ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА И ИРГЗ № 1

ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

* Знакомство с компьютерной моделью, описывающей вещество в газообразном состоянии и его переход в жидкое состояние.

* Экспериментальное подтверждение закономерностей поведения реального газа.

Ознакомьтесь с теорией в учебнике: Савельев, Физика, т.1, §91, §123, §124, Глинка, Общая химия, гл. 5, §5.3. Прочитайте краткие теоретические сведения в описании работы.

Запустите программу «Открытая химия». Выберите модель 4.9.«Реальный газ».

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

1. ФИЗИЧЕСКИМ газом называется вещество, находящееся в газообразном состоянии.

«идеальный газ» это название модели, описывающей физический газ, находящийся в разреженном состоянии (при давлениях, не сильно отличающихся от атмосферного и достаточно высоких температурах). Уравнением, связывающим параметры состояния идеального газа, является уравнение Менделеева-Клапейрона. Поэтому оно имеет второе название: уравнение состояния идеального газа:

pV = nRT, (1)

где p – давление газа, V – объем газа, n – количество молей, R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура газа. Для такого газа отношение pV/RT при любых условиях – величина постоянная. Для реальных газов при высоких давлениях это не выполняется (см. рис. 1).

Более точная модель физического (реального) газа была предложена голландским физиком Иоханесом Ван-дер-Ваальсом. Она также является приближенной, но лучше описывает процессы, нежели модель «идеального газа». Иногда эту модель называют «реальный газ». Газом Ван-дер-ваальса (ВдВ) называется воображаемый газ (модель), параметры состояния которого точно Рис. 1. Идеальный и реальные газы. подчиняются уравнению:

, (2).

Оно называется УРАВНЕНИЕМ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА. Здесь a и b – константы Ван-дер-Ваальса. Добавка к внешнему давлению а обусловлена взаимным притяжением частиц друг к другу. Поправка к объему b характеризует ту часть объема, которая недоступна для движения частиц. Она равна нескольким суммарным объемам молекул, содержащихся в газе.

ИЗОТЕРМОЙ называется зависимость давления от объема данного (фиксированного) количества вещества при постоянной температуре.

Рис.2

Рис.3

Рис.4

На рис. 2 приведены изотермы некоторого физического (реального) газа, а на рис. 3 и рис. 4 – изотермы ВдВ газа.

Изотерма ВдВ газа, имеющая только точку перегиба и не имеющая экстремумов, называется критической. Температура критической изотермы называется критической температурой. Объем и давление в критической точке (точка К на графиках) также называются КРИТИЧЕСКИМИ.

УРАВНЕНИЯ ДЛЯ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ:

V_КР = 3b, p_КР = , T_КР = , (3).

Отсюда

А = n = 0.375·n, (4).

При температуре выше критической вещество может находиться только в газообразном состоянии. При температуре ниже критической вещество может находиться как в газообразном, так и в жидком состоянии.

Жидкое состояние описывается левыми (по отношению к точке перегиба) частями графиков на рисунках и характеризуется тем, что небольшое уменьшение объема вещества может произойти только при резком увеличении давления (жидкость практически несжимаема).

Изотермы ВдВ примерно совпадают с изотермами реального газа на участках, соответствующих однофазным состояниям вещества.

Рис. 4 разъясняет поведение вещества при разных внешних условиях. В области, где присутствуют 2 фазы (1-2-3-4) S-образный завиток изотермы ВдВ заменяется горизонтальным участком (1-4) реальной изотермы.

НЕРЕАЛИЗУЕМОЕ СОСТОЯНИЕ соответствует участку 2-3, на котором сжимаемость вещества была бы отрицательна, что невозможно.

ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫЙ ПАР на участке 3-4 реализуется при определенных условиях (при практическом отсутствии центров конденсации и внешних воздействий).

ПЕРЕГРЕТАЯ ЖИДКОСТЬ на участке 1-2 реализуется при отсутствии примесей, способных быть центрами кипения.

На рис. 5 приведена компьютерная модель газа под поршнем.

Рис. 5.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

ЭКСПЕРИМЕНТ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.

