“Фізика”, “Фізика та екологія”. Лабораторна робота № .

Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи з дисциплін “Фізика”, “Фізика і екологія” підготовки фахівців за ОКР “Бакалавр” напряму 6.070101 “Транспортні технології (за видами транспорту)”, напряму 6.050101“Інформатика та обчислювальна техніка” галузі знань 0501“Комп'ютерні науки”, напряму 6.170103 “Управління інформаційною безпекою” галузі знань 1701“Інформаційна безпека” / укл. Євсєєва Т. М., О. В. Шаповалов, – Дніпропетровськ: Університет митної справи та фінансів, 2016. – 16 с.

Укладач: Євсєєва Т. М., доц., канд. фіз.-мат. наук, кафедри товарознавства та митної експертизи Університет митної справи і фінансів.

Шаповалов О. В. доц., канд. техн. наук. кафедри товарознавства та митної експертизи Університет митної справи і фінансів

Методичні вказівки до виконання Лабораторної роботи з дисциплін “Фізика”, “Фізика та екологія” є учбовим документом, що визначає тему, зміст, склад, вимоги до виконання, вимоги до оформлення лабораторної роботи за дисципліною у відповідності до освітньо – кваліфікаційної характеристики напряму підготовки з циклу професійної та практичної підготовки для ОКР “бакалавр”, а також надають послідовність викладення матеріалів лабораторної роботи, завдання та контрольні питання, перелік основної та додаткової літератури та джерел електронного доступу.

Додаткова інформація надається окремо у ДОДАТКАХ.

Вивчення дисциплін “Фізика”, “Фізика та екологія” ґрунтується на знаннях, досягненнях та методах фундаментальних та прикладних наук з фізики, філософії, біології, хімії, соціології, психології, екології, економіки, менеджменту тощо, отриманих із матеріалів попередньо опрацьованих дисциплін, спеціальних дисциплін напряму навчання та митного спрямування, особистому життєвому досвіді та ін.

Редактори: Дерев’янко Т. П. Масюк Н. Г. Гончаренко О. В.

Підписано до друку Формат 60´84 1/16. Папір офсетний.

Ум. друк. арк. Облік.-вид. арк. Тираж прим.

Замовлення №

Дніпропетровськ: Академія митної служби України (свідоцтво про видавничу діяльність ДК №10 від 24.02.2000 р.).

49000, М. Дніпропетровськ, вул. Рогальова, 8

ЗМІСТ		ст.
Зміст
1. Лабораторна робота № 3( )
	1.1. Тема: “Визначення відношення молярних теплоємностей газу за методом Клємана-Дезорма”.
	1.2. Мета.
	1.3. Прилади та обладнання.
2. Теоретичні відомості.
3. Методи спостереження і реєстрації.
4. Порядок виконання роботи.
	4.1. Загальний вигляд приладу та опис приладу.
	4.2. Порядок виконання роботи.
	4.3. Таблиця дослідів.
	4.4. Таблиця розрахунків.
	4.5. Графік залежності p-V по методу Клємана-Дезорма
	4.6. Висновки.
5. Контрольні питання.
6. Література.
	6.1. Базова
	6.2. Допоміжна
	6.3. Електронний ресурс
7. ДОДАТОКИ

1. Лабораторна робота №3 (2015/2016 н.Р.)

1.1. Тема: “Визначення відношення молярних теплоємностей газу за методом Клємана-Дезорма”

1.2. Мета: Удосконалити на практиці знання законів ідеального газу. Засвоїти сутність ізотермічного, ізохорного, ізобарного та адіабатного процесів, а також понять теплоємності ідеального газу при постійному тискові та постійному об’ємі, понять кількості степенів вільності молекули, внутрішньої енергії ідеального газу, основного закону термодинаміки.

1.3. Прилади та обладнання: прилад Клємана-Дезорма, U - образний манометр з рідиною, насос, фізичні таблиці.

2. Теоретичні відомості.

Ідеальним називається газ, в якому взаємодією молекул між собою можна знехтувати. Стан газу в термодинамічній системі описується макроскопічними параметрами:

р ‑ тиском,

V ‑ об'ємом,

Т ‑ температурою.

Параметри стану термодинамічної системи пов'язані між собою рівнянням стану. Для ідеального газу це рівняння має вигляд:

Питомою теплоємністю газу називається величина, яка чисельно дорівнює кількості теплоти, що необхідно надати одиниці маси газу, для того, щоб збільшити його температуру на один градус.

