گزارش کار تعيين دماي صفر مطلق

ساخت وبلاگ

مقدمه و تاريخچه:
مي‌دانيم که يکاي دما نخست بطور مصنوعي ظهور کرد: به نقطه جوش آب عدد 100 نسبت دادند، اين انتخاب پيامدهاي مهمي داشت. عدد ثابت گازها ، ژول بر درجه R = 8.3157 ، در قانون کلاپيرون - مندليف ظاهر شد. معناي دما توجه ويليام تامسون که بعدا لرد کلوين ناميده شد را جلب کرد. او در سال (1228/1848) دريافت که قضيه کارنو يک اصل تابعي ساده ولي مهم در بر دارد.
متأسفانه ، به رغم زيبايي نظري مقياس کلوين ، در عمل استفاده از چرخه کارنو کار سختي است، ضروري بود که روش ديگري براي اندازه گيزي دما پيدا شود. بعد از کارهاي کلوين مسئله دما از لحاظ نظري نسبتا روشن شد. انديشه مقياس با يک نقطه مرجع را مندليف در سال (1252/1873) مطرح کرد. انديشه مندليف بعد از يک وقفه 70 ساله (به شکل نسبتا بهتري) عملي شد و از بي نهايت که نام مندليف نيز به مقياس دماسنجي مدرن گره مي‌خورد.


گزارش کارآزمايشگاه شيمي فيزيک

موضوع آزمايش تعيين دماي صفر مطلق

هدف آزمايش آشنايي با چگونگي اندازه گيري دانسيته هوا

مقدمه و تاريخچه:
مي‌دانيم که يکاي دما نخست بطور مصنوعي ظهور کرد: به نقطه جوش آب عدد 100 نسبت دادند، اين انتخاب پيامدهاي مهمي داشت. عدد ثابت گازها ، ژول بر درجه R = 8.3157 ، در قانون کلاپيرون - مندليف ظاهر شد. معناي دما توجه ويليام تامسون که بعدا لرد کلوين ناميده شد را جلب کرد. او در سال (1228/1848) دريافت که قضيه کارنو يک اصل تابعي ساده ولي مهم در بر دارد.
متأسفانه ، به رغم زيبايي نظري مقياس کلوين ، در عمل استفاده از چرخه کارنو کار سختي است، ضروري بود که روش ديگري براي اندازه گيزي دما پيدا شود. بعد از کارهاي کلوين مسئله دما از لحاظ نظري نسبتا روشن شد. انديشه مقياس با يک نقطه مرجع را مندليف در سال (1252/1873) مطرح کرد. انديشه مندليف بعد از يک وقفه 70 ساله (به شکل نسبتا بهتري) عملي شد و از بي نهايت که نام مندليف نيز به مقياس دماسنجي مدرن گره مي‌خورد.

