GÁZOK MODELLEZÉSE ÉS VISELKEDÉSÜK

GÁZOK MODELLEZÉSE ÉS VISELKEDÉSÜK

I. Fekete dobozok

A természettudósok gyakran vizsgálnak olyan tárgyakat (jelenségeket), amelyekről csak közvetett módon tudnak ismeretet szerezni. Ilyen például az atomok belseje, a távoli égitestek, az emberi agy, stb. Ezeket a dolgokat közös néven fekete dobozn 353e45d ak szokták nevezni. Nem tudják felnyitni a "dobozt", csak annak viselkedését figyelhetik meg.

Eszközök, anyagok: Zörgő fekete doboz, elektromos fekete doboz, zsebtelep, zseblámpaizzó foglalatban, három darab krokodilcsipesz, három huzal.

I.1.Kísérletek "zörgetős" fekete dobozzal.

1.     feladat:

a)       Vegye kézbe a dobozt! (Ebben a dobozban néhány babszem van.) Feladata, hogy zörgetés segítségével találja ki, van-e valahol akadály a dobozban. Ha van, az hol és hogyan helyezkedik el?

Például, ha az alábbi vázlatot készíti el, az azt jelenti, hogy az A oldaltól a C oldalig a golyók ütközés, zörgés nélkül jutnak el (és vissza), tehát itt nincs akadály, amíg a B oldaltól a D oldalig koccanást hallunk, de csak akkor, ha az S oldal kicsit magasabban van, mint a C.

Kezdje el zörgetni a saját dobozát, és megfigyelései alapján készítsen vázlatot (modellt) a doboz belső felépítéséről!

b)       Modellje alapján jósolja meg, hogy más irányba döntve a dobozt, hogyan fognak mozogni a babszemek! Ellenőrizze jóslatát!

Ha az újabb megfigyelések nem egyeznek meg a doboz belsejéről készített vázlatával, akkor módosítsa a vázlatot, illetve készítsen új modellt! Ellenőrizze a modellt további megfigyelésekkel!

2.     feladat

Cseréljen a szomszédjával fekete dobozt, ezt a dobozt is vizsgálja meg (zörgetés, jóslat, modellrajz, jóslat, ellenőrzés)!

3.     feladat

Hasonlítsák össze ugyanarról a dobozról készített modelljeiket! Ha nem egyforma a két modell, el lehet-e dönteni, melyik a jobb, hogyan?

I.2. Kísérletek elektromos fekete dobozzal.

1.     feladat

a)       Készítsen zárt áramkört a telep, az izzó és a vezetékek felhasználásával! (Ha jók az eszközök, a lámpa világít!)

b)       Vegye elő az elektromos fekete dobozt! Ebben a dobozban némelyik kivezetés fémhuzallal van összekötve. Azt kell kiderítenie, hogyan.

III. Gázok modellezése

a)       Öntsön az üres tálcára babszemeket! Jól modellezi-e a sarokban "kucorgó" babszemek halmaza a gázokat? Ez a modell egyáltalán nem használható, hiszen a 2. feladatban említett tulajdonságok egyikét sem magyarázza (nyomást fejt ki, részecskéi nagy sebességgel mozognak, a gáz kitölti a rendelkezésre álló teret, összenyomható, különböző gázok keverednek)

b)      Rázogassa vízszintesen a tálcát! Jobb modell-e így a babszemek halmaza a gázok viselkedésére, mint az előző? Ez a modell valamivel jobb, de még nem az igazi.

c)       Rázogatás közben seperje vonalzóval a babszemeket a tálca egyik felébe! Ezzel melyik gázzal végzett kísérletet modellezi? Ezzel a gáz összenyomását szemléltethetjük.

d)      Az előbbi modellkísérletek alapján találjon ki olyan modellt, amely alkalmas arra, hogy a gázok ön által ismert valamennyi tulajdonságát modellezze! Egy légpárnás asztal műanyag korongokkal már alkalmas az ideális gáz tulajdonságainak bemutatásához. A sebesség a levegő befújásának erősségével szabályozható, látható a részecskék nagysebességű mozgása, a rendelkezésre álló tér kitöltése, az összenyomhatóság, a porszemek tánca pedig egy nagyobb korong behelyezésével modellezhető.

e)       Hogyan lehetne ezzel a modellel két gáz keveredését bemutatni? Különböző nagyságú, tömegű a és színű korongokat kell elhelyezni az asztal két oldalán, majd elindítani a levegő befújását.

IV. A gáz nyomása

2.     A következő kísérletek segítenek, hogy olyan modellt alkosson, amely a gázok eddig megismert valamennyi tulajdonságát magyarázza.

a)       Ejtsen a levélmérleg tányérjára egy pingponglabdát! Figyelje a mutatót! Jegyezze fel tapasztalatait! A mutató kilendül, majd visszatér eredeti helyzetébe.

b)       Ütögesse a pingponglabdával finoman és sűrűn a mérleg tányérját! Eközben figyelje a mutatót! Ismételje meg az ütögetéseket hevesebben! Írja le, mit tapasztalat! Ha elég gyorsan ütögetem, a mutató kitérése felvesz egy állandó értéket. Minél gyorsabban és nagyobb erővel ütögetem annál nagyobb ez a kitérés.

c)        Keressen a gáztulajdonságok között olyat, amit meg lehet magyarázni az előbbi kísérlettel! Gáz nyomása.

3.     Óvatosan vegye kezébe a Melde-csövet! (Ne mozgassa, forgassa hirtelen mozdulattal, mert a higanyszál elszakadhat!) Vigyázat! A higanynak még a gőzei is mérgezőek, ezért ha véletlenül eltörik a cső, és kifolyik a higany, azonnal szórjon rá kénport, és gyűjtse össze az elgurult cseppeket! Feltétlenül szóljon a tanárának!

Az alábbiakban a Melde-csőbe zárt levegő térfogatát és nyomását fogja megmérni a cső különböző helyzeteiben. Írja fel a mérési adatokat a füzetébe!

a)       Helyezze a csövet vízszintesen az asztalra! Mérje meg a bezárt levegőoszlop hosszát! l₁=79,8cm. (A a cső belső keresztmetszete, tehát V₁=l₁A. Az A értékét nem mérjük, illetve számoljuk ki, hátha nem is lesz szükség pontos ismeretére.) Mekkora a cső vízszintes helyzetében bezárt levegő nyomása? (Mi történne a higanyoszloppal, ha a bezárt levegő nyomása nagyobb lenne, mint a külső légnyomás? És ha kisebb lenne?) A bezár levegő nyomása egyenlő a külső nyomással, hiszen a higanycsepp nyugalomban van. Ha a belső nyomás nagyobb lenne a külsőnél, a higanycsepp a cső szája felé indulna, ha kisebb, akkor pedig befelé mozdulna el.

A fenti gondolatmenet alapján a bezárt levegő nyomása: p₁=p_k=.Hgcm.

b)       A csövet lassan fordítsa függőleges helyzetbe úgy, hogy a nyitott vége legyen fent! A bezárt levegőoszlop hossza l₂=79,2cm. A bezárt levegő térfogata: V₂=l₂A..cm*A. Ebben az esetben a bezárt levegőt a külső légnyomáson kívül a higanyoszlop is nyomja. Mérje le a higanyoszlop hosszát! l_Hg=0,6cm. Ennek a higanyoszlopnak a nyomása: p₂=0,6.Hgcm. A bezárt gáz nyomása: p₂=p_k+p_Hg=...Hgcm.

c)        Fordítsa a csövet függőleges helyzetbe, nyitott végével lefelé! (Ne féljen, a higany nem folyik ki. Hogy miért, arra hamarosan rájön.) Mérje meg így a bezárt levegő hosszát! l₃=80,4cm. A bezárt levegő térfogata: V₃=l₃A=.cm*A. Most a külső levegőnek kell egyensúlyt tartani a bezárt levegő és a higanyoszlop együttes nyomásával: p_k=p₃+p_Hg. A bezárt levegő nyomása: p₃=p_k-p_Hg=..Hgcm. (A higanyoszlop hossza nem változott meg, így a nyomása sem!)

d)       Képezze a 3.a)3.b)3.c) feladat adataival a pv szorzatot!

p₁V₁=A*.cm Hgcm;

p₂V₂=A*.cm Hgcm;

p₃V₃=A*.cm Hgcm;

e)       Készítse el a p-V-grafikont!

f)        Képezze a következő hányadosokat!

g)       Milyen értékek körülingadoztak a fenti hányadosok? Mit tud megállapítani p₁V₁ és p₂V₂, p₁V₁ és p₃V_3, illetve p₂V₂ és p₃V₃ viszonyáról?

h)       Mérése és számítása alapján milyen arányosság áll fenn a gáz térfogata és nyomása között?

i)         Az előbbi mérések közben változott a gáz nyomása és térfogata. És a bezárt levegő tömege? Részecskeszáma?

j)         Vegye elő újra a Melde-csövet, helyezze ismét vízszintesen az asztalra! Dörzsölje meg alaposan az üveget a bezárt levegő felett! Mit érez?

Végezze el a 3.a) feladat méréseit!

Hasonlítsa össze a p₁V₁ és a  értékeket! Tapasztalatairól ne feledkezzen meg, még szüksége lesz rájuk.

V.2 A légnyomás meghatározása Melde-féle csővel

A mérés fizikai alapjairól

A Boyle-Mariotte-törvény alapján a Melde-féle csővel a légnyomás is meghatározható. A törvény értelmében a zárt térben lévő adott tömegű és állandó hőmérsékletű gáz nyomásának és térfogatának szorzata állandó:

Alkalmazza a Boyle-Mariotte törvényt a Melde-csőbe zárt levegőre, a cső két különböző helyzetében (ábra).

Mivel a keresztmetszet (A) a cső mindkét helyzetében azonos, az egyenletben A-val egyszerűsíthető:

A csőbe zárt levegő nyomását tetszőleges helyzetben, torr-ban a p=p₀-h₀cos összefüggés adja. Így:

A szorzás elvégzése és az egyenlet rendezése után a külső légnyomásra adódik:

.

Eszközök:

Melde-féle cső, vonalzó (vagy mérőszalag).

A mérés menete:

A Melde-féle csövet állványával helyezze az asztal szélére, hogy könnyen elforgatható legyen. A csövet először állítsa függőleges helyzetbe, nyitott végével lefelé (₁=0°). Ebben a helyzetben mérje meg a higanyoszlop hosszát (h₀), majd az elzárt levegőoszlop hosszúságát is (h₁). Az eredményeket rögzítse táblázatban!

Ezután forgassa el a csövet úgy, hogy függőleges helyzetben, nyitott végével felfelé álljon, és így mérje meg a higannyal elzárt levegőoszlop hosszát (h₂). Jegyezze fel az eredményt!

A továbbiakban ismételje meg a mérést úgy, hogy ₁=60°, majd ₂=120° legyen. Az így kapott mérési eredményeket is rögzítse táblázatban.

Eredményeiből számítsa ki a külső légnyomást (p₀).

Mérési eredmények: