Изобарное нагревание: расширение при постоянном давлении
1 · Прогноз
Газ нагревают при постоянном давлении, и он расширяется (изобарно). Если дать ему расшириться до большего конечного объёма, совершит ли газ больше работы над окружением?
- Больший конечный объём означает меньше работы газа.
- Совершённая работа не зависит от конечного объёма.
- Больший конечный объём означает больше работы, совершённой газом.
2 · Подготовка
- Откройте пресет изобарного нагревания и нажмите «Сброс». 1 mol газа стартует при 24.9 L, 300 K, при постоянном давлении.
- Включите показание конечной температуры на камере.
- Задайте целевой (конечный) объём для каждой пробы и запишите конечную температуру и совершённую работу.
3 · Сбор данных
| Конечный объём V₂ (L) | Работа газа W_gas (J) | Конечная температура T₂ (K) |
|---|---|---|
| 32.43 | ||
| 39.91 | ||
| 49.89 |
Постройте конечную температуру T₂ (ось y) против конечного объёма V₂ (ось x) для трёх проб. Линия прямая через начало координат?
4 · Анализ
- Для одной пробы вычислите W_gas = P₁(V₂ − V₁) при P₁ = nRT₁/V₁ = 100 кПа, затем T₂ = T₁·V₂/V₁. Сравните оба значения с таблицей.
- Используя W_gas = P·ΔV, объясните, почему больший рост объёма при том же постоянном давлении означает большую работу газа.
5 · Развитие
- Ваша линия T₂ против V₂ — закон Шарля: при постоянном давлении объём и абсолютная температура прямо пропорциональны. Объясните, почему это напрямую следует из PV = nRT при фиксированном P.
- Часть подводимого при изобарном нагреве тепла идёт в работу (расширение), часть — во внутреннюю энергию. Что получает больше из добавленного тепла у одноатомного газа (f = 3): работа или внутренняя энергия?
Физика этого эксперимента
Изобарная работа
При постоянном давлении работа расширяющегося газа — это просто давление на изменение объёма: W_gas = P·ΔV — площадь прямоугольника под горизонтальной линией на P-V диаграмме.