Hustota plynů - jak ji změřit?

Transkript

1 eletrh náadů učitelů fyziky 9 Hustota lynů - jak ji zěřit? ER SÁDEK, UKÁŠ AWERA edagogická fakulta U, Brno Abstrakt ěření hustoty evných látek a kaalin je běžná laboratorní úloha na řadě škol, nicéně ěření hustoty lynů bývá lčky ooíjeno. ěžkosti totiž jsou zůsobeny jednak absolutní hodnotou hustoty lynů, kdy neůžee zanedbat vztlakovou sílu, jednak závislostí objeu a zejéna tlaku ve stavové rovnici. ro ěření hustoty lynů jse využili etodu ěření oocí vakua a řetlaku vytvořeného oocí kuchyňské sady vakuových dóz, res. hustilky.. Úvod Žáků se ůže zdát, že lynné látky ají zanedbatelnou hotnost. rostředí kole nás je obkloeno vzduche, a že na všechny tělesa ůsobí kroě tíhy i vztlaková síle se často již ooíjí. některých říadech ůže sehrát hustota lynů důležitou roli, hlavně ve srovnání s hustotou vzduchu. uto skutečnost si žáci uvědoují snad u balónků a balónů. Stanovit hustotu lynů je roto složitější záležitost, a oužití běžné etody, jako ři stanovování hustoty evných těles nelze oužít. řísěvku jsou uvedeny různé exerientální etody využívající sníženého nebo zvýšeného tlaku ěřeného lynu v uzavřené nádobě, nebo etody ěření hotnosti ve vakuu.. eoretická východiska Budee-li ít za cíl určit hustotu vzduchu v ístnosti ve škole, tj. za téěř standardních odínek, tj. 5 a, 5 C, a vyjdee-li z definice hustoty, není roblée stanovit (vyezit) obje ěřeného vzduchu, na otíže však narazíe ři stanovení jeho hotnosti. toto říadě neůžee oinout řítonost vztlakové síly (Archiédův zákon). o ůžee obejít buď vytvoření vakua kole nádoby s lyne (vakuu vně) nebo vyčerání lynu z nádoby (vakuu uvnitř). e škole většinou bývá se získání vakua otíž a navíc zvídaví žáci se ohou tát, jak velké vakuu jse vytvořili, zda ta ještě něco vzduchu (lynu) nezbylo. Nezbývá, než si na ooc vzít další vztah ro lyny, ve které se vyskytuje hustota. í nejjednodušší je stavová rovnice. ezee-li stavovou rovnici ve tvaru R, kde R je olární lynová konstanta, olární hotnost, ak vedle hotnosti, objeu, je otřeba stanovit další fyzikální veličiny tlak, telotu. o za ředokladu, že znáe olární hotnost lynu. Nosnou yšlenkou ěření je rovedení ěření za různých tlaků, kdy obtížně stanovitelné fyzikální veličiny z rovnic vyloučíe. o ná zároveň dává ožnost vytvořit 5

2 eletrh náadů učitelů fyziky 9 navíc variantu, kdy do nádoby dodáe další nožství olekul lynu, tí, že vytvoříe řetlak uvnitř nádoby.. eorie a exerient ro jednotlivé varianty. akuu (nízký tlak) vně nádoby Uzavřená láhev s lyne je vložena do reciientu, ze kterého je ostuně čerán vzduch (oocí rotační vývěvy, vodní vývěvy, vakuové uy). latí: Hotnost láhve získáe z ěření na vahách [] - údaj na váze ři otevřené uzávěru, - skutečná hodnota - obje uvnitř nádoby, - obje vnějšího láště uzavřené nádoby Hotnost láhve s uzavřený vzduche (lyne) uvnitř [] - hotnost lynu v nádobě, - hustota vzduchu ři atosférické tlaku Hodnota na disleji váhy, res. v režiu tára ext ro rostředí v reciientu latí [] Dosazení do ředchozího vztahu dostanee [4] o úravě [5] ýhodou ěření je, okud ísto zěření ve dvou bodech [ ; ] a [ ; ], roěříe více bodů a rovedee roložení, v toto říadě říkou., res. [6] 5

3 eletrh náadů učitelů fyziky 9 ak sěrnice ná uožní vyjádřit neznáé araetry lynu v rovnici []. [7] Hustota lynu, kterou títo zůsoben zjistíe, je hustota lynu v okolí tělesa v reciientu (v láhvi ůže být jakýkoliv obsah). ůžee dosadit i atosférický tlak. Obje nádoby ůžee stanovit z vážení vytlačené vody ři onoření láhve do nádoby s vodou. (ozor rysky na oděrných válcích ohou být zatíženy chybou až 5%). Exerient Obr.a,b,c Usořádání exerientu ro jednotlivé říady (v textu) Graf Závislost hotnosti láhve na tlaku uvnitř / vně nádoby Dosazení do vztahu [7] 995a ; hustoty vzduchu a) vzduch b) ro lyny CO a N O ro aktuální atosférický tlak 4,77,5kg ; telota v ístnosti 6 C, dostáváe hodnotu 5

4 eletrh náadů učitelů fyziky 9 Odhadujee, že ři ěření se doouštíe nejistoty ěření do 5%. abelovaná hodnota ro dané odínky (suchý vzduch),6 kg -.. akuu (nízký tlak) uvnitř nádoby Z uzavřené láhve s vakuoetre je ostuně čerán vzduch (oocí rotační vývěvy, vodní vývěvy, vakuové uy). latí: íha láhve s lyne uvnitř a ůsobící vztlaková síla G g FZ g [8] ak naěřená hodnota hotnosti uzavřené láhve s lyne na vzduchu [9] Stavová rovnice uvnitř láhve ři dvou tlacích, res. a o odečtení rovnic: R R R 54 ynesee do grafu a sěrnice ná uožní vyjádřit neznáé araetry lynu ro hustotu v láhvi, o dosazení z [] [] R Jedná se o obdobný vztah, jako v ředchozí říadě [7], avšak tentokrát je ěřena hustota obsahu láhve. Exerient ento říad je éně náročný na rovedení exerientu. áe-li vhodnou transarentní vakuovou nádobu na uchovávání otravin, dostatečné vakuu vytvoříe i oocí vakuové uy. o dosazení do vztahu [] 995a ; ; telotu v ístnosti 6 C dostáváe hodnotu hustoty vzduchu ro aktuální atosférický tlak 4 7,76,4kg [] Odhadujee, že ři ěření se doouštíe nejistoty ěření do 5%. abelovaná hodnota ro dané odínky (suchý vzduch),6 kg -.. řetlak (vysoký tlak) uvnitř nádoby ato situace je obdobná jako v ředchozí říadě. Uzavřená láhev s anoetre je ostuně tlakována vzduche (oocí koresoru nebo hustilky). ýsledný vztah ro výočet hustoty vzduchu á tvar jako vztah [] ři čerání obsahu láhve.

5 eletrh náadů učitelů fyziky 9 R,9kg Odhadujee, že ři ěření se doouštíe nejistoty ěření do 5%. Na rozdíl od říadu., byla telota stlačovaného vzduchu zřejě vyšší než telota okolí, roto je získaná hodnota hustoty enší. ro eventuální řeočet na standardizovanou tabelovanou hodnotu C oužijee stavovou rovnici. 4. Určování hustoty lynů CO a N O Kritériu výběru těchto lynů vychází ze snadné dostunosti, rotože ají využití v doácnosti. Jsou dostuné v alých bobičkách, ve kterých jsou uchovávány v tekuté stavu. Jako nádoba ro ěření se oužije láhev na výrobu sifonu (okud není kovová, ůžee oužít skleněnou, nejlée se závite od šaaňského, jinak bycho byli nuceni ěřit obje a odifikovat vztahy ro výočet), která se řede vyčerá. ze oužít oba říady, kdy je tlak v láhvi vyšší než atosférický, nebo ůžee lyn čerat a dosáhnout nižšího tlaku. ro hodnoty ro hustotu CO 5a ; 4 7,76 CO,8kg o řeočítání na C ; telotu v ístnosti 6 C dostáváe kg CO,. ro hustotu N O N O,89kg o řeočítání na C N O, 7kg. Hodnoty hustoty lynů bývají tabelovány ro C. ro CO ro C a tlak,5ka je tabelovaná hodnota hustoty CO,9769 kg - a hustoty N O,9778 kg -. ředokládaná telota lynů v láhvi o ustálení teloty je 6 C, roto je hodnota ro dané odínky nižší. 5. Závěr řísěvku jse ukázali tři cesty, jak je ožné naěřit hustotu vzduchu s oěrně velkou řesností v odínkách školy. ři ěření je otřeba dbát na dostatečně oalé řiouštění vzduchu do vakua a současně je nezbytné vyčkat na dostatečnou teeraci lynu v láhvi či reciientu. áhev usí být dostatečně tuhá, jak ro řetlak tak i odtlak, v oačné říadě usíe do výočtu zahrnout zěny objeu, které ěření a vyhodnocení zkolikují. Exerient ukazuje na výhodnost využití roložení naěřených bodů říkou a stanovení sěrnice. ento ostu ukazuje žáků osun vyhodnocení exerientu na vyšší vědeckovýzkunou úroveň. iteratura [] NUFFIED FOUNDAION. easuring the density of air [online]. [cit. 4-7-]. Dostuné z: htt:// [] BROŽ, J., ROSKOEC. a AOUCH,. Fyzikální a ateatické tabulky.. vydání. raha: SN,