1. Khảo sát q trình đẳng nhiệt của chất khí. Nghiệm định luật Bơi-lơ -Ma-ri-ốt
1.1. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát sự thay đổi áp suất của một lượng khí xác định theo thể tích của nó trong q trình đẳng nhiệt. Dựa vào kết quả thí nghiệm, phát biểu định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt.
1.2. Cơ sở lý thuyết
Theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt: “Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất p thay đổi tỉ lệ nghịch với thể tích V, tức là:
p 1 pV
V const
Trong thí nghiệm này, ta sử dụng một xilanh có pit-tơng được nối thơng với một áp kế kim loại để khảo sát sự thay đổi áp suất p của lượng khí chứa trong xilanh khi nén hoặc kéo dãn từ từ pit-tơng sao cho thể tích V của lượng khí này tăng hoặc giảm đủ chậm và nhiệt độ của lượng khí hầu như không thay đổi (đẳng nhiệt).
pV của các lần đo khơng đổi trong phạm vi sai số, thì ta có thể rút ra kết luận về định luật Bơi-lơ – Ma-ri-ốt.
Ghi chú: cũng có thể vẽ đồ thị p f (1) V
trong hệ tọa độ p và 1
V. Nếu đường biểu diễn đồ thị này có dạng đường thẳng thì p tỉ lệ với 1
V, hay tích số pV là một đại lượng khơng đổi.
1.3. Dụng cụ thí nghiệm (hình 10)
Bộ thí nghiệm khảo sát các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí gồm:
1. Áp kế, giới hạn đo (0,5 2,0 )x10 Pa , 5 có thanh trượt gắn với pit-tơng và vít hãm ở phía sau.
2. Pit-tơng dùng hút và nén khí trong xi- lanh (mức dầu nhờn trong xi-lanh phải cao hơn 5mm so với các lỗ nhỏ nằm ở phần thân pit- tông).
3. Giá đỡ xi-lanh, có thước đo thể tích của lượng khí chứa trong xi-lanh.
4. Xi-lanh bằng thủy tinh, dùng chứa lượng khí cần khảo sát. 5. Núm cao su, dùng bịt kín đầu xi-lanh.
6. Đế ba chân có vít chỉnh cân bằng. 7. Trụ thép inoc, đường kính Φ10mm. 8. Vít hãm, dùng giữ cố định giá đỡ xi-lanh.
1.4. Lắp ráp thí nghiệm
1. Lắp thiết bị khảo sát các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí lên trụ thép inơc Φ10 cắm trên đế ba chân. Tháo núm cao su ra khỏi đầu dưới của xi-lanh.
2. Nới vít hãm ở phía sau giá đỡ áp kế. Kéo và nén pit-tông lên xuống vài lần để lớp dầu nhờn trong pit-tơng có thể bơi trơn mặt trong của xilanh. Sau đó
1 2 3 4 5 6 7 8 Hình 10
kéo từ từ pit-tơng lên tới vị trí sao cho khối khơng khí chứa trong xi-lanh có thể tích V2 đơn vị trên thước đo của giá đỡ xi-lanh.
3. Vặn nhẹ vít hãm ở phía sau áp kế để giữ pit-tơng đúng ở vị trí này.
Do áp kế được nối thông với khối khơng khí chứa trong xi-lanh qua một ống nhỏ nằm dọc theo trục pit-tơng, nên áp suất khơng khí trong xi-lanh bằng áp suất khí quyển p 1.10 Pa 5 và được đọc trực tiếp trên áp kế.
1.5. Tiến hành thí nghiệm
1. Sau khoảng 2 3 phút, dùng núm cao su nút kín đầu dưới của xi-lanh lại. Ghi số đo thể tích V=2 đơn vị và áp suất p 1.10 Pa 5 của lượng không khí trong xi-lanh vào bảng 1.
2. Nới vít hãm ở phía sau giá đỡ áp kế. Kéo tù từ pit-tơng lên để tăng dần thể tích của lượng khơng khí trong xi-lanh tới các giá trị V = 2,5; 3,0; 3,5; 4,0 đơn vị trên thước đo của giá đỡ áp kế. Sau đó, nén từ từ pit-tơng để giảm dần thể tích của khối khơng khí trong xi-lanh tới các giá trị V 1,75 ; 1,5 đơn vị. Vặn nhẹ vít hãm ở phía sau giá đỡ áp kế để giữ cố định pit-tông ở tại mỗi giá trị cua thể tích V. Ghi số đo áp suất p ứng với thể tích V của khối khơng khí vào bảng 1.
3. Tính và so sánh tích số pV của lượng khơng khí trong xi-lanh đối với mỗi lần đo. Rút ra nhận xét và kết luận.
Chú ý: Khi làm xong thí nghiệm, cần nới vít hãm ở phía sau giá đỡ áp kế, tháo núm cao su ra khỏi đầu dưới của xi-lanh và đẩy pit-tông xuống sát đầu dưới của xi-lanh. Sau đó lại dùng núm cao su nút kín đầu dưới của xi-lanh lại.
1.6. Kết quả thí nghiệm Bảng 1 V 2 1 2,5 3 4 p 5 1.10 2,1.105 0,88.105 0,7.105 0,54.105 pV 2.10 5 2,1.105 2,19.105 2,09.105 2,15.105 1. So sánh giá trị tích số pV của khối khí trong mỗi lần đo (có thể lấy trạng thái ban đầu ứng với thể tích V = 2 đơn vị và áp suất khí quyển p01.10 Pa 1atm5
1.7. Những điểm cần chú ý
1. Để quá trình biến đổi trạng thái của lượng khơng khí trong xi-lanh là đẳng nhiệt, cần phải kéo hoặc nén pit-tông trong xi-lanh đủ chậm, sao cho nhiệt độ của khối không khi hầu như không đổi.
2. Khi tháo núm cao su ra khỏi đầu dưới của xi-lanh, nếu có dầu nhờn chảy ra, thì phải dùng giấy thấm để lau sạch cả núm cao su và đầu xi-lanh.
3. Phải đảm bảo mức dầu trong pit-tông luôn cao hơn 5mm so vớ các lỗ nhỏ ở phần thân pit-tông. Nếu cần, dùng ống bơm thuốc tiêm để bơm thêm dầu nhờn qua lỗ hở ở phần giữa của thân pit-tông.
4. Không cầm dốc ngược dụng cụ này để tránh dầu nhờn chảy vào áp kế qua ống nhỏ của thân pit-tông.
2. Khảo sát q trình đẳng tích của chất khí. Nghiệm định luật Sác-lơ
2.1. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát sự thay đổi áp suất của một khối khí theo nhiệt độ trong q trình đẳng tích. Dựa vào kết quả thí nghiệm, phát biểu định luật Sác-lơ.
2.2. Cơ sở lí thuyết
Theo định luật Sác-lơ. “Trong q trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối”. Tức là:
p T p T
hằng số
Trong thí nghiệm này, ta sử dụng một xi-lanh có pit-tơng được nối thơng với một áp kế kim loại để khảo sát sự thay đổi áp suất p của lượng khí chứa trong xi-lanh theo nhiệt độ sao cho thể tích V khơng thay đổi (đẳng tích).
Sau đó dựa vào kết quả đo p và T để tính giá trị của thương p
T . Nếu tích thương p
T của các lần đo khơng đổi trong phạm vi sai số, thì ta có thể rút ra kết luận về định luật Sác-lơ.
2.3. Dụng cụ thí nghiệm (hình 11)
1. Áp kế, giới hạn đo ( 0,5 2,0 )x10 Pa , 5 có thanh trượt gắn với pit-tơng và vít hãm ở phía sau.
2. Pit-tơng dùng hút và nén khí trong xilanh (mức dầu nhờn trong xi-lanh phải cao hơn 5mm so với các lỗ nhỏ nằm ở phần thân pit-tơng).
3. Giá đỡ xi-lanh, có thước đo thể tích của lượng khí chứa trong xi-lanh.
4. Xilanh bằng thủy tinh, dùng chứa lượng khí cần khảo sát.
5. Núm cao su, dùng bịt kín đầu xi-lanh. 6. Đế ba chân có vít chỉnh cân bằng.
7. Trụ thép inoc, đường kính Φ10mm. 8. Vít hãm, dùng giữ cố định giá đỡ xi-lanh. 9. Nhiệt kế 0 100 C 0 .
10. Bình đun nước.
2.4. Tiến hành thí nghiệm
1. Đặt nhiệt kế 0
0 100 C sao cho bầu của nó nằm ngang với phần gần đầu dưới của xi-lanh, giam khối khơng thí có thể tích V = 2 đơn vị trong xi-lanh. Vặn nhẹ vít hãm ở sau giá đỡ áp kế để giữ cố định pit-tơng tại vị trí này. Dùng núm cao su nút chặt đầu dưới của xi-lanh để đảm bảo điều kiện đẳng tích của khối khơng khí. Ghi nhiệt độ của khối khơng khí ở trạng thái ban đầu (lấy bằng nhiệt độ phòng) và áp suất ban đầu của nó p0 1.10 Pa5 .
2. Nới lỏng vít hãm của giá đỡ thiết bị này và dịch chuyển dọc theo trục inoc Φ10 của đế ba chân để nhúng xi-lanh vào trong bình đun nước sao cho mức nước cao hơn vạch số “4” của thang đo thể tích trên giá đỡ.
