποδιαιρέσεις ανά 1 mL

Συσκευή για τη Μελέτη των Νόμων των Αερίων ΣΥΝΤΟΜΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ Το μανόμετρο είναι στηριγμένο στο κολάρο στο πάνω μέρος του μεταλλικού κυλινδρικού θαλάμου. Συνδέουμε τον εύκαμπτο σωλήνα του μεταλλικού μανομέτρου μέσω του τριπλού διακόπτη στην αντίστοιχη έξοδο στο πάνω μέρος του κυλινδρικού μεταλλικού θαλάμου. Προσαρμόζουμε το αισθητήριο της θερμοκρασίας στην ειδική υποδοχή στο εξωτερικό του κυλινδρικού μεταλλικού θαλάμου. Τοποθετούμε προσεκτικά τον κυλινδρικό μεταλλικό θάλαμο μέσα στο υδατόλουτρο προσέχοντας να προσαρμόσουμε τον λεπτό σωλήνα και το καλώδιο του θερμοζεύγους στην αντίστοιχη εγκοπή στο πάνω μέρος του υδατόλουτρου.

Συσκευή για τη Μελέτη των Νόμων των Αερίων ΣΥΝΤΟΜΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ Προσαρμόζουμε την κλίμακα μέτρησης του όγκου στην ειδική υποδοχή του κυλινδρικού μεταλλικού θαλάμου πίσω από το στέλεχος του εμβόλου. Προσαρμόζουμε κατάλληλα το φις του καλωδίου του θερμοζεύγους στην αντίστοιχη υποδοχή του πολυμέτρου, που σημειώνεται σαν (οC) Κ TYPE THERMOCOUPLE. Ανοίγουμε το ψηφιακό πολύμετρο και θέτουμε τον επιλογέα στην αντίστοιχη θέση. Γυρίζουμε τα ρυθμιστικά των τριόδων στροφίγγων σε τέτοια θέση, ώστε να επιτρέπουν τη ροή αέρα στην κατεύθυνση που επιθυμούμε. Πιέζοντας το μοχλό απελευθέρωσης του στελέχους, ανεβάζουμε το έμβολο από το άγκιστρο επαναφοράς, ώστε ο κυλινδρικός μεταλλικός θάλαμος να περιέχει 160mL αέρα. Πιέζοντας τη χειρολαβή προώθησης μπορούμε να τον αδειάσουμε.

Πειραματική διαδικασία Διαβάζουμε την ένδειξη θ της θερμοκρασίας από το ψηφιακό θερμόμετρο και τη σημειώνουμε στον Πίνακα 1 του φύλλου εργασίας Στη συνέχεια κρατάμε σταθερή τη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια του πειράματος. Πιέζοντας τη χειρολαβή προώθησης του μεταλλικού θαλάμου, εισάγουμε Vαρχ=160mL αέρα και το σημειώνουμε στον Πίνακα 1. Ο όγκος αυτός αντιστοιχεί σε nαρχ mol. Συμπληρώνουμε την ένδειξη του μανόμετρου Ρμαν.

Πειραματική διαδικασία Εισάγουμε στη σύριγγα 20mL αέρα από το περιβάλλον. Αυτά αντιστοιχούν σε nσ mol. Προσθέτουμε στο μεταλλικό θάλαμο τον αέρα της σύριγγας έχοντας τη στρόφιγγα στη θέση ┤ και αμέσως μετά γυρνάμε τη στρόφιγγα στη θέση ┬. Σημειώνουμε τη νέα ένδειξη Ρμαν του μανόμετρου.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1 θ=…………oC = σταθ Vαρχ=160mL=0,16L T=………….K = σταθ. ηαρχ= ησ= α/α n (mol) ∙ 10-3 Pμαν(bar) Pμαν(atm) P=Pατμ+Pμαν (atm) P∙Vαρχ/T (atm∙L/K) 1 2 3 4 5 6

