试验五气体三定律及气态方程的验证

实验五 气体三定律及气态方程的验证

实验目的 1．验证气体三定律及气态方程。

2．测定气体的普适常数R 。

实验仪器

气体定律实验仪，温度计，气压计（共用），交直流电源（DC6～9V ，AC24V ）。 实验原理

1．气体三定律及气态方程

一定质量的理想气体，当温度保持不变时，遵从玻意耳——马略特定律，即 p 1V 1＝p 2V 2＝ … ＝恒量

当体积保持不变时，遵从查理定律，即

===L 2

211T p T p 恒量 当压强保持不变时，遵从盖吕・萨克定律，即

===L 2

211T V T V 恒量 一定质量的理想气体，当三个状态参量都变化时，可满足气态方程

nR T V p T V p ===L 2

22111 （3－5－1） 式中n 为气体摩尔数；R 为气体普适恒量。在常温常压下，空气近似遵从以上三个定律和气态方程。由（3－5－1）式中可得

nT

pV R =

（3－5－2） 式中n 的数值可按如下的方法求得，在标准状况下（p 0＝760mmHg 、T 0＝273.15K ），1mol 气体的体积为V 0＝22.4×103cm 3，n mol 气体的体积为n V 0；

当温度变为T ′，压强仍为标准状态下的数值时，根据盖吕・萨克定律n mol 气体的体积为 00T T nV V ′=′ （3－5－3） 00V T V T n ′′= （3－5－4） 2．气体定律实验仪的结构和原理

本实验用的气体定律实验仪器如图3－5－1所示。它主

要由定压气体温度计、控温线路和体积压强测量计三部分组

成。仪器整体固定在一块支撑木板上，并装入一长方形木匣

里。使用时，打开木匣，竖立起支撑木板，然后安装调试。

（1）定压气体温度计

它由图中的直角玻璃管1组成，竖直部分的底端封闭，水平部分的2是水银滴，3是注入水银的小口，2的左侧与大气相通，右侧则构成密闭容器，当密闭容器内的气体受热膨胀时，推动水银滴2向左移动，其右侧压强p1与左侧大气压强p0相等（p1＝p2）时，水银滴停止移动。降温时，密闭容器内气体收缩，使水银滴向右移动，两侧压强相等时，又停止移动。

在整个测温过程中，密闭容器中的气压始终与大气压p0相等，而每一温度值，表现为水银滴的一个特定位置。

由于水平控温玻璃管上没有设置刻度，所以实验时必须与其它温度计6配合使用，把密闭容器1与温度计6一并插入水中，当温度指示为20℃，则水银滴的停留位置可标记为20℃。

（2）控温线路

它由电热丝R、继电器J、接触针头M、N及指示灯5等部件组成。当接通24V交流电源开关时，电热丝R通过继电器J的常闭触点J1接入电源开始加热，同时指示灯5亮。随着温度升高，气体温度计的水银滴2在左移。温度升到某一温度t时，水银滴和触头M、N接触，使继电器J线圈组电路导通（继电器线圈绕组电路接有6～9V直流电源），继电器J做出闭合的动作，常闭触点J1断开，指示灯灭，加热停止。当温度下降时，水银滴向右移动，一旦离开M、N时，继电器绕组电路就被切断，继电器复位，常闭触点J1再次闭合，电热丝R导通加热。由此可见，控温电路便可达到自动控温的目的。在实验中，调节接触针头的旋钮4，使接触针头M、N置于不同的位置上，就能控制得到不同的温度。

（3）体积压强测量计

在图3－5－1中，体积压强测量计是由一支带气阀门11的长玻璃管13，通过橡胶管15联接着一个长颈漏斗和管14，构成U形管。可以把水银由长颈漏斗14中注入。

当管13的气阀门11打开时，U形管子的两端均与大气相通，两端水银面相平，其高度差Δh为零。

当管13的气阀门11关闭时，将管14提高，管13内空气被压缩，空气柱变短，体积减小，气压增加到p。这时，p与大气压强p0之差等于管14和管13水银面高度差Δh ＝p－p0。当把管14降低时，则p < p0，Δh为负值。

管13外套的粗玻璃管是盛水管，内装有电热丝R。水被加热时，热量也传递给管13内的气柱，达到平衡时，空气柱的温度与水的温度相同。这样通过测量U形管子水银面的高度差Δh，（可由管14右侧的标尺读出），可以确定封闭在管13中气柱的压强p；通过测量空气柱长度L（可由设在管13旁侧的标尺读出），可以确定气体的体积；通过插入在水中的温度计6测出的水温，用来确定气柱的温度t 。因此，我们就可以研究密闭在管12中的气体的压强p，体积V和温度T三者之间的关系。

实验内容

1．安装和调试仪器

（1）把仪器测量部分竖立起来，在管13的气阀门11上面涂上一薄层凡士林，以

免实验中漏气。

（2）把装水管子下出水口关闭，从上进水口漏斗10注入净水。使水面升到距离橡胶塞子约1cm处。

（3）把气阀门11打开，将管14的上面管口用固定螺丝9固定在标尺上约30cm处，从管14上口注入水银，使水银面升高到标尺20cm处。等待两个管子内的水银面水平后，关闭气阀门11。

（4）开启橡皮帽3，用吸管从注水银的开口处注入水银，在水银柱的长度约1cm 时，将水银柱调整到控温玻璃管上标有t0的位置。塞好橡皮帽，勿使此处漏气。

（5）把温度计插入盛水管中，将整个控温臂水平地装在标尺板上。连接控温线路，并进行校准。校准完毕后再进行实验。

2．验证玻意耳—马略特定律

不加热，在常温下慢慢升降管4，记录下每一次对应的气柱长度L和水银面高度差Δh，测得6组数据进行实验。

3．验证查理定律

通电加热，保持管13中气柱长度L值不变，测得T（可用定压气体温度计测也可用温度计直接读出）以及相应的p值。共测量6组数据。

4．验证盖吕萨克定律

通电加热后，慢慢调节管14，使管13的水银面取齐（Δh＝0），即压强不变，测出6组数据。

5．验证理想气体状态方程

调节管14，使管13 和14的两水银面等度。通电加热气柱，在每一特定的温度T 下测定空气柱的p、V值。测出3组即可验证。

6．测定气体普适常数R

调节管14，使管13和14的两水银面取齐。通电加热气柱，保持气柱的气压不变，等于大气压强p0（p0由气压计读出），测三次进行计算。

数据处理

1．根据步骤2～4中测得数据分别作出p～V图、p～T图、V～T图。

2．根据步骤6中测得的数据，利用（3－5－3）式算出摩尔数n，并取平均值，再利用（3－5－1）式，算出R值。

思考题

1．气体三定律各自成立的条件是什么？本实验中如何在操作上予以保证？

2．实验过程中如何判断系统水温已稳定？

3．本实验中有哪些因素会对实验结果产生影响？分析造成误差的主要原因。