Определение отношения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и объеме резонансным методом

Цель работы: изучение процесса распространения звуковой волны, измерение скорости звука в воздухе при различных температурах и определение отношения теплоемкостей .

Основные теоретические положения

Упругими волнами называются распространяющиеся в упругой среде механические возмущения (деформации). Предположим, что вдоль однородного цилиндрического образца с площадью поперечного сечения распространяется упругая продольная волна. Следовательно, по образцу со скоростьюраспространяется относительная деформация(рис. 2.1). Выделив некоторую часть образца длинойl, определяем плотность недеформированной среды:

, (2.1)

Сжатию соответствует увеличение плотности, следовательно, плотность в области сжатия будет равна:

, (2.2)

поскольку площадь поперечного сечения не изменяется, а длина уменьшается.

Преобразуем полученную формулу, умножив и разделив ее на величину :.

Учитывая, что деформация мала и , получим после несложных преобразований:

.

Отсюда, с учетом формулы (2.1), имеем: . Обозначим относительную деформациюи для изменения плотности запишем:

. (2.3)

Распространение возмущения представляет собой движение области сжатия со скоростью вдоль образца. За промежуток временичерез поперечное сечение пройдет участок сжатия длиной. Масса этого объема газа, или, с учетом (2.3),.

Объем газа массой dm движется со скоростью и имеет импульс. Это изменение импульса объема массойdm по второму закону Ньютона равно произведению действующей на него силы упругости и времени ее действия. Сила упругости определяется законом Гука в следующем виде:

, (2.4)

где – напряжение,Е  модуль упругости. Таким образом, . Следовательно,, откуда получаем формулу для скорости распространения продольной упругой волны:

. (2.5)

Если упругая волна распространяется в газе, находящемся в гладкой прямолинейной трубе с постоянным поперечным сечением, то, учитывая, что в отличие от твердых тел, газы не оказывают сопротивление сдвигу, в них могут возникать только продольные волны. Следовательно, скорость распространения упругой волны в газе можно вычислить по формуле (2.5). Для этого определим модуль упругости Е для газа.

Если при действии силы F на некоторый объем газа давление в нем возрастет на величину по отношению к давлениюP в невозмущенном состоянии, то, воспользовавшись законом Гука, записанным в виде формулы (2.4), и умножив числитель и знаменатель этого выражения на площадь образца , можно получить:

(2.6)

или . (2.7)

Если считать изменения давления и объемабесконечно малыми, можно записать:

, (2.8)

где знак «минус» означает, что увеличение давления соответствует уменьшению объема.

Предположим, что в газе распространяется звуковая волна, которая представляет собой упругую волну малой интенсивности, с частотой от 16 до 20000 Гц. Колебания плотности в звуковой волне происходят так быстро, что теплообмен между слоями газа, имеющими различные температуры, не успевает происходить. Поэтому процесс распространения звуковой волны в газе можно считать адиабатным, и к нему можно применить уравнение Пуассона , дифференцируя которое получаем:, откуда

. (2.9)

Из выражений (2.8) и (2.9) найдем:

. (2.10)

Определим Р из уравнения МенделееваКлапейрона и, учитывая, что плотность газа , запишем. Подставив эту формулу в уравнение (2.10), имеем:

. (2.11)

Подставив выражение (2.11) в (2.5), получаем формулу Лапласа для расчета скорости звука в газе:

, (2.12)

из которой следует:

. (2.13)

Таким образом, для определения отношения теплоемкостей газа достаточно измерить его температуру и скорость распространения звука в этом газе.

Скорость звука при данной температуре может быть определена резонансным методом. Во время распространения волны вдоль закрытого канала она многократно отражается от торцов, и звуковые колебания в канале представляют результат наложения этих отраженных волн. Если длина канала L равна целому числу полуволн (n  целое число,   длина волны), то волна, отраженная от торца канала, возвратившись к его началу и снова отражаясь, совпадает по фазе с падающей волной. Такие волны усиливают друг друга, амплитуда колебаний при этом резко возрастает  наступает резонанс. При звуковых колебаниях слои газа, прилегающие к торцам канала, не испытывают смещения. В этих местах образуются узлы смещения, которые повторяются через /2 по всей длине канала. Между узлами находятся максимумы смещения (пучности).

Скорость звука связана с частотой колебаний и длиной волны  соотношением , с учетом которого условие резонанса можно записать в виде:или

, (2.14)

где  резонансная частота.

Зависимость резонансной частоты от номера резонансаn (2.14) может быть проверена экспериментально. Изменяя частоту колебаний при постоянной длине канала, построим график зависимости , по угловому коэффициенту которогоопределим скорость звука.