Työn tavoitteita. 1 Johdanto. 2 Ideaalikaasukäsite ja siihen liittyvät yhtälöt

Transkriptio

1 FYSP103 / 1 KAASUTUTKIMUS Työn tavotteta havannollstaa deaalkaasun tlanyhtälöä oppa, mten lman kosteus vakuttaa havattavn lmöhn ja mttaustuloksn kerrata mttauspöytäkrjan ja työselostuksen laatmsta Luento- ja laskuharjotusesmerkessä kästellään yleensä tlanteta, jossa e tarvtse huomoda lman kosteutta. Tässä työssä kosteuden vakutus on kutenkn otettava huomoon muuton mttausten perusteella saatava tulos el (kostean) huonelman theys e ole vertalukelponen taulukossa lmotettavan arvon (kuvan lman theys) kanssa. Työssä kerrataan deaalkaasujen tlanyhtälön lsäks myös omen mttausten raportonnn tatoja el mttauspöytäkrjan laatmsta ja työselostuksen krjottamsta. 1 Johdanto Työssä tutustutaan deaalkaasun omnasuuksn ja määrtetään huonelman theys tätä teoraa käyttäen. Lue työtä varten Young and Freedman, Unversty Physcs, (11 th ta 12 th ed.), kappale 18.1 ja melellään myös kappale 18.3 (10 th ed., kappaleet 16-2 ja 16-4). Hyödyllstä on myös tutustua aemmn perusoppkrjana käytettyjen Ohanan, Vol. 1, svut ta Alonso-Fnn, Vol. 1, svut , estykseen. 2 Ideaalkaasukäste ja shen lttyvät yhtälöt Ideaalkaasu toteuttaa seuraavat perusolettamukset molekyylen tlavuuden osuus kaasun koko tlavuudesta on hävävän pen el molekyylt ovat kokoonsa nähden erttän kaukana tosstaan molekyylehn vakuttavat ulkoset vomat ovat mtättömä ja molekyylen kesknäset vomavakutukset ovat merkttävä anoastaan törmäystlantessa

2 FYSP103 / 1 Kaasututkmus törmäykset ovat täysn kmmosa ja nden kestoaka on hyvn lyhyt verrattuna törmäysten välsn akohn Ideaalkaasulle on vomassa tlanyhtälö pv m RT nrt (1) M mssä p = pane, V = tlavuus, m = massa, M = moolmassa, T = lämpötla ja R = ylenen kaasuvako = 8,314 J/(mol K). Tästä saadaan deaalkaasun theydeks m V pm RT (2) Yhtälöstä (1) nähdään, että deaalkaasumooln tlavuus on rppumaton moolmassasta M, kun pane p ja lämpötla T ovat vakota. Mooltlavuus e ss rpu kaasun laadusta. Standardolosuhteks valttu normaaltla NTP määrtellään p T NTP NTP 101,325 kpa 1,01325bar 760 mmhg 0 C 273,15 K (3) Normaalolosuhteta NTP vastaava mooltlavuus V m on 3 V m 0, m / mol (4) Vastaavast deaalkaasun theydeks NTP:ssä saadaan moolmassa M NTP (5) mooltlavuus V m 3 Ilman kosteuden vakutus theyteen Ilmaa vodaan ptää deaalkaasuseoksena, jonka pääkomponentt ovat happ ja typp. Lsäks lma ssältää penä määrä hldoksda, jalokaasuja ja veshöyryä. Veshöyryn suhteellnen osuus vo vahdella olosuhtesta rppuen melko paljon; muden komponentten suhteellset osuudet ovat sen sjaan hyvn tarkast vakota. Ilman näennänen moolmassa ja sten myös sen theys rppuvat sen veshöyryptosuudesta.

3 FYSP103 / 1 Kaasututkmus Kaasun osapaneella tarkotetaan stä osuutta kaasuseoksen kokonaspaneesta, jonka kysenen kaasu synnyttää. Yhtälöstä (1) nähdään, että deaalkaasujen pane rppuu kaasun anemäärästä, mutta e kaasun moolmassasta. Kaasun osapane e on sten e n p, (6) n mssä n on kaasun anemäärä, n kaasuseoksen kokonasanemäärä ja p on kokonaspane. Ilman kosteusptosuuden määrttelyyn lttyvät seuraavat peruskästteet: absoluuttnen kosteus F, jolla tarkotetaan lmassa olevan veshöyryn määrää lmotettuna massana tlavuusykskköä koht, esm. g/m 3 ; absoluuttnen kosteus vahtelee olosuhteden mukaan maksmkosteus F m on veden höyrynpanetta el veshöyryn kyllästymspanetta kysesessä lämpötlassa vastaava absoluuttsen kosteuden arvo; F m rppuu ss lämpötlasta (vrt. taulukko 1 työohjeen lopussa) suhteellnen kosteus f lmasee, kunka monta prosentta absoluuttnen kosteus on maksmkosteudesta el f = (F/F m ) 100 % kastepste on se lämpötla, jossa absoluuttnen kosteus = maksmkosteus. Lämpötlan laskettua kastepsteeseen veshöyry alkaa tvstyä. Veshöyry vo olla myös ylkyllästä el suhteellnen kosteus on yl 100%. Tällanen tlanne vo syntyä, jos lmassa e ole rttäväst tvstymskeskuksa tvstymsen käynnstymseks. Kastepsteessä veshöyryn osapane e on yhtä suur kun veshöyryn kyllästymspane el e = e m (vrt. taulukko 1 työohjeen lopussa) Jos merktään täysn kuvan lman moolmassaa M :llä ja kostean lman moolmassaa M :lla, vodaan johtaa yhtälö M ' M ' M M v e 1 1 0, 3780 M p e p (7) mssä M v on veden moolmassa.

