LABORATION 3 FYSIKLINJEN AK1. Denna laboration gar ut pa att studera sambandet mellan tryck och temperatur,

Relevanta dokument
Nollte huvudsatsen och temperatur. mekanisk jämvikt

Vad är värme? Partiklar som rör sig i ett ämne I luft och vatten rör partiklar sig ganska fritt I fasta ämnen vibrerar de bara lite

Temperatur. Värme är rörelse

Repetition. Termodynamik handlar om energiomvandlingar

Värmelära. Fysik åk 8

Linnéuniversitetet Institutionen för fysik och elektroteknik

Kapitel 5. Gaser. är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning.

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

LABORATION 1 TERMODYNAMIK TEMPERATURMÄTNING

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Fast fas Flytande fas Gasfas

LABORATION 3 GASTERMOMETERN

Termodynamik FL1. Energi SYSTEM. Grundläggande begrepp. Energi. Energi kan lagras. Energi kan omvandlas från en form till en annan.

Materiens tillstånd. Bohrs atommodell. Bohrs atommodell. Grundämnen. Idag kan vi se atomer. Atomer Materiens minsta byggstenar.

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Temperatur T 1K (Kelvin)

Repetition F4. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Ch. 2-1/2/4 Termodynamik C. Norberg, LTH

Vätskors volymökning

Tätheten mellan molekylerna är störst vid fast form och minst vid gasform.

Till alla övningar finns facit. För de övningar som är markerade med * finns dessutom lösningar som du hittar efter facit!

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Innehållsförteckning

Värmelära. Värme Fast Flytande Gas. Atomerna har bestämda Atomerna rör sig ganska Atomerna rör sig helt

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Fysiken i temperaturmätningen. Fysiken gör sig bäst i tillämpad form

Värme och väder. Prov v.49 7A onsdag, 7B onsdag, 7C tisdag, 7D torsdag

Termodynamik Föreläsning 1

10. Kinetisk gasteori

LABORATION 2 TERMODYNAMIK BESTÄMNING AV C p /C v

Vetenskaplig Metod och Statistik. Maja Llena Garde Fysikum, SU Vetenskapens Hus

KEMISK TERMODYNAMIK. Lab 1, Datorlaboration APRIL 10, 2016

Sammanfattning av räkneövning 1 i Ingenjörsmetodik för ME1 och IT1. SI-enheter (MKSA)

Termodynamik Föreläsning 4

Värme och väder. Solen värmer och skapar väder

Kapitel 1. Kemiska grundvalar

Termodynamik och inledande statistisk fysik

Termodynamiska potentialer Hösten Assistent: Frans Graeffe

4 rörelsemängd. en modell för gaser. Innehåll

TERMODYNAMIK? materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-1 Termodynamik C. Norberg, LTH

OMÖJLIGA PROCESSER. 1:a HS: Q = W Q = Q out < 0 W = W net,out > 0

PTG 2015 övning 1. Problem 1

Wilma kommer ut från sitt luftkonditionerade hotellrum bildas genast kondens (imma) på hennes glasögon. Uppskatta

6. Värme, värmekapacitet, specifik värmekapacitet (s )

Lufttryck i ballong laboration Mätteknik

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

7. Inre energi, termodynamikens huvudsatser

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

Fysikaliska modeller. Skapa modeller av en fysikalisk verklighet med hjälp av experiment. Peter Andersson IFM fysik, adjunkt

mg F B cos θ + A y = 0 (1) A x F B sin θ = 0 (2) F B = mg(l 2 + l 3 ) l 2 cos θ

Termodynamik (repetition mm)

Vetenskaplig metod och Statistik

EGENSKAPER FÖR ENHETLIGA ÄMNEN

Del A: Begrepp och grundläggande förståelse

Temperatur. Till Läraren. Kristina Lutteman Per-Anders Nilsson. Specialpedagogiska skolmyndigheten

Vetenskaplig metod och statistik

Fasta ämnen. ALLA Fasta ämnen utvidgar sig under uppvärmning

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Motorer och kylskåp. Repetition: De tre tillstånden. Värmeöverföring. Fysiken bakom motorer och kylskåp - Termodynamik. Värmeöverföring genom ledning

Om trycket hålls konstant och temperaturen höjs kommer molekylerna till slut att bryta sig ur detta mönster (sublimation eller smältning).