Подведите маркер мыши к регулятору температуры и, удерживая левую кнопку мыши в нажатом состоянии, повышайте температуру до тех пор, пока на правом экране не появится критическая изотерма с точкой перегиба и без экстремумов.

Запишите в свой отчет значения параметров, отвечающих критической точке: Т_КР, V_КР, p_КР, определенные по графику изотермы.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТЕРМ РЕАЛЬНОГО ГАЗА.

1. Установите значение температуры Т₁, указанное в таблице 1 для вашего варианта. Нажмите мышью кнопку «СТАРТ» на экране и наблюдайте перемещение поршня на левой картинке модели и перемещение красной точки, отражающей состояние газа, по кривой изотермы.

ТАБЛИЦА 1. (не перерисовывать)

Значения температуры (К)

2. Останавливайте процесс, нажимая кнопку «Стоп», когда точка на теоретической изотерме будет находиться вблизи следующих значений объема: 0,1; 0,12; 0,14; 0,16; 0,18; 0,2; 0,22; 0,24; 0,26 и 0,28 дм³ (10 значений). Полученные в момент остановки значения давления и объема последовательно занесите в таблицу 2. Запустить процесс снова после остановки можно, нажав кнопку «Старт».

3. Установив новое значение температуры Т_i из таблицы 1, повторите измерения, записывая результаты в соответствующие строки табл. 2.

ТАБЛИЦА 2.

Результаты измерений

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

По измеренным значениям критических параметров вычислите константы a, b и А.

Постройте на одном графике экспериментальные зависимости давления газа от обратного объема для всех изотермических процессов (указав на них значения температур). Наблюдается ли линейная зависимость, предсказываемая уравнением идеального газа?

Аппроксимировав линейной зависимостью те участки изотерм, где все вещество находится в газовой фазе, рассчитайте для каждой из них значение количества вещества n. Для этого определите тангенс угла наклона прямолинейного отрезка полученной зависимости, или рассчитайте для выбранных экспериментальных значений по формуле (по данным табл. 2-5).

Вычислите среднее значение n и величину константы А’ по формуле А’ = 0,375·n. Сравните значение А’, полученное по изотермам, с А, полученным через критические параметры. Чем можно объяснить наблюдаемое различие?

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ:

Универсальная газовая постоянная R = 8,31 Дж / мольК.

1 атм =1,01·10⁵ Па; Т(К) = t(°C) +273.

Нормальные условия: р = 1 атм, Т = 273 К.

РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «УРАВНЕНИЕ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА»

1. По таблице 3 определите порядковые номера задач для своего варианта и выберите их из общего списка.

Таблица 3.

2. В отчет кратко запишите условия задачи, необходимые справочные данные и приведите решение каждой задачи.

Контрольные задачи по теме «Уравнение идеального газа».

7. Какова масса 20 л аммиака NH₃ при нормальных условиях?

22. В смеси угарного и углекислого газов их парциальные давления равны соответственно 185,5 и 15,5 кПа. Определить, какой объем будет иметь эта смесь массой 25 г при температуре 100 ºС и давлении 105 кПа.

Форма отчета по лабораторной работе № 1

(переписывается от руки или распечатывается и заполняется от руки)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Вариант № __7__

Выполнил ст. ________________, гр. _____

ЭКСПЕРИМЕНТ 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.

Т_КР = 647 К

V_КР = 0.30 Дм^3

p_КР =137*10^5 Па

РАСЧЕТ КОНСТАНТ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА

a =

b =

РАСЧЕТ ПОСТОЯННОЙ А

А =

ЭКСПЕРИМЕНТ 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТЕРМ РЕАЛЬНОГО ГАЗА.

ТАБЛИЦА. Результаты измерений

ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ ДАВЛЕНИЯ ОТ ОБРАТНОГО ОБЪЕМА

РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ

n₁ =

n₂ =

n₃ =

n₄ =

n_cp =

РАСЧЕТ КОНСТАНТЫ А’

A’ =

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ

ЗАДАЧА № ___

ЗАДАЧА № ___