Ισόθερμη μεταβολή - Νόμος Boyle -...

1

Αντώνιος Αλεξ.Κρητικός

ΣΧΕΔΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Διδάσκων καθηγητής: Αντώνιος Αλεξ. Κρητικός

Τάξη : Β

Μάθημα : Φυσική Κατεύθυνσης

Ενότητα : ΝΟΜΟΙ ΙΔΑΝΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ: ΙΣΟΘΕΡΜΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ – ΝΟΜΟΣ BOYLE ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ Οι μαθητές/τριες να μπορέσουν:

1. να διαπιστώσουν την αντίστροφη αναλογία μεταξύ όγκου και πίεσης ποσότητας ιδανικού αερίου, όταν η θερμοκρασία του διατηρείται σταθερή.

2. να κατανοήσουν τον ρόλο της αρχικής θερμοκρασίας ως παράμετρος στην ισόθερμη μεταβολή.

3. να μελετήσουν την ισόθερμη μεταβολή με επεξεργασία των γραφικών παραστάσεων P-V, V-T, P-T.

4. να σχηματίσουν αποτελεσματική νοητική εικόνα για την μικροσκοπική συμπεριφορά του ιδανικού αερίου. Θεωρητική υποστήριξη: α) ορισμός ισόθερμης μεταβολής- Νόμος Boyle ως περίπτωση της καταστατικής εξίσωσης των ιδανικών αερίων. (Δες σ.9 βιβλίου Ο.Ε.Δ.Β.) β) ορισμός κατάστασης θερμοδυναμικής ισορροπίας ποσότητας αερίου. (Δες σ.37 βιβλίου Ο.Ε.Δ.Β.) γ) ορισμός αντιστρεπτής μεταβολής (Δες σ.37 βιβλίου Ο.Ε.Δ.Β.) δ) στοιχεία κινητικής θεωρίας (Μεθοδολογία Στατιστικής Φυσικής)

2


ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ συμπεριφορά αερίου Μακροσκοπικές μεταβλητές: P, V, T

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ συμπεριφορά αερίου

Παραδοχές που αφορούν την συμπεριφορά και την δομή των μορίων του αερίου

Εφαρμογή των Νόμων της Μηχανικής στα μόρια

Αποτελέσματα κινητικής θεωρίας. (Δες σ.15 βιβλίου Ο.Ε.Δ.Β)

Περιβάλλον

Εικονικό εργαστήριο Θερμοδυναμικής το οποίο έχει εγκατασταθεί . http://intro.chem.okstate.edu/NSFCCLI/GasLaw/GLP.htm

Αναγνώριση – χειρισμός – εξοικείωση των μαθητών κάθε

ομάδας με το περιβάλλον της προσομοίωσης

Με το άνοιγμα της εφαρμογής θα εμφανισθεί στην οθόνη σας το τμήμα της Εικόνας 1 που ονομάζεται Control Bαr Region.

3


Control Bar Region

Gas Sample Region

Graphing Region

4


Εικόνα 1

Η περιοχή Gas Sample Region αποτελείται από ένα δοχείο με έμβολο που περιέχει αέριο. Η συμπεριφορά του δείγματος αερίου ελέγχεται από την περιοχή Control Bαr Region η οποία έχει 5 συρόμενες μπάρες: P(atm), V(L), n (mol για αέριο He), n (mol για αέριο Ne), T(K).

Αριστερά κάθε μπάρας υπάρχει ένα λευκό κουμπί ραδιοφώνου. Η μπάρα που επιλέγεται με κουκίδα στο κουμπί, π.χ. η Ρ θεωρείται εξαρτημένη μεταβλητή και η τιμή της υπολογίζεται από τις υπόλοιπες.

Επιχειρήστε να σύρετε κάθε μια από τις υπόλοιπες μπάρες V, n ( He), n (Ne), T για να δείτε τις επιδράσεις στο αέριο και στην τιμή της Ρ. Αυτά τα αποτελέσματα θα μελετήσουμε λεπτομερώς στο φύλλο εργασίας.

Ακριβώς κάτω από τις μπάρες υπάρχουν 3 κουμπιά: Pause, Reset, Enable Tracking.