TFEI01 Föreläsningsanteckning Temperaturmätning Signalbehandling

Kapitel 3. Standardatmosfären

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

Övningar till datorintroduktion

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

MEKANIK KTH Forslag till losningar till Sluttentamen i 5C1201 Stromningslara och termodynamik for T2 den 30 augusti Stromfunktionen for den ho

Lite Kommentarer om Gränsvärden

Kapitel 1. Kemiska grundvalar

Experimentella metoder, FK3001. Datorövning: Finn ett samband

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen. Kursmaterialet: Jens Pomoell 2011, Mikael Ehn

Sammanfattning av räkneövning 1 i Ingenjörsmetodik för ME1 och IT1. SI-enheter (MKSA)

18. Fasjämvikt Tvåfasjämvikt T 1 = T 2, P 1 = P 2. (1)

Uppvärmning, avsvalning och fasövergångar

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

I princip gäller det att mäta ström-spänningssambandet, vilket tillsammans med kännedom om provets geometriska dimensioner ger sambandet.

Två system, bägge enskilt i termisk jämvikt med en tredje, är i jämvikt sinsemellan

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Termodynamik FL3. Fasomvandlingsprocesser. FASER hos ENHETLIGA ÄMNEN. FASEGENSKAPER hos ENHETLIGA ÄMNEN. Exempel: Koka vatten under konstant tryck:

Planering Fysik för V, ht-10, lp 2

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 2 IKP/Mekaniksystem Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 2

Fysik 1 kapitel 6 och framåt, olika begrepp.

Vetenskaplig metod och statistik

Godkänt-del. Hypotetisk tentamen för Termodynamik och ytkemi, KFKA10

Räkneövning 2 hösten 2014

1 Den Speciella Relativitetsteorin

Studieanvisningar i statistisk fysik (SI1161) för F3

Laborations-PM Termodynamik (KVM091) lp /2016 version 3 (med sidhänvisningar även till inbunden upplaga 2)

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

TMFT13 Fö: Temperaturmätning

1. INLEDNING 2. TEORI. Arbete TD3 Temperaturberoendet för en vätskas ångtryck

FÖR DE NATURVETENSKAPLIGA ÄMNENA BIOLOGI LÄRAN OM LIVET FYSIK DEN MATERIELLA VÄRLDENS VETENSKAP KEMI

Planering Fysik för n och BME, ht-15, lp 1 Kurslitteratur: Göran Jönsson: Fysik i vätskor och gaser, Teach Support 2010 (eller senare). Obs!

Gastekniska apparater inom vården. Jan Carlfjord medicinteknisk ingenjör MT/CMIT

Fysikalisk kemi KEM040. Clausius-Clapeyronekvationen Bestämning av ångtryck och ångbildningsentalpi för en ren vätska (Lab2)

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

TERMODYNAMIK? materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-2 Termodynamik C. Norberg, LTH

Transkript:

I I V E R S U N + C K H O L M S FYSIKUM Stockholms universitet EXPERIMENTELLA METODER LABORATION 3 GASTERMOMETERN FYSIKLINJEN AK1 Varterminen 2001 1 Mal. Denna laboration gar ut pa att studera sambandet mellan tryck och temperatur, nar man har en gas vars volym kan antas vara konstant. Laborationen skall ge en ovning i att planera, satta upp och utfora ett mindre experiment. Osakerheten i matningarna skall minimeras genom att du korrigerar for instrumentella eekter. Du skall stalla samman dina observationer i en skriftlig rapport och forbereda en muntlig presentation av experimentet. 1 Denna uppgift kan aven hamtas pa Internet. http://www.physto.se/bsel/expmetod/gasterm.ps. 1

Temperaturmatning. Nar vi mater "temperatur" anvander vi en termometer. Temperatur ar exempel pa en fysikalisk storhet som de esta forknippar mer med ett praktiskt instrument, t.ex. en febertermometer eller en utomhustermometer, snarare an med de bakomliggande fysikaliska egenskaperna hos matobjeketet. Temperaturbegreppets ursprung ar kanselsinnets formaga att skilja mellan varmt och kallt. Sedan barnsben har vi fatt lara oss att varma kroppar har hog temperatur och kalla kroppar har lag temperatur. Helt annorlunda ar var syn pa t.ex. storheten "langd". Visserligen anvander vi aven har ett instrument, meterstaven, men var uppfattning om den fysikaliska storheten ar dock mycket klarare. En langd ar en geometrisk stracka i rummet som enkelt kan uppfattas och forstas av vara sinnen, med eller utan mattstock. Temperatur ar ett grundlaggande begrepp i termodynamiken, dar det infors med hjalp av nollte och andra huvudsatsen 2.Manga termometrar utnyttjar det faktum att ett material vanligtvis utvidgar sig da deras temperatur okar. En instangd kvicksilver- (eller fargad sprit) pelare i ett jamntjockt kapillarror forlangs proportionellt mot temperaturen. I en gastermometer utnyttjar vi det faktum att gasens tryck andras med dess temperatur. Tryck ar for de esta ett enklare koncept an temperatur och vinarmar oss har temperaturens fysikaliska karna som vi skall sei nasta avsnitt. Temperaturskalor. Ett antal olika temperaturskalor har utvecklats med tiden. De mest anvanda ar idag Celsius- (Anders Celsius, 1701{1744, svensk astronom verksam i Uppsala) och Fahrenheit- (Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686{1736, polsk-nederlandsk fysiker) skalorna (mest anvand i engelsktalande lander, framst Amerika). Historiskt sett var dessa temperaturskalor denierade genom tva temperaturpunkter pa skalan och avstandet mellan dessa indelade i ett visst antal lika stora delar. En punkt utgjordes av temperaturen hos smaltande is 3. Den andra punkten utgjordes av temperaturen hos kokande vatten vid 1 atm 4. IFahrenheitskalan ligger ispunkten vid 32 0 Fochangpunkten vid 212 0 F. Vi far alltsa foljande relation mellan Celsiusskalan och Fahrenheitskalan t f =32+9=5 t c t c =5=9 (t f ; 32) Den temperaturskala som mest anvands i vetenskapliga sammanhang ar Kelvin- 2 Mer om detta i termodynamikkursen. 3 Vattnets trippelpunkt denieras genom att vattnets tre tillstand (dvs. gas, ytande och fast form) ar samtidigt narvarande vid termodynamisk jamvikt. Denna punkt har denierats att vara 273,16 K = 0,01 0 C. Notera att smaltpunkten hos is ar 0,01 0 Clagre an trippelpunkten. 4 1 atm (atmosfars) tryck ar denierad genom relationen 1 atm = 1,01325 bar, dar1bar=10 5 Pa (Pascal). 1 Pa motsvarar i sin tur trycket 1 N/m 2. 2

skalan (introducerad av William Thompson, 1824{1907, brittisk ingenjor, matematiker och fysiker (1892 Lord Kelvin)). Observera att vi uttrycker t.ex. 25 0 C som 298,15 K (kelvin, utan grader). 1 kelvin ar SI enheten for temperatur och enheten 1K ar lika stor som enheten 1 0 C. Som vi skall se i nasta stycke nns det en absolut lagsta temperatur, under vilken inget amne kan kylas. Denna lagsta temperatur kallas absoluta nollpunkten och denierar kelvinskalans nollpunkt. Vi har foljande relation mellan de tva skalorna T = T c + 273 15 Absoluta nollpunkten. Vi kommer att nna att det (for en ideal gas) linjara avtagandet av gasens tryck med temperaturen kan extrapoleras till trycket noll. Liknande experimentmed olika gaser av lag tathet visar att vi kan extrapolera till trycket noll vilket da alltid svarar mot temperaturen -273,15 0 Cpa temperaturskalan. Vi kallar denna temperatur for den absoluta nollpunkten. Ingen gas (eller nagot annat amne) kan kylas till lagre temperatur, da det skulle innebara ett negativt absolut tryck naturligtvis vilket inte har nagon mening. Kelvinskalans nollpunkt ar denitionsmassigt lika med denna absolut lagsta tankbara temperatur. Gastermometern. Som namnts ovan andras trycket ieninnestangd gas med temperaturen. Vid konstant volym okar trycket vid uppvarmning och minskar vid avkylning. Detta fenomen utgor grunden for gastermometern med konstant volym. Det allmanna sambandet mellan trycket (p), temperaturen (T )ochvolymen (V ) hos en (ideal) gas beskrivs av den s.k. allmanna gaslagen pv = nrt dar n ar antalet mol av gasen och R gaskonstanten 5. Detta samband utnyttjas i gastermometern, dar man har en behallare med en konstant volym, fylld med en gas (t.ex. luft som ar nara nog en ideal gas, dvs en gas vars partiklar inte vaxelverkar med varandra eller tar upp nagon volym) som far anta 6 den temperatur man vill mata. Trycket bestams, och om man tidigare 5 R har vardet 8,314 J/molK. 6 I detta sammanhang far vi noja oss med att saga att tva kroppar har samma temperatur nar de benner sig i termisk jamvikt, dvs nar storheter som volym och tryck och energi-innehallet inte andras med tiden for det matande och det matta mediet. En mer precis denition av temperaturbegreppet kommer att diskuteras i termodynamikkursen. 3

