Det absolutte nulpunkt med tryksensor
Hvor koldt kan noget blive? Eleverne lukker luft inde i en lille kolbe, der er koblet til en tryksensor, og sætter kolben i vandbade fra isvand til varmt vand. Trykket stiger lineært med temperaturen, og når linjen forlænges ned til trykket nul, rammer den temperaturaksen tæt på -273 °C. Forsøget giver en direkte vej til Kelvin-skalaen og idealgasloven.
Hvordan afhænger trykket af en fast mængde luft af temperaturen ved konstant volumen, og ved hvilken temperatur ville trykket blive nul?
Det skal I bruge
| Vare | Varenr. | Antal og formål |
|---|---|---|
| Tryksensor, trådløs | PS-3203 | 1 pr. gruppe |
| Temperatursensor, trådløs (PASCO PS-3201) | PS-3201 | 1 pr. gruppe |
| Tryksensor tilbehørssæt | PS-3503 | 1 pr. gruppe, prop med kobling og slange til tryksensoren |
| Erlenmeyerkolbe 100 ml (24 stk.) | 101110 | 1 pr. gruppe (100 ml erlenmeyerkolbe) |
| Bægerglas 1000 ml (6 stk.) | 100050 | 3 pr. gruppe, som vandbade |
| Stativfod A-fod med stang | 000110 | 1 pr. gruppe |
| Stativklemme m. muffe | 001032 | 1 pr. gruppe |
| Elkedel 1,7 liter | 005020 | 1 til klassen |
| Beskyttelsesbriller, komfort | 910020 | 1 pr. elev |
| SPARKvue 5 (gratis download) | 900902 | Gratis app til tablet eller computer |
Andet udstyr: isterninger; varmt vand fra elkedlen (højst ca. 80 °C); køkkenrulle; computer med SPARKvue eller Capstone.
Sikkerhed
Varmt vand kan give skoldning. Fyld vandbadene ved bordet, bær dem ikke rundt, og brug beskyttelsesbriller. Brug kun hele glaskolber uden revner. Proppen kan blive presset op, hvis trykket stiger meget: brug højst ca. 80 °C, og hold kolben i stativklemmen, ikke med hånden. Lad glasset køle af, før det vaskes.
Sådan gør I
- Sæt proppen med koblingen fast i en tør 100 ml erlenmeyerkolbe, og kobl slangen til tryksensoren. Brug så kort en slange som muligt. Spænd kolben fast i stativet.
- Forbind tryksensor og temperatursensor i SPARKvue. Vælg manuel opsamling, så der gemmes et tryk og en temperatur ad gangen.
- Sænk kolben ned i isvand, så den er dækket helt op til proppen. Sæt temperatursensoren i vandet ved siden af kolben, rør rundt, og vent, til trykket er stabilt (1-2 minutter). Gem målingen.
- Flyt kolben til vand ved stuetemperatur, vent, til trykket er stabilt, og gem målingen.
- Gentag med vand ved ca. 40, 60 og 80 °C. Bland varmt og koldt vand for at få flere temperaturer.
- Plot trykket p som funktion af temperaturen i °C, og lav lineær regression. Find skæringen med temperaturaksen, hvor p = 0.
- Beregn usikkerheden på skæringen ud fra regressionens usikkerheder, og sammenlign med -273,15 °C. Plot derefter p mod T i kelvin, og vis, at p/T er konstant.
Med PASCO-sensor
Den trådløse tryksensor (PS-3203) måler det absolutte tryk, og temperatursensoren (PS-3201) måler vandbadets temperatur, så begge værdier gemmes samtidig med manuel opsamling i SPARKvue eller Capstone. Lineær tilpasning viser hældning og skæring direkte, og grafen kan forlænges ned til trykket nul.
Hvad sker der?
Trykket i en gas skyldes molekylernes stød mod beholderens vægge. Jo højere temperatur, jo hurtigere bevæger molekylerne sig, og jo hårdere og oftere rammer de væggene. Ved konstant volumen stiger trykket derfor lineært med temperaturen. Det kaldes Gay-Lussacs lov.
Forlænger man linjen, rammer den trykket nul ved ca. -273 °C. Ved den temperatur ville molekylerne ifølge modellen ikke have nogen bevægelsesenergi tilbage. Temperaturen kaldes det absolutte nulpunkt og er 0 K på Kelvin-skalaen. Måler man temperaturen i kelvin, er p/T konstant, og sammen med Boyles lov giver det idealgasloven p · V = n · R · T.
Typiske afvigelser skyldes, at luften i slangen og sensoren ikke har samme temperatur som kolben, og at der ikke er ventet længe nok på, at luften i kolben har fået vandets temperatur. Begge dele trækker skæringen væk fra -273 °C.
Spørgsmål til eftertanke
- Hvor tæt på -273 °C kom jeres skæring, og hvor stor var usikkerheden?
- Hvorfor er det vigtigt, at kolben er helt dækket af vand?
- Hvordan påvirker luften i slangen resultatet?
- Hvorfor kan man ikke bare køle gassen ned til -273 °C og måle trykket der?
- Hvordan hænger forsøget sammen med Boyles lov og idealgasloven?
Til læreren
Gode målinger giver typisk en skæring mellem -260 og -290 °C. Den største fejlkilde er, at slangen og sensoren indeholder luft ved stuetemperatur, så brug en lille kolbe med kort slange, eller korrigér for det. Lad eleverne vente, til trykket er helt stabilt ved hver temperatur.
Kolben skal være tør indvendigt: vanddamp giver et ekstra tryk, der vokser hurtigt med temperaturen og bøjer kurven opad ved de høje temperaturer.
Forsøget passer godt sammen med Boyles lov med sprøjte og tryksensor. Fysik A-elever kan bruge forsøget til at diskutere kinetisk gasteori og molekylernes middelhastighed.
Vejledningen er udarbejdet af LabDidakt. Læreren skal altid selv vurdere sikkerheden ved forsøget i sin klasse og følge skolens retningslinjer og sikkerhedsdatabladene for de kemikalier, der bruges.