Το κουμπί Pause «παγώνει» την κίνηση των μορίων του αερίου. Το κουμπί Reset επαναφέρει το πρόγραμμα στην αρχική του κατάσταση. Το κουμπί Enable Tracking επιδεικνύει μια τεθλασμένη κόκκινη γραμμή που είναι η

5


τροχιά του μορίου του αερίου που φέρει κόκκινο στίγμα. Αν θέλεις να δεις την τροχιά ενός άλλου μορίου πατάς Pause, κάνεις κλικ στο μόριο που επέλεξες και Resume. Κάτω από το Pause υπάρχει το κουμπί Velocities που περιέχει ένα μενού με 3 επιλογές: Velocities, Relations, Help.

Η επιλογή Velocities επιδεικνύεται στην Εικόνα 2 και απαιτεί μεγαλύτερη εμβάθυνση αφού σχετίζεται με την κινητική θεωρία.

Εικόνα 2

Εικονίζεται το ραβδόγραμμα των ταχυτήτων των μορίων του αερίου δείγματος. Ο άξονας y αντιπροσωπεύει τον αριθμό των μορίων Ν(υ) των οποίων οι ταχύτητες βρίσκονται γύρω από μια τιμή υ(υ±dυ), ενώ ο άξονας x δείχνει το εύρος των ταχυτήτων υ. Η γραφική παράσταση αντιπροσωπεύει την καμπύλη κατανομής των ταχυτήτων του αερίου, ενώ η κατακόρυφη γραμμή μας δείχνει την ενεργό ταχύτητα του αερίου (υrms). Το κόκκινο χρώμα της κατανομής ταχυτήτων δείχνει την ταχύτητα του μορίου με το κόκκινο στίγμα στο Gas Sample Region.

Μπορούμε να παρατηρήσουμε πως συμπεριφέρεται η καμπύλη κατανομής των ταχυτήτων, όταν αλλάζουμε τις μεταβλητές του Control Bαr Region. ( Επειδή

6


αυτή η διερεύνηση είναι εκτός διδακτέας ύλης να γίνεται μόνον εάν υπάρξει διέγερση ενδιαφέροντος των μαθητών).

Μια δεύτερη επιλογή του μενού είναι η Relations. Με αυτήν εμφανίζεται ορθογώνιο σύστημα αξόνων xy στο οποίο τοποθετούμε τις μεταβλητές που μας ενδιαφέρουν. Έστω ότι ενδιαφέρομαι για διάγραμμα P-V. Κάνοντας κλικ στο Enable ενεργοποιούνται οι συγκεκριμένες μεταβλητές στο Control Bαr Region. Έτσι σύροντας την μπάρα του V ιχνηλατείται το παρακάτω διάγραμμα για προκαθορισμένη KT 400 .

Εικόνα 3

Με το κουμπί Multiple επιτρέπεται ο σχεδιασμός 2 ή περισσοτέρων καμπύλων στο ίδιο διάγραμμα:

Multiple Disable από την μπάρα της T αλλάζετε την θερμοκρασία σε KT 200 Enable σύρετε την μπάρα του V, οπότε ιχνηλατείται νέο γράφημα P-V όπως στην Εικόνα 4.

7


Εικόνα 4

8


ΙΣΟΘΕΡΜΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ – ΝΟΜΟΣ BOYLE

ΦΥΛΛΟ ΟΔΗΓΙΩΝ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ

ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΑ ΟΜΑΔΑΣ

1……………………………………….

2……………………………………….

3……………………………………….

Α) Με ανοικτή την προσομοίωση για να εμφανίζεται η δραστηριότητα του αερίου να αναπτύξετε μια σύντομη περιγραφή της δραστηριότητάς του χρησιμοποιώντας τους όρους: σωματίδια, άτομα, μόρια, συγκρούσεις, ταχύτητα, ενέργεια, δύναμη.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Β) Με το κουμπί Enable Tracking εμφανίζεται η τροχιά του μορίου που φέρει το κόκκινο στίγμα. Αν θέλεις την τροχιά άλλου μορίου:

Pause κλικ στο μόριο που επιλέγεις Resume

Σχεδίασε την τροχιά του μορίου που επέλεξες από το ένα τοίχωμα του δοχείου στο άλλο. Να ερμηνεύσεις τις αλλαγές στην ταχύτητα του μορίου από την τροχιά που σχεδίασες.

9


Γ) Καθόρισε την πίεση σαν εξαρτημένη μεταβλητή με την μαύρη κουκκίδα που υπάρχει στο κουμπί της. Για 1n mol He να καταγράψεις τις τιμές των μεταβλητών (P, V, T) και να υπολογίσεις την παγκόσμια σταθερά των αερίων. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Διατηρώντας σταθερή την θερμοκρασία σε όποια τιμή θέλεις στην περιοχή από

K25 έως K400 και για ποσότητα αερίου He 5n mol , σύρε την μπάρα του όγκου και παρατήρησε την πίεση. Υπολόγισε για δύο ζεύγη τιμών (Pi ,Vi ) το γινόμενό τους. Τι παρατηρείς; ………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………….. Δ) Για 5n mol He σε KT 5,202 συμπλήρωσε τον πίνακα παρατηρήσεων. Να σχεδιάσεις την γραφική παράσταση P-V στο μιλιμετρέ .

)(atmP )( LV

10


Ε) Με ίδιο σύστημα αξόνων, να επαναλάβεις την διαδικασία Δ) για 5n mol He σε KT 35 . Τι συμπεραίνεις;

…………………………………………………………………………………….

Ανάτρεξε από το μενού Relations στην εμφάνιση σε κοινό διάγραμμα P-V των δύο γραφικών παραστάσεων για να ελέγξεις τα αποτελέσματά σου. Ακόμη, να γίνει έλεγχος αντιστρεπτότητας πραγματοποιώντας τη μεταβολή αντίστροφα.

Ζ) Να επαναλάβεις την διαδικασία Ε) για 1n mol He σε KT 5,202 και για 7n mol He σε KT 5,202 .

)(atmP )( LV

11


Συζητήστε τα αποτελέσματα των διεργασιών Ζ), Ε). ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Η) Από τα δεδομένα της διαδικασίας Δ) να συμπληρωθεί ο παρακάτω πίνακας και να γίνει η γραφική παράσταση στο μιλιμετρέ. Επιβεβαίωσε το γράφημα από το μενού Relations.

)(atmP )(1 1LV

12


Θ) Από τον πίνακα P-V της διαδικασίας Δ) να συμπληρώσεις τους πίνακες και να σχεδιάσεις στο μιλιμετρέ τις γραφικές παραστάσεις P-Τ και V-Τ. Να επαναλάβεις για την περίπτωση 5n mol He σε KT 35 και οι γραφικές παραστάσεις P-Τ , V-Τ να γίνουν σε κοινά διαγράμματα με τα παραπάνω.

και

)(atmP )(KT

)(LV )(KT

13


Ι) Ερεύνησε τώρα την συμπεριφορά μίγματος δύο αερίων He και Ne. Στο Control Bαr Region καθόρισε με την μαύρη κουκκίδα την πίεση σαν εξαρτημένη μεταβλητή και χρησιμοποίησε δοχείο όγκου LV 4,22 θερμοκρασίας KT 25,275 . Να εισάγεις 11,41 n mol He και 52 n mol Ne. Ποια είναι η τιμή της πίεσης Ρ του μείγματος ; Αφαίρεσε όλο το He , ποια είναι η πίεση του Ne., Ρ2=;. Να επανεισάγεις όλο το He και αφαίρεσε όλο το Ne. Ποιά είναι τώρα η πίεση του He, Ρ1=; Γράψε τη σχέση που συνδέει τις πιέσεις. Πως ονομάζεται αυτός ο νόμος;

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Κ) Να συζητηθούν τα αποτελέσματα του φύλλου εργασίας της ομάδας σας με τα αντίστοιχα των υπολοίπων ομάδων της τάξης. Ανακεφαλαίωση.

Ισόθερμη μεταβολή - Νόμος Boyle -...

Documents

Transcript of Ισόθερμη μεταβολή - Νόμος Boyle -...