4 FYSP103 / 1 Kaasututkmus Veshöyryn osapaneen ja kyllästymspaneen suhde on yhtä suur kun lman suhteellnen kosteus el f F F m 100 % e e m 100 % (8) Yhdstämällä yhtälöt (7) ja (8) vodaan kuvan lman theys lmottaa kostean lman theyden, suhteellsen kosteuden, kylläsen höyryn paneen ja kokonaspaneen avulla. Lausekkeden yhdstämnen jätetään opskeljalle ja yhtälön johto tulee käydä lm työselostuksesta. Seltä työselostuksen teoraosassa myös jonkun käytännössä havattavan lman kosteuteen ja tvstymseen lttyvän lmön (esm. sumu, kaste, suhkutlan kkunan huurtumnen) tausta lyhyest edellä selvtettyjen kästteden avulla. 4 Työn suorttamnen Lasseen mttapulloon pumpataan tyhjöpumpun avulla mahdollsmman hyvä tyhjö. Mttapullo knntetään letkulla paneanturn, avataan pullon venttl ja luetaan kaasun pane 1. Tämän jälkeen venttl suljetaan, mttapullo rrotetaan letkusta ja pullo punntaan. Mttapullo on lasa ja alpaneessa. Käytä työpakalla oleva suojalaseja! Raotetaan venttlä ja lasketaan heman lmaa pulloon. Kaasun pane luetaan ja pullo punntaan kuten ensmmäsessä mttauksessa. Tämä tostetaan valltsevaan lmanpaneeseen saakka. Pyrtään saamaan non 15 mttauspstettä mahdollsmman tasasn välen mnmpaneen ja valltsevan lmanpaneen vällle. Jos alkunnostuksessa päästät heman lkaa lmaa pulloon, vot pumpata pullon uudelleen tyhjäks. Mtattujen paneden tasavälsyydestä e kutenkaan kannata ottaa snä määrn paneta, että se hattas mttauksen sujuvaa suorttamsta. Ilman theyden määrttämstä varten merktään mustn mttapullon tlavuus sekä huoneen lämpötla ja lmanpane (vrheneen). Lsäks luetaan lman suhteellnen kosteus 1 Huomaa, että käytettävä panemttar on dfferentaalnen el se mttaa kahden er psteen välsen paneeron ekä suoraan pullossa olevaa absoluuttsta panetta.

5 FYSP103 / 1 Kaasututkmus husgyrometrltä. Latteen tomnta perustuu huksen ta vastaavan kudun ptuuden rppuvuuteen lman kosteusptosuudesta. Latteen astekko on kalbrotu jollakn absoluuttsella menetelmällä. 5 Tulosten kästtely Mtatut psteet prretään m(p)-kuvaajaks ja psteden kautta sovtetaan suora. Yhtälö (1) vodaan krjottaa muotoon m VM RT p (9) el määrtetyn suoran kulmakerron vastaa suuretta VM/RT. Mnkä sekan kertoo puolestaan sovtuksen vakoterm? Määrtetään tämän suoransovtuksen avulla pullossa olevan (kostean) lman kokonasmassa vrheneen huoneen paneessa. Tämän tedon perusteella vodaan laskea (kostean) lman theys vrheneen, kun mttauksessa käytetyn pullon tlavuus V tedetään. Laskettujen suureden vrheet määrtetään tuttuun tapaan maksm-mnm -kenon avulla. Määrtetystä kostean lman theydestä lasketaan suhteellsen kosteuden f ja laboratorossa valltsevan lämpötlan T ja lmanpaneen p avulla kuvan lman theys vrheneen. Mtä outoa havatset verrattaessa kostean ja kuvan lman theyksen tarkkoja arvoja tosnsa? Mten seltät havannon? Kuvan lman theys normtetaan lopuks NTP-olosuhtesn yhtälöden (1) ja (2) avulla ja saatua tulosta verrataan krjallsuudessa estettyhn arvohn (varmstu, että krjallsuuden on annettu myös NTP:ssä).

6 FYSP103 / 1 Kaasututkmus Taulukko 1. Ilman kosteustaulukko. t C e m Pa e m mmhg F m g/m 3 t C e m Pa e m mmhg F m g/m ,84 10, ,64 18, ,51 10, ,82 19, ,22 11, ,06 20, ,98 12, ,37 21, ,78 12, ,75 23, ,63 13, ,20 24, ,52 14, ,73 25, ,47 15, ,34 27, ,47 16, ,03 28, ,53 17, ,81 30,3