Экспериментальная установка
Общий вид конструкции установки, используемой для исследования взаимной диффузии газов и определения коэффициента диффузии, приведен на рис. 2. На рис. 3 приведена фотография установки в сборе (обозначения и надписи на рисунках 2 и 3 совпадают). Схема электрических соединений приведена на рис. 4.
Рис. 2 Установка для исследования взаимной диффузии газов
Установка состоит из двух сосудов V1 и V2, соединенных краном К3, форвакуумного насоса ФН (на рис. 3 не показан) с выключателем Т, манометра М и систем напуска гелия и воздуха, включающих в себя микронатекатели K5 и K6. Кран К4 позволяет соединять форвакуумный насос либо с установкой, либо с атмосферой. Между форвакуумным насосом и краном К4 вставлен предохранительный баллон П.Б., защищающий кран К4 и установку при её неправильной эксплуатации от попадания форвакуумного масла из насоса ФН. Сосуды V1 и V2 и порознь и вместе можно соединять с форвакуумным насосом. Для этого служат краны К1, К2 и К4. Манометр М регистрирует давление газа, до которого заполняют тот или другой сосуды.
V1
К3
V2
К6
К2
T
М
П.Б.
К1
К4
К5
Рис. 3. Фотография установки для исследования взаимной диффузии газов
В ходе выполнения работы необходимо найти цену деления манометра. Для этого надо учесть, что при атмосферном давлении в установке стрелка манометра находится на нулевой отметке шкалы. После работы форвакуумного насоса в течение 2-5 минут остаточное давление в установке составляет Pост ~1 мм рт. ст. Зная показания манометра после откачивания установки (N) и атмосферное давление (Pатм), определяемое по барометру, можно найти цену деления манометра:
.
(8)
Микронатекатели К5 и К6 позволяют заполнять сосуды V1 гелием и V2 — воздухом. Давление гелия в трубопроводе, соединяющем установку с подушкой, в которой содержится гелий, больше атмосферного. Это необходимо для того, чтобы из-за возможных неплотностей в трубопроводе гелий оставался бы в нем без примесей воздуха. Для сохранения гелия в подушке на шланге поставлен кран (на рисунках не показан). Его открывают только на время непосредственного заполнения установки гелием. Все остальное время он должен быть закрыт.
В сосуде требуется создавать малое давление гелия, поэтому микронатекатель К5 имеет соответствующую этому требованию конструкцию. Достаточно ручку микронатекателя потянуть на себя, и через игольчатый капилляр будет натекать гелий. Аналогичную конструкцию имеет микронатекатель K6 для медленного напуска воздуха.
Для измерения разности концентраций газов используется мостовая схема (рис. 4). Здесь D1 и D2 – датчики теплопроводности, расположенные в сосудах V1 и V2; они составляют одно плечо моста. Второе плечо моста составляют сопротивления r1, R1 и r2, R2, r1<<R1, r2<<R2, R1 и R2 спаренные. Их подвижные контакты находятся на общей оси. Оба они используются для грубой регулировки моста (ручка «грубо» источника питания (ИП), рис. 5). Точная балансировка моста выполняется потенциометром R (ручка «точно», см. рис. 5.). В одну из диагоналей моста включен электронный вольтметр (ЭВ), к другой подключается с помощью включателя (В) небольшое постоянное напряжение (ИП). Мост балансируется при заполнении сосудов (и датчиков) одной и той же смесью. При заполнении сосудов смесями различного состава возникает «разбаланс» моста, зависящий от разности концентраций.
В
ИП
Рис. 4. Мостовая схема с датчиками теплопроводности для измерения разности концентраций газов.
Для измерения разности концентраций в данной установке применяются датчики теплопроводности D1 и D2, (см. рис. 2, 4) и используется зависимость теплопроводности газовой смеси от ее состава. Тонкая проволочка радиуса rпр, протянутая вдоль оси стеклянного цилиндра радиуса Rц, нагревается током. Тепло от проволочки к стенке цилиндра переходит главным образом вследствие теплопроводности газа, находящегося внутри цилиндра.
Ручка «Грубо»
Включатель «В»
Выводы на проволочку
Ручка «Точно»
Рис. 5. Внешний вид источника питания.