Eksperimen: Tekanan dan suhu gas berjisim tetap pada isipadu malar (Hukum Tekanan)

Tujuan

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

Pemboleh ubah

• Dimanipulasi: Suhu gas, θ
• Bergerak balas: Tekanan gas, P
• Dimalarkan: Isipadu dan jisim gas terperangkap

Radas & bahan

• Kelalang dasar bulat berisi udara kering
• Tolok tekanan Bourdon
• Bikar berisi air
• Termometer
• Pengacau
• Penunu Bunsen atau plat panas
• Tiub penyambung pendek
• Kaki retort

Prosedur

1. Sambungkan kelalang berisi udara kering ke tolok Bourdon dengan tiub pendek, dan rendam kelalang sepenuhnya dalam bikar berisi air.
2. Kacau air dan rekod suhu θ dan tekanan tolok P apabila kedua-duanya stabil.
3. Panaskan air perlahan-lahan sambil sentiasa mengacau.
4. Pada setiap beberapa suhu, hentikan pemanasan, kacau, dan rekod θ dan P.
5. Beri masa untuk udara dalam kelalang mencapai suhu air sebelum setiap bacaan.
6. Rekod θ dan P bagi setiap suhu.

Menjadualkan keputusan

Rekod suhu θ dalam °C dan tekanan gas P (contohnya dalam kPa). Anda boleh menambah lajur suhu mutlak T dalam K (T = θ + 273).

Graf

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

Analisis

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

Haba · Kemahiran graf

Contoh keputusan dan maksudnya

Ini bacaan contoh bagi udara kering berjisim tetap dalam kelalang berisipadu malar, disambung ke tolok Bourdon.

• θ = 30 °C, P = 101 kPa
• θ = 40 °C, P = 104 kPa
• θ = 50 °C, P = 108 kPa
• θ = 60 °C, P = 111 kPa
• θ = 70 °C, P = 114 kPa

Tekanan meningkat secara mantap apabila mandian air memanaskan kelalang, bertambah kira-kira 3.3 kPa bagi setiap kenaikan 10 °C. Isipadu tetap, jadi perlanggaran molekul udara panas yang lebih laju dan lebih kuat dengan dinding kelalang menaikkan tekanan. Menambah 273 pada setiap nilai Celsius untuk mendapat suhu mutlak T menunjukkan P/T kekal hampir malar, kira-kira 0.33 kPa K⁻¹ setiap kali.

Nisbah malar itulah tujuan eksperimen: pada isipadu malar tekanan berkadar dengan suhu mutlak. Tekanan tidak berganda apabila θ berganda dalam °C, sebab itulah suhu mesti ditukar kepada kelvin.

Membaca graf dan mencari jawapan

Plot P pada paksi-y melawan θ dalam °C pada paksi-x. Titik-titik memberi garis lurus dengan kecerunan positif yang tidak melalui asalan.

Guna segi tiga besar pada garis penyuaian terbaik, ambil dua titik yang jauh terpisah seperti (30 °C, 101 kPa) dan (70 °C, 114 kPa):

• kecerunan = (114 − 101) kPa ÷ (70 − 30) °C = 13 kPa ÷ 40 °C = 0.33 kPa °C⁻¹

Kecerunan ialah kenaikan tekanan bagi setiap darjah. Panjangkan garis ke belakang sehingga P = 0; ia memotong paksi suhu berhampiran −273 °C, iaitu sifar mutlak.

Ini mengesahkan P/T = pemalar. Kertas SPM Fizik 4531 tidak membawa helaian rumus, jadi ingat hubungan hukum tekanan P/T = pemalar daripada ingatan semasa menulis kesimpulan anda.

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 mengekalkan kebolehpercayaan keputusan:

• Kacau air supaya keseluruhan mandian air berada pada satu suhu.
• Tunggu udara dalam kelalang mencapai suhu air sebelum setiap bacaan.
• Guna tiub penyambung pendek supaya isipadu gas kekal malar.
• Rendam kelalang sepenuhnya supaya semua udara terperangkap dipanaskan sekata.

Bagi kemahiran proses sains Kertas 3, pemeriksa memberi markah untuk: menamakan pemboleh ubah dimanipulasi (θ), bergerak balas (P) dan dimalarkan (isipadu dan jisim gas); jadual dengan tajuk berunit dan tempat perpuluhan konsisten; lima atau lebih titik diplot dengan paksi berlabel dan garis penyuaian terbaik; dan segi tiga kecerunan yang besar. Nyatakan hubungan dalam perkataan, bahawa tekanan meningkat secara linear dengan suhu, dan gunakan ekstrapolasi ke belakang ke kira-kira −273 °C sebagai kesimpulan yang menyokong sifar mutlak.

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)