Υπολογισμοί Υπολογίζουμε την απόλυτη θερμοκρασία Τ από τη σχέση Τ=θ+273 και καταχωρούμε την τιμή στον πίνακα 1. Μετατρέπουμε τις τιμές πίεσης που πήραμε από το μανόμετρο, από bar σε ατμόσφαιρες 1bar=0,987atm. Καταχωρούμε τις τιμές στον πίνακα 1. Επειδή η πίεση που δείχνει το μανόμετρο είναι η υπερπίεση, δηλαδή η πίεση πάνω από την ατμοσφαιρική, υπολογίζουμε την απόλυτη πίεση προσθέτοντας στην ένδειξη του μανόμετρου την ατμοσφαιρική πίεση. Ρ=Ρμαν+Ρατμ Καταχωρούμε τις τιμές στον πίνακα 1.

Υπολογισμοί Επειδή στο εργαστήριο ο όγκος των 160mL δε μετριέται σε STP (P=1atm, T=273K), θα πρέπει να βρούμε ποιος όγκος αέρα αντιστοιχεί στην ποσότητα αυτή του αέρα σε θερμοκρασία 273Κ. Ο προσδιορισμός του όγκου θα μπορούσε να γίνει σα να είχαμε μια ισοβαρή μεταβολή στη 1atm: Συνεπώς τα γραμμομόρια αέρα που περιλαμβάνονται σε αυτόν τον όγκο είναι:

Υπολογισμοί Με τον ίδιο τρόπο υπολογίζουμε τα γραμμομόρια του αέρα που προσθέτουμε κάθε φορά με τη σύριγγα Συνεπώς τα γραμμομόρια αέρα που περιλαμβάνονται σε αυτόν τον όγκο είναι:

Συμπληρώνουμε τον πίνακα 1 Κατασκευάζουμε τη γραφική παράσταση n=f(P∙Vαρχ/Τ)

Αποτελέσματα: Βγάζουμε το συμπέρασμα που προκύπτει από το είδος της γραμμής που προκύπτει στη γραφική παράσταση Υπολογίζουμε την κλίση της γραφικής παράστασης Αναζητάμε τη φυσική σημασία της κλίσης της γραφικής παράστασης Συγκρίνουμε την τιμή που βρήκαμε με τη θεωρητική τιμή και αναζητάμε τις αιτίες για πιθανή απόκλιση από την τιμή αυτή

Εναλλακτικός τρόπος επεξεργασίας των μετρήσεων: Επειδή ο αρχικός όγκος των 160mL αέρα και των 20mL που προσθέτουμε κάθε φορά με τη σύριγγα είναι μετρημένος στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, είναι ανάλογος των γραμμομορίων αέρα που εισάγουμε στον κύλινδρο. Μπορούμε λοιπόν να χρησιμοποιήσουμε τον Πίνακα 2

ΠΙΝΑΚΑΣ 2 θ=…………oC = σταθ Vαρχ=160mL=0,16L T=………….K = σταθ. V n α/α V (L) Pμαν(bar) Pμαν(atm) P=Pατμ+Pμαν (atm) P∙Vαρχ/T (atm∙L/K) 0,16 1 0,18 2 0,20 3 0,22 4 0,24 5 0,26 6 0,28

Συμπληρώνουμε τον πίνακα 2 Κατασκευάζουμε τη γραφική παράσταση V=f(P∙Vαρχ/Τ) Όμως τώρα η γραφική παράσταση είναι ποιοτική και δε μπορούμε να κάνουμε υπολογισμό του R

Παρατηρήσεις Η μετακίνηση της βαλβίδας από τη μία θέση στην άλλη συνοδεύεται από μια μικρή διαρροή αέρα, ικανή να την ακούσουμε σα σφύριγμα. Αυτό το φαινόμενο είναι εντονότερο όσο αυξάνεται η πίεση στον κυλινδρικό θάλαμο. Ο αέρας συμπεριφέρεται σε καλή προσέγγιση σαν ιδανικό αέριο σε χαμηλές πιέσεις. Αυξάνοντας όμως την πίεση έχουμε μια απόκλιση από την «ιδανικότητα». Για τους παραπάνω λόγους περιμένουμε μια απόκλιση και στην τιμή του R που υπολογίζουμε.