Для газів ця величина залежить від умов, при яких здійснюється підігрів. Можна проводити підігрів (охолодження) при постійному об'ємі чи при постійному тиску. Тоді отримаємо відповідно питому теплоємність газу С_V (ізохорну) при постійному об'ємі V чи при теплоємність газу С_P (ізобарну) постійному тиску p. При цьому завжди С_P  С_V,, тому що при постійному тиску тепло, яке підводиться до тіла, буде розходжуватимуся не тільки на змінення його температури, але й на змінення об’єму. Це пояснюється тим, що для підігріву газу з постійним об'ємом V уся кількість теплоти йде тільки на збільшення внутрішньої енергії газу; а при підігріві газу з постійним тиском  p окрім теплоти, яка йде на збільшення внутрішньої енергії газу, необхідно ще тепло для роботи розширення газу.

Безпосереднє визначення С_P та С_V важке, оскільки теплоємність газу замала величина у порівнянні з теплоємністю сосуду. Простіше визначити відношення цих теплоємностей:

Параметр γ називається показником адіабати (коефіцієнтом Пуассона) і має велике значення у термодинаміці.

γ входить до рівняння Пуассона, яке й описує адіабатичні процеси:

р Vγ = Сonst

Адіабатичним процесом називається така зміна стану газу, яка проходить без теплообміну з навколишнім середовищем. Відтак перший закон термодинаміки для адіабатичного процесу розширення прийме вигляд:

dU+dA=0 або dA = – dU

Отже робота розширення газу при такому процесі буде здійснюватися за рахунок внутрішньої енергії газу. Оскільки внутрішня енергія газу прямо пропорційна його абсолютній температурі, то після здійснення адіабатичного процесу розширення температура газу знижується.

Запропонований Клєманом та Дезормом метод полягає у наступному.

Якщо у скляний балон, з’єднаний з манометром, за допомогою насосу закачати повітря, то тиск у балоні буде вище за атмосферний. Після того, як повітря у балоні прийме температуру навколишнього повітря Т₁, тиск у балоні буде p₁:

p1 = p2 + bh1	(1)
де
p2 ‑ атмосферний тиск,
h1 ‑ різниця рівнів рідини у манометрі,
b – коефіцієнт переходу від різниці рівнів манометру у см до тиску, що вимірюється у паскалях (Па) за системою СІ.

Цей стан газу з параметрами p₁ Т₁ V₁ будемо вважати початковим.

Швидке розширення газу можна з достатнім наближенням розглядати як адіабатичне. Якщо за короткий час (десь  0,5 с) газ розширити, поєднавши з атмосферним, то тиск у балоні знизиться до атмосферного. Газ перейде до нового стану, який характеризується величинами p₂ Т₂ V₂.

Температура газу T₂ після адіабатичного розширення буде менша ніж навколишня внаслідок зменшення внутрішньої енергії газу. Саме за рахунок внутрішньої енергії газу і була здійснена робота розширення А.

Параметри початкового і нового стану газу пов'язані рівнянням Пуассона для адіабатичного процесу:

	(2)

Через 3-5 хв. газ нагріється до температури навколишнього повітря. Оскільки при цьому підігріві об’єм газу залишається незмінним, то тиск збільшиться до p₃ ізобарно. При цьому:

p3 = p2 + b h2 ,	(3)
де h2 ‑ різниця рівнів на манометру.

Кінцевий стан газу характеризується параметрами p₃ Т₁ V₂.

Початковий і кінцевий стан газу знаходиться при одній і тій самій температурі. Тому за законом Бойля-Маріотта для ізотермічного процесу маємо:

p3 V2 = p1 V1	(4)

Піднесемо рівняння (4) до ступеню γ і розділимо його кожну частину на рівняння (2):

;

	(5)

Логарифмуючи рівняння (5), знаходимо:

	(6)

Тиски P₁, P₂, Р₃ відрізняються незначно, тому різницю логарифмів можна замінити різницею самих чисел, тобто:

Підставивши Р₁ та Р₃ з рівнянь (1) та (3) остаточно отримуємо формулу для визначення:

	(7)

За цією формулою і визначається відношення питомих теплоємностей ідеального газу за методом Клємана-Дезорма.