3. Khi đun nước nhiệt độ t của nước trong bình tăng, áp suất p của khối khí trong xi-lanh tăng theo. Chờ nhiệt độ của nước tăng lên khoảng 0
15 20 C , thì ngắt điện của bình đun nước, sau khoảng 2 3 phút, nhiệt độ trong bình đạt cân
1 2 3 4 5 7 8 6 9 10 20 Hình 11
trong xi-lanh vào bảng 1.
4. Cấp điện tiếp cho bình đun nước. Thực hiện lại động tác trên thêm hai lần nữa mỗi lần để nhiệt độ của nước tăng thêm 15 20 C 0 . Ghi giá trị của p và t tương ứng vào bảng 1.
Chú ý: Tính nhiệt độ theo thang nhiệt độ Ken-vin (K). 2.5. Kết quả thí nghiệm Bảng 1 V T(K)273 t p(x10 Pa) 5 p T 2 300 1,00 333,3 332 1,10 331,3 359 1,20 334,2 375 1,25 333,3
- Tính và ghi kết quả vào các ơ cịn bỏ trống trong bảng 1.
- So sánh giá trị của tỉ số p
T trong mỗi lần đo (có thể láy trạng thái ban đầu ứng với nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển 5
0
p 1.10 Pa làm chuẩn để so sánh). Trong phạm vi sai số của các phép đo, giá trị của tỉ số này thay đổi hay không đổi.
- Dựa vào các kết quả thí nghiệm, phát biểu định luật Sác-lơ.
3. Thí nghiệm thiết lập phƣơng trình trạnh thái của khí lí tƣởng
3.1. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát mối liên hệ của các thơng số trạng thái (thể tích V, nhiệt độ T, áp suất p), khi cả ba thông số đều thay đổi.
Dựa vào kết quả thí nghiệm thiết lập được phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
2.2. Cơ sở lí thuyết
Theo phương trình trạnh thái của khí lí tưởng khi ta xét lượng khí từ trạng thái 1 (p ,V ,T1 1 1) sang trạng thái 1 (p ,V ,T2 2 2) thì các thơng số tạng thái liên hệ với nhau bằng biểu thức:
1 1 2 2
1 2
p V p V pV
T T T hằng số
Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát mối liên hệ của các thơng số trạng thái thể tích V, nhiệt độ T, áp suất p khi cả ba thơng số đó đều thay đổi. Dựa vào kết
quả đo p, V, T để tính giá trị của thương pV
T . Nếu thương số pV
T của các lần đo không đổi trong phạm vi sai số, thì ta có thể rút ra kết luận và đưa ra phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
2.3. Dụng cụ thí nghiệm (hình 12)
1. Áp kế, giới hạn đo ( 0,5 2,0 )x10 Pa , 5 có thanh trượt gắn với pit-tơng và vít hãm ở phía sau.
2. Pit-tơng dùng hút và nén khí trong xilanh (mức dầu nhờn trong xilanh phải cao hơn 5mm so với các lỗ nhỏ nằm ở phần thân pit-tông).
3. Giá đỡ xilanh, có thước đo thể tích của lượng khí chứa trong xilanh.
4. Xilanh bằng thủy tinh, dùng chứa lượng khí cần khảo sát.
5. Núm cao su, dùng bịt kín đầu xilanh. 6. Đế ba chân có vít chỉnh cân bằng. 7. Trụ thép inoc, đường kính Φ10mm. 8. Vít hãm, dùng giữ cố định giá đỡ xilanh. 9. Nhiệt kế 0 100 C 0 .
10. Bình đun nước.
3.4. Lắp ráp thí nghiệm
1. Lắp thiết bị khảo sát các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí lên trụ thép inôc Φ10 cắm trên đế ba chân. Tháo núm cao su ra khỏi đầu dưới của xilanh. 1 2 3 4 5 7 8 6 9 10 20 Hình 12
để lớp dầu nhờn trong pit-tơng có thể bơi trơn mặt trong của xilanh. Sau đó kéo từ từ pit-tơng lên tới vị trí sao cho khối khơng khí chứa trong xilanh có thể tích V2 đơn vị trên thước đo của giá đỡ xilanh. Vặn nhẹ vít hãm ở phía sau áp kế để giữ pit- tơng đúng ở vị trí này.
Do áp kế được nối thơng với khối khơng khí chứa trong xilanh qua một ống nhỏ nằm dọc theo trục pit-tơng, nên áp suất khơng khí trong xilanh bằng áp suất khí quyển p 1.10 Pa 5 và được đọc trực tiếp trên áp kế.
3.5 . Tiến hành thí nghiệm
1. Đặt nhiệt kế 0 100 C 0 sao cho bầu của nó nằm ngang với phần gần đầu dưới của xilanh, giam khối khơng thí có thể tích V = 2 đơn vị trong xilanh. Vặn nhẹ vít hãm ở sau giá đỡ áp kế để giữ cố định pit-tơng tại vị trí này. Dùng núm cao su nút chặt đầu dưới của xilanh để đảm bảo điều kiện đẳng tích của khối khơng khí. Ghi nhiệt độ của khối khơng khí ở trạng thái ban đầu (lấy bằng nhiệt độ phịng) và áp suất ban đầu của nó 5
0
p 1.10 Pa.
2. Nới lỏng vít hãm của giá đỡ thiết bị này và dịch chuyển dọc theo trục inoc Φ10 của đế ba chân để nhúng xilanh vào trong bình đun nước sao cho mức nước cao hơn vạch số “4” của thang đo thể tích trên giá đỡ.
3. Khi đun nước thì nhiệt độ tăng làm cho áp suất cũng tăng theo. Trong mỗi lần đo ta sẽ giữ khối khí trong xilanh có một giá trị không đổi khác nhau ứng với V 2,0;1,5;2,5 đơn vị. Tăng dần nhiệt độ t của nước trong bình, mỗi lần tăng thêm 0
15 20 C . Chờ tới khi nhiệt độ cân bằng. Đọc và ghi các giá trị của áp suất p và nhiệt độ t tương ứng của khối khơng khí trong xilanh đối với mỗi giá trị khơng đổi của thể tích V2,0;1,5;2,5vào bảng 1.
3.6. Kết quả thí nghiệm Bảng 1 T(K)273 t V p(x10 Pa) 5 pV T 300 2,0 1 666,67 320 2,5 0,85 666,95 340 1,5 1,5 666,26
1. Tính và ghi các kết quả vào các ơ cịn bỏ trống trong bảng 1.
2. So sánh giá trị của tỉ số pV
T trong mỗi lần đo đối với khơng khí giam trong xilanh (có thể lấy trạng thái ban đầu ứng với nhiệt độ phịng, áp suất khí quyển p0 1.10 Pa5 và thể tích V = 2 đơn vị làm chuẩn để so sánh). Trong phạm vi sai số của các phép đo, giá trị của tỉ số này thay đổi hay không thay đổi?
3. Dựa vào các kết quả thí nghiệm, phát biểu phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
4. Quan sát các hiện tƣợng bề mặt của chất lỏng. Hiện tƣợng dính ƣớt và khơng dính ƣớt.
4.1. Mục đích thí nghiệm
Quan sát các hiện tượng bề mặt của chất lỏng: hiện tượng dính ướt, khơng dính ướt của chất lỏng, hiện tượng căng bề mặt chất lỏng và hiện tượng mao dẫn. 4.2. Dụng cụ thí nghiệm (hình 13) 1. Bản thủy tinh phẳng. 2. Bản nhôm phẳng, mặt dưới để trần và mặt trên dán nilông. 3. Bản nhựa phẳng. 4. Khung dây đồng, có cán và bên trong có buộc vịng dây chỉ.
5. Cốc nhựa đựng dung dịch xà phòng.
6. Ba ống mao dẫn, có đường kính khác nhau lắp chung trên giá đỡ.
7. Giá đỡ ống mao dẫn.
4.3. Tiến hành thí nghiệm
1. Quan sát hiện tượng dính ướt và hiện tượng khơng dính ướt chất lỏng a. Lau sạch bản thủy tinh. Nhỏ một giọt nước lên mặt bản thủy tinh. Quan sát thấy giọt nước chảy lan ra và bám dính vào mặt bản. Dốc nghiêng bản thủy
6 5 4 3 2 1 7 Hình 13
mặt bản nhôm phẳng để trần hoặc mặt bản nhơm phẳng có dán lớp nilơng mỏng. Quan sát xem mặt bản nào bị nước dính ướt? mặt bản nào không bị nước dính ướt?
Chú ý: Mặt bản nào khơng dính ướt nước thì giọt nước nhỏ xuống mặt của nó sẽ vo trịn lại và bị dẹt xuống (do tác dụng của trọng lực), khi dốc nghiêng mặt bản thì giọt nước sẽ lăn xuống phía dưới.
2. Quan sát hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng
a. Pha xà phòng (nước gội đầu) vào nước sạch đựng trong cốc nhựa để có được dung dịch xà phịng.
b. Cầm cán nhựa của khung dây đồng nhúng ngập nó vào trong dung dịch xà phịng. Sau đó ngấc nhẹ khung dây đồng ra khỏi dung dịch xà phịng. Quan sát thấy tồn bộ mặt vòng dây đồng và vịng dây chỉ nằm trong nó đều bị phủ kín màng mỏng dung dịch xà phịng, khi đó vịng dây chỉ có dạng bất kì.