ph_lab_10
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра физики
отчет
по лабораторной работе №10
по дисциплине «Физика»
Тема: Исследование процессов переноса в газах
Студент гр. 1205 |
|
Агеев А.А. |
Преподаватель |
|
Мыльников И.Л. |
Санкт-Петербург
2021
Цель работы: изучение явлений переноса в газе. Определение коэффициентов диффузии и вязкости воздуха, длины свободного пробега и эффективного диаметра его молекул.
Приборы и принадлежности: прибор для измерения объемной скорости истечения газа из трубки.
Исследуемые закономерности
Явления переноса. Хаотическое движение молекул в газе приводит к тому, что в объеме газа поддерживается равновесное состояние, которое характеризуется постоянством его параметров состояния и концентрации молекул во всем объеме.
При нарушении равновесия в газе хаотическое движение молекул приводит к возникновению макроскопических потоков, стремящихся восстановить нарушенное равновесное состояние. Явления, возникающие при протекании этих процессов, называются явлениями переноса.
К явлениям переноса относят внутреннее трение (вязкость), диффузию и теплопроводность. В данной работе исследуются первые два явления.
Внутреннее трение это явление, обусловленное переносом импульса молекул. Сила трения, возникающая между слоями газа, определяется как
где коэффициент внутреннего трения (вязкости); v скорость отдельных слоев газа; dv/dz градиент скорости слоев газа в направлении, перпендикулярном к поверхности, разделяющей слои (в направлении оси z перпендикулярной скорости слоев v); S площадь соприкасающихся слоев.
Выражение для средней скорости слоёв газа:
Это
выражение называется формулой Пуазейля.
В данной работе измеряется расход газа
,
определяемый как объем
газа, вытекающий из трубки за некоторый
промежуток времени
.
Расход газа связан со средней скоростью
соотношением
,
так что средняя скорость слоев газа по
сечению трубки
Приравнивая полученные выражения для , получаем формулу для расчета коэффициента вязкости газа:
Диффузия это явление, обусловленное переносом массы молекул. Если различные области занимаемого газом объема различаются концентрацией молекул, то в газе возникают макроскопические потоки молекул, стремящиеся выровнять их концентрацию. Процесс диффузии описывается законом Фика:
где m масса газа, переносимая через площадь поверхности S в единицу времени; D коэффициент диффузии; d/dz градиент плотности газа в направлении переноса массы газа.
Молекулярно-кинетические
соотношения.
Кинетические коэффициенты D
и
зависят от средней скорости теплового
движения молекул
и средней длины свободного пробега
молекул
В
формулах используются следующие
обозначения: T
температура газа; R = 8.31 Дж/(Кмоль)
универсальная газовая постоянная;
плотность газа;
его молярная масса; d
газокинетический или эффективный
диаметр молекул;
n – концентрация молекул газа (
-число
Авогадро).
Протокол наблюдений
Лабораторная работа № 10
«Исследование процессов переноса в газах»
Выполнил студент группы аааааааааа аааааааааааааааааааааааа
Таблица 10.1
2a, мм |
l, см |
t1, °С |
T1, К |
p, Па |
|
|
|
|
|
Таблица 10.2
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Работа выполнена «___» _______ 2021 г. __________________
Контрольные вопросы:
Опишите принцип действия тепловой машины. Из каких элементов они состоят? Какой принцип действия лежит в основе работы тепловой машины?
Принцип
действия тепловых машин заключается
в следующем. За
один цикл работы от нагревателя к газу
подводится количество теплоты Q+,
которое частично идет на совершение
полезной механической работы (работы
тепловой машины) A,
а частично – на подведение теплоты
|Q-| к
холодильнику ( взято по модулю, так
как теплота Q- отводится
от газа, т. е. Q-<0).
Тепловая машина тесно связана с циклическими процессами. Поведение ее рабочего тела описывается циклом в координатах p и V (на pV-диаграмме).
В основе работы тепловой машины лежит закон сохранения энергии
Запишите уравнения адиабаты (уравнения Пуассона) в переменных pV, TV, pT.
pV:
;
TV:
pT:
.
Обработка результатов эксперимента.
Найти вязкость воздуха
P=95%:
Вычислить коэффициент диффузии воздуха
Оценить среднюю длину свободного пробега λ молекул и газокинетический диаметр d молекул воздуха (молярная масса воздуха = 29 ∙ 103 кг/моль):
Рассчитать теплопроводность воздуха, сравнить с табличным значением ( 24 мВт/(м·К)):
Проверить число Рейнольдса и длину стационарного распределения скорости:
Вывод: в ходе лабораторной работы рассчитана вязкость воздуха, коэффициент диффузии воздуха, средняя длина свободного пробега и газокинетический диаметр молекул воздуха, теплопроводность воