Eksperimen: Isipadu dan suhu gas berjisim tetap pada tekanan malar (Hukum Charles)

Tujuan

Menyiasat hubungan antara isipadu dan suhu gas berjisim tetap yang dikekalkan pada tekanan malar.

Pemboleh ubah

• Dimanipulasi: Suhu gas, θ
• Bergerak balas: Panjang turus udara terperangkap (berkadar dengan isipadu), L
• Dimalarkan: Tekanan dan jisim gas terperangkap

Radas & bahan

• Tiub rerambut bertutup di satu hujung dengan turus udara terperangkap dan indeks asid sulfurik pekat
• Pembaris
• Bikar berisi air
• Termometer
• Pengacau
• Penunu Bunsen atau plat panas
• Kaki retort dengan gelang getah

Prosedur

1. Ikat tiub rerambut di sebelah pembaris dan rendam dalam bikar berisi air, dengan hujung tertutup di bawah dan indeks asid memerangkap turus udara.
2. Kacau air dan rekod suhu θ dan panjang turus udara L apabila kedua-duanya stabil.
3. Panaskan air perlahan-lahan sambil sentiasa mengacau.
4. Pada setiap beberapa suhu (contohnya 30, 40, 50, 60 dan 70 °C), hentikan pemanasan, kacau, dan rekod θ dan L.
5. Beri masa untuk udara terperangkap mencapai suhu air sebelum setiap bacaan.
6. Rekod θ dan L bagi setiap suhu.

Menjadualkan keputusan

Rekod suhu θ dalam °C dan panjang turus udara L dalam cm (L mewakili isipadu, kerana tiub mempunyai keratan rentas seragam). Kekalkan bilangan tempat perpuluhan yang konsisten.

Graf

Plot L (isipadu, paksi-y) melawan suhu θ dalam °C (paksi-x). Garis lurus, apabila dipanjangkan balik ke L = 0, memotong paksi suhu berhampiran −273 °C (sifar mutlak).

Analisis

Pada tekanan malar, isipadu berkadar terus dengan suhu mutlak (kelvin), maka V / T = pemalar. Ekstrapolasi garis ke isipadu sifar memberikan sifar mutlak pada kira-kira −273 °C.

Haba · Kemahiran graf

Contoh keputusan dan maksudnya

Ini bacaan contoh bagi gas berjisim tetap pada tekanan malar. Panjang L turus udara terperangkap mewakili isipadu kerana tiub rerambut mempunyai keratan rentas seragam.

• θ = 30 °C, L = 25.0 cm
• θ = 40 °C, L = 25.8 cm
• θ = 50 °C, L = 26.6 cm
• θ = 60 °C, L = 27.5 cm
• θ = 70 °C, L = 28.3 cm

Turus udara memanjang secara mantap apabila air dipanaskan, bertambah kira-kira 0.8 cm bagi setiap kenaikan 10 °C, jadi gas mengembang apabila dipanaskan pada tekanan malar. Jika 273 ditambah pada setiap bacaan Celsius untuk mendapat suhu mutlak T, nisbah L/T hampir sama setiap kali, kira-kira 0.083 cm K⁻¹.

Nisbah malar itulah mesej sebenar eksperimen: isipadu berkadar dengan suhu mutlak, bukan dengan nilai Celsius. Perhatikan L tidak berganda apabila θ berganda dalam °C, itulah sebabnya skala Kelvin diperlukan.

Membaca graf dan mencari jawapan

Plot L pada paksi-y melawan θ dalam °C pada paksi-x. Titik-titik terletak pada garis lurus dengan kecerunan positif yang tidak melalui asalan, kerana 0 °C bukan sifar sebenar suhu.

Ambil segi tiga besar menggunakan dua titik yang jauh terpisah pada garis penyuaian terbaik, contohnya (30 °C, 25.0 cm) dan (70 °C, 28.3 cm):

• kecerunan = (28.3 − 25.0) cm ÷ (70 − 30) °C = 3.3 cm ÷ 40 °C = 0.0825 cm °C⁻¹

Kecerunan ini ialah kadar pengembangan turus bagi setiap darjah. Panjangkan garis ke belakang sehingga L = 0; ia memotong paksi suhu berhampiran −273 °C, iaitu sifar mutlak.

Ini mengesahkan V/T = pemalar. Ingat kertas SPM Fizik 4531 tidak membekalkan helaian rumus, jadi anda perlu mengingati hubungan hukum Charles V/T = pemalar sendiri.

Pilih skala paksi yang menyebarkan titik yang diplot melebihi separuh grid, dan lukis garis penyuaian terbaik supaya titik seimbang di kedua-dua belahnya. Jika satu titik jelas tersasar dari garis, anggap ia bacaan terpencil, bulatkannya, dan tinggalkannya semasa melukis garis dan mengambil kecerunan.

Markah yang dicari pemeriksa

Langkah berjaga-jaga yang melindungi keputusan:

• Kacau air secara berterusan supaya suhunya seragam.
• Tunggu udara terperangkap mencapai suhu air sebelum setiap bacaan.
• Kekalkan indeks asid nipis dan pendek supaya tekanan pada gas kekal malar.
• Baca L dan θ pada aras mata untuk mengelakkan ralat paralaks.

Bagi kemahiran proses sains Kertas 3, pemeriksa memberi markah untuk: menyatakan dengan betul pemboleh ubah dimanipulasi (θ), bergerak balas (L) dan dimalarkan (tekanan dan jisim gas); menjadualkan dengan tajuk berunit dan tempat perpuluhan konsisten; memplot sekurang-kurangnya lima titik dengan paksi berlabel dan garis penyuaian terbaik yang licin; dan menggunakan segi tiga besar untuk mencari kecerunan. Nyatakan hubungan dalam perkataan, bahawa isipadu meningkat secara linear dengan suhu, dan sebut ekstrapolasi ke sifar mutlak sebagai kesimpulan anda.

Ulang setiap bacaan dan ambil purata untuk mengurangkan ralat rawak, dan nyatakan jawapan akhir pada bilangan angka bererti yang munasabah dengan unit yang betul. Dalam perbincangan, namakan satu punca ralat berserta penambahbaikan yang sepadan, dan catat bahawa mana-mana titik tersasar diabaikan supaya kesimpulan bersandar pada data yang konsisten.

Sumber: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)