تئوري:
نظريه جنبشي گازها
نظريه جنبشي گازها ، الگويي براي تبيين نظم و ترتيب مشاهده شده در رفتار تمام گازها به دست مي دهد . در 1738 ميلادي ، دانيل برنولي قانون بويل را با اين فرض که فشار گاز نتيجه برخورد مولکول هاي گاز با ديواره ي ظرف است ، تبيين کرد . توضيح برنولي ، اولين و ساده ترين تفسير جنبه هاي کليدي نظريه جنبشي است . اين نظريه در اواسط سد? نوزدهم توسط بسياري از دانشمندان ، به ويژه کرونيگ ، کلازيوس ، ماکسول و بولتزمان مورد توجه قرار گرفت و گسترش داده شد .
نظريه جنبشي گازها ، شامل پذيره هاي زير است :
گاز ها از مولکول هايي که در فضا کاملا از همديگر جدا هستند ، تشکيل يافته اند . حجم واقعي هر يک از مولکولها در مقايسه با حجم کل گاز ، ناچيز است . واژ? مولکول در اين جا براي مشخص کردن کوچک ترين ذره هر گاز به کار مي رود ; برخي از گاز ها ( مثلا گازهاي نجيب ) شامل اتم هاي ترکيب نشده اند .
مولکول هاي گاز در حرکت مستقيم الخط ، سريع ، و مداوم هستند ; با يکديگر و با ديوار? ظرف برخورد مي کنند . گرچه در اين برخورد ها ممکن است انرژي از يک مولکول به مولکول ديگر منتقل شود ، ولي انرژي جنبشي ( انرژي حرکت ) از ميان نمي رود .
انرژي جنبشي ميانگين مولکول هاي يک گاز به دما بستگي دارد ; با افزايش دما ، زياد مي شود . در يک دماي معيين ، مولکول هاي تمام گاز ها داراي انرژي جنبشي ميانگين يکسان هستند .
نيروي جاذب? بين مولکول هاي گاز ، ناچيز و قابل چشم پوشي است .
قوانين گاز ها را بر اساس نظريه جنبشي مي توان تبيين کرد . قانون بويل را در نظر بگيريد . بر اساس نظريه جنبشي ، فشار گاز ناشي از برخورد هاي مولکولي با ديواره ظرف است . اگر تعداد مولکول ها در واحد حجم ( غلظت مولکولي ) افزايش يابد ، فشار نيز به علت افزايش تعداد برخورد ها در واحد زمان ، بالا خواهد رفت . کاهش حجم يک گاز باعث تجمع مولکول ها در فضاي کوچک تري خواهد شد ; غلظت مولکولي افزايش خواهد يافت و فشار نيز متناسب با آن ، بالا خواهد رفت .
قانون شارل و قانون آمونتون ، خواص گاز ها را به تغييرات دما مربوط مي سازد . انرژي جنبشي ميانگين مولکول هاي ، به طور نظري ، صفر است ; مولکول ها بي حرکت اند . چون حجم مولکول هاي يک گاز ايده آل قابل صرف نظر کردن است ، حجم يک گاز ايده آل در دماي مطلق نيز ، به طور نظري ، صفر است .
افزايش دما ، حرکت سريع مولکول ها را سبب مي شود . برخورد مولکول هاي گاز با ديوار? ظرف ، شديد تر و بيشتر ميشود . در نتيجه فشار به شيوه اي که قانون آمونتون پيش بيني مي کند ، بالا مي رود .
فشار گازي که گرما به آن داده مي شود ، در صورتي ثابت مي ماند که حجم آن افزايش يابد . افزايش حجم ، سبب کاهش تعداد برخورد هاي مولکول ها با ديواره ظرف در واحد زمان مي شود و به اين ترتيب فشار را ثابت نگه مي دارد . به اين ترتيب کاهش تعداد برخورد ها با افزايش شدت برخورد ها جبران مي شود . قانون شارل بيانگر اين وضعيت است .
تعبير دما از ديدگاه نظريه جنبشي
با توجه به فرمول RT 2/3 = 1/2 MV2 يعني انرژي کل انتقال هر مول از مولکولهاي يک گاز ايده‌آل ، با دما متناسب است. مي‌توان گفت که اين نتيجه با توجه به معادله بالا براي جور در آمدن نظريه جنبشي با معادله حالت يک گاز ايده‌آل لازم است. و يا اينکه مي‌توان معادله بالا را به عنوان تعريفي از دما بر پايه نظريه جنبشي يا بر مبناي ميکروسکوبيک در نظر گرفت. هر دو مورد بينشي از مفهوم دماي گاز به ما مي‌دهد. دماي يک گاز مربوط است به انرژي جنبشي انتقال کل نسبت به مرکز جرم گاز اندازه گيري مي‌شود. انرژي جنبشي مربوط به حرکت مرکز جرم گاز ربطي به دماي گاز ندارد.
حرکت کاتوره‌اي را به عنوان بخشي از تعريف آماري يک گاز ايده‌آل در نظر گرفت. V2 را بر اين اساس مي‌توان محاسبه کرد. در يک توزيع کاتوره‌اي سرعتهاي مولکولي ، مرکز جرم در حال سکون خواهد بود. بنابراين ما بايد چارچوب مرجعي را بکار ببريم که در آن مرکز جرم گاز در حال سکون باشد. در چارچوبهاي ديگر ، سرعت هر يک از مولکولها به اندازه U (سرعت مرکز جرم در آن چارچوب) از سرعت آنها در چارچوب مرکز جرم بيشتر است. در اينصورت حرکتها ديگر کتره‌اي نخواهد بود و براي V2 مقادير متفاوتي بدست مي‌آيد. پس دماي گاز داخل يک ظرف در يک قطار متحرک افزايش مي‌يابد. مي‌دانيم که M V2 1/2 ميانگين انرژي جنبشي انتقالي هر مولکول است. اين کميت در يک دماي معين که در اين مورد صفر درجه سلسيوس است، براي همه گازها مقدار تقريبا يکساني دارد. پس نتيجه مي‌گيريم که در دماي T ، نسبت جذر ميانگين مربعي سرعتهاي مولکولهاي دو گاز مختلف مساوي است با ريشه دماي عکس نسبت به مربعهاي آنها.
T = 2/3k m1 V12/2= 2/3k m2 V22/2
صفر مطلق :
صفر مطلق در فيزيک:

نظريه جنبشي گازها بيان مي‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلي متوقف مي‌شود و دماي مطلق T تنها معياري از اندازه انرژي جنبشي اتمهاست و بس. اما اين توضيح هر چند ساده واضح است، درست نيست. اکثر دماها در فلزات حتي در دماي T = 0 نيز با سرعتهاي بالا حرکت مي‌کنند.
مکانيک کوانتومي براي خيلي از مفاهيم توضيحات طبيعي دارد از جمله دماي مطلق و صفر مطلق.

مفهوم صفر مطلق در نظريه کوانتومي:
مفهوم صفر مطلق در نظريه کوانتومي معناي روشن و قاطعي دارد، در ميان ترازهاي انرژي هر دستگاه کوانتومي ترازي وجود دارد که با پايينترين انرژي متناظر است و در مثال ما ، اين حالت حالتي است که اسپين همه الکترونها در راستاي مخالف ميدان قرار مي‌گيرند. در صفر مطلق ، دستگاه در حالت پايه است، از اينرو نمي‌تواند به دستگاه ديگري انرژي انتقال دهد، دقيقا بدين سبب که تراز پايينتري وجود ندارد که بعد از ، از دست دادن انرژي به آن انتقال يابد.

صفر مطلق و ديدگاه ترموديناميکي:
قانون سوم ترموديناميک بيان مي کند که دسترسي به صفر مطلق امکان ناپذير است و ما هرگز نمي توانيم به صفر مطلق برسيم. در عمل نيز همين طور است. هنوز دانشمندان نتوانسته اند به دماي صفر مطلق يا 273- درجه سانتيگراد برسند.
اما مي توان شرايطي فراهم کرد که به نزديکي هاي صفر مطلق رسيد و دانشمندان با اين روش ها به دماي 3 درجه کلوين رسيده اند.
اثري داريم به نام اثر ژول-تامسون. آزمايش مربوط به اين اثر به اين صورت است که سيستمي داريم منزوي، يعني امکان تبادل گرما و کار با محيط ندارد. اين سيستم بهوسيله يک جداره که داراي سوراخ هاي بسيار ريزي است، به دو قسمت تقسيم شده است. در دو طرف اين سيستم دو دما و فشار نامساوي داريم، T1,T2,P1,P2 . در اين سيستم، ضريبي تعريف مي شود به نام ضريب ژول-تامسون که ما مي خواهيم ببينيم اين ضريب، مثبت ، منفي يا صفر است. اين ضريب به صورت تغييرات دما در اثر تغييرات فشار تعريف مي شود:
(T2-T1)/ (P2-P1 ) = ضريب ژول-تامسون
طي انجام آزمايشاتي که بيان آنها و روابط ترموديناميکي مربوط به آن ها در سطح دانش کتب دبيرستان نمي باشد، مشخص مي شود که اين ضريب براي گازهاي کامل صفر است، اما در عمل به دليل برهم کنش بين ذرات گازها، گاز کامل نداريم و اين ضريب ممکن است مثبت يا منفي باشد. اما در طي انجام آزمايش، فشار به صورت تدريجي کاهش مي يابد اين کاهش فشار، سبب مي شود براي بيشتر گازها،دما نيز کاهش يابد. به استثناي ئيدروزن و هليم که در اثر افت فشار در شرايط آزمايش و در دماي معمولي دچار افزايش دما مي شوند. اما هنگامي که اين گازها خيلي سرد شوند، به دمايي مي رسيم که خاصيت اين دو گاز تغيير مي کند و اين دو گاز نيز در اثر افت فشار ، دچار افت دما مي شوند. دمايي که اين خاصيت تغيير مي کند، دماي وارونگي ناميده مي شود.