kalibrerat sin termometer mot ett antal kanda (denierade) temperaturer, ar ocksa gasens temperatur entydigt bestamd. Fixpunkter. 1. Kokpunkten hos kokande kvave, N 2. 2. Smaltpunkten hos is. 3. Kokpunkten hos vatten. 1. Forberedelser. I detta forsok skall du mata trycket i en glasbehallare vid 4 olika temperaturer (den fjarde punkten ar rumstemperaturen). Se till att lampligt material nns tillgangligt for matning av de tre xpunkterna. Bekanta dig med digitalmanometern och dess funktion. Ett utdrag ur det danska databladet kan du se i appendix. Tank igenom hur experimentet skall genomforas. I vilken ordning skall xpunkterna gas igenom? Finns det anledning att mata era ganger? 2. Om matningarna. Vi anvander ett instrumentsommater tryck, en manometer, som via en plastslang ar ansluten till en gasbehallare. Denna behallare sanks ned i ett antal temperaturbad, och gasen i behallaren (dvs luft) kommer da att vara under olika tryck. Sjalva instrumentet visar skillnaden mellan trycket i rummet och trycket i behallaren. Instrumentet, en digital manometer, innehaller en transducer av platina, som har omvandlar tryckskillnaden mellan de bada ingangarna till en elektrisk signal. Om vi mater temperaturen i 0 Cochantar konstant antal mol gas, samt konstant volym, far vi allmanna gaslagen pa formen t = kp + m De okanda konstanterna k och m bestams genom att kalibrera termometern med hjalp av xpunkterna. 4

Notera vid vilket tryck i rummet matningarna sker, det ar skillnaden mellan detta tryck och det i behallaren som mats. Innan matningarna startar skall behallaren ha samma tryck som omgivningen. Skruva darfor loss plastslangen ett kort ogonblick. Notera rumstemperaturen. Vattnets kokpunkt ar beroende av trycket i rummet. En korrigeringsformel dar hansyn tas till detta nns i t.ex. Physics Handbook. 3. Om analysen. For att hitta basta mojliga uppskattning av parametervardena k och m, ar en bra metod att anvanda minsta kvadratmetoden. De matrisrakningar som maste utforas, gors enklast i MATLAB. Det nns ett antal orsaker till varfor allmanna gaslagen inte helt beskriver den situation som matningarna gjorts under. Vi forutsatter t.ex. i) att vi har en ideal gas, ii) att vi inte har ett s.k. skadligt rum, dvs. en volym som vi inte kan kontrollera temperaturen pa, iii) att volymen ar helt konstant, men detta ar inte hela sanningen, da glaset utvidgas vid hogre temperaturer och dras ihop vid lagre. En korrektion for den sistnamda punkten kan genomforas genom att anta det enkla temperaturberoendet V (t) =V 0 (1 + t) dar V 0 ar volymen vid 0 o Coch ar volymutvidgningskoecienten. Med detta uttryck insatt i allmanna gaslagen fas ett litet annorlunda temperaturberoende. Prova detta uttryck. Ger detta en battre kvalitet pa anpassningen? Forandras absoluta nolltemperaturen nagot? 5

Appendix. Figure 1: Datablad for den digitala manometern i denna laboration. 6

Utrustning: Termometer. Digitalmanometer M+S 1010. Glasbehallare med plastslang. Termosaska. Vattenkokare. Flytande kvave. 7