براي سرد کردن و رساندن ئيدروژن و هليم به دماي وارونگي، از گاز نيتروژن استفاده مي شود. گاز نيتروزن در اثر کاهش فشار در شرايط سيستم منزوي، را مي توان به دماي 180- درجه سانتيگراد رساند. سپس نيتروژن سرد شده را با ئيدروژن برخورد مي دهند تا به دماي زير وارونگي برسد. بعد عمل انبساط يا کاهش فشار را براي ئيدروژن انجام مي دهند. ئيدروژن بسيار سرد مي شود، سپس هليم را که دماي وارونگي آن پايين تر است را با ئيدروژن برخورد مي دهند تا به دماي وارونگي برسد. سپس عمل انبساط و افت فشار را براي هليم انجام مي دهند تا افت دما روي دهد. به اين ترتيب به 3 درجه کلوين يا 270- درجه سانتيگراد مي توان رسيد.

رفتار عجيب گازها که در دماهاي پايين چگونه است ؟
در جامدات، مايعات و گازهاي روزمره، با افزايش جنب و جوش اتم ها، انرژي گرمايي افزايش مي يابد. اما در دماهاي بسيار پايين، قوانين عجيب مکانيک کوانتومي حکمفرماست. مولکول ها ديگر تصادم همرفتي ندارند. در عوض امواج مکانيک کوانتومي، گسترش و همپوشاني مي يابند. زماني که همپوشاني اتفاق مي افتد، چگالش باز-انيشتين صورت مي گيرد و هر يک از اتم ها به صورت يک سوپر اتم عمل مي کنند. نخستين چگالش باز-انيشتين در سال ???? در کلورادو بر روي اتم هاي روبيديوم صورت گرفت و آن را تا دماي ???- سرد کرد.

شرح کار آزمايش
جهت بدست آوردن حجم واقعي ارلن ، آن را از آب پر مي کنيم ، سپس درپوش را بر روي ارلن قرار داده و لول? متصل به درپوش را به آرامي در ارلن فرو مي کنيم تا ميان درپوش و لوله حباب ايجاد نشود سپس جهت کاهش خطا ميزان فرو رفتن لوله و در پوش را علامت مي زنيم تا در طول آزمايش تغيير حجم نداشته باشيم . سپس حجم آب درون ارلن را خارج کرده و اندازه گيري مي کنيم و به عنوان حجم اوليه ( V0 ) يادداشت مي کنيم .
پس از اندازه گيري حجم واقعي ارلن ، ارلن را خشک کرده ( با استفاده از استون يا حرارت دادن به ارلن ) و سپس درپوش و لول? متصل به درپوش را در جاي علامت گذاري شده قرار داده و به کمک گيره آن را درون حمام آب گرم (آب جوش با دماي 100درجه سانتي گراد ) قرار مي دهيم و به ارلن زمان مي دهيم تا هواي درون ارلن با محيط اطراف ( حمام آب گرم ) يکي شود . سپس با انگشت راه لوله را مسدود کرده و از حمام آب گرم خارج کرده و به صورت برعکس در حمام آب سرد قرار مي دهيم و با برداشتن انگشت راه لوله را باز مي کنيم و سپس به ارلن زمان مي دهيم تا هواي درون ارلن با محيط اطراف ( حمام آب سرد ) يکي شود . پس از به تعادل رسيدن دماي هواي درون ارلن با حمام دوباره به کمک انگشت راه لوله را مسدود مي کنيم و ارلن را از حمام خارج ميکنيم و حجم آب وارد شده به ارلن را اندازه گيري مي کنيم و به عنوان حجم ثانويه ( V1 ) يادداشت مي کنيم . اين آزمايش را چند مرتبه ديگر با تغيير دماي حمام آب سرد ادامه مي دهيم .


نمونه محاسبات:
به کمک حجم اوليه ( V0 ) :
حجم اوليه ? 117
و با استفاده از تفريق حجم اوليه (V0 ) با حجم ثانويه ( V ) :
فضاي خالي V0 – V = V ?
و با قرار دادن اعداد به دست آمده در محور y ها و قرار دادن دماهاي مربوط به اعداد به دست آمده در محور x ها ، نمودار مربوطه را رسم نموده و معادله خط مربوطه را بدست مي آوريم .


بحث و نتيجه گيري:
از اين آزمايش مي توان نتيجه گرفت که نظريه جنبشي گازها بيان مي‌کند که در صفر مطلق حرکت اتمها به کلي متوقف مي‌شود و دماي مطلق T تنها معياري از اندازه انرژي جنبشي اتمهاست . نتيجه ي ديگري که مي توان از اين آزمايش گرفت اين است که، يکي از ساده ترين راه هاي تقريب زدن صفر مطلق استفاده از قانون گاز ايده آل است که در اين آزمايش نيز از اين راه استفاده شده است . همچنين مي توان اين نتيجه را گرفت که در دما و فشار ثابت ، حجم يک گاز با تعداد مول هاي آن نسبت مستقيم دارد .



موارد خطا:
الف) ثابت نبودن فشار در آزمايش
ب) ثابت نماندن حجم در کل آزمايش
ج) متعادل نشدن دماي حمام آب گرم و سرد با حجم هواي درون ارلن
د) خشک نبودن کامل ارلن
ذ) وجود حباب در انتهاي درپوش لاستيکي
ر) ايجاد افت دما در حين آزمايش

پيشنهادات جهت رفع خطا:
الف) استفاده از حمام هاي بزرگتر و در صورت محدوديت مي توان به کمک دست ، آب درون حمام را به طور مداوم بر روي ارلن ريخت ، که با انجام اين عمل مي توان به همراه ثابت نگه داشتن فشار دماي حمام را نيز به کل ارلن وارد کنيم .
ب) استفاده از درپوش لاستيکي استاندارد و در صورت محدوديت استفاده از موادي که جلوگيري از حرکت درپوش را ميکند توصيه مي شود . ( موادي مانند چسب و ... )
ج) نگه داشتن ارلن به مدت کافي در حمام گرم (5 دقيقه )و حمام سرد ( 3 دقيقه )
د) استفاده از استون شستشو و يا چرخاندن ارلن بر روي شعله
ذ) در هنگام اندازه گيري حجم ارلن ، پس از پر کردن ارلن با آب ، ابتدا لوله را با انتهاي درپوش مماس کرده سپس بر روي ارلن قرار داده و به آرامي لوله را درون ارلن فرو مي کنيم .
ر) سرعت بخشيدن به خارج کردن ارلن از حمام گرم و وارد کردن آن به حمام سرد ، که با انجام اين عمل افت دماي ايجاد شده کاهش مي يابد .


مراجع و منابع:
کتب
کتاب شيمي عمومي 1 / چارلز مورتيمر / ع- ياوري / جلد اول
سايت هاي اينترنتي



حجم فایل : 24 کیلو بایت | فرمت فایل : Doc | زبان : فارسی

لینک دانلود | پسورد فایل : kimiagari.ir



سایت رشته صنایع شیمیایی...
ما را در سایت سایت رشته صنایع شیمیایی دنبال می کنید

برچسب : نویسنده : علیرضا فرزادنیا chemis بازدید : 280 تاريخ : پنجشنبه 5 آبان 1390 ساعت: 18:55

نظر سنجی

سایت صنایع شیمیایی...

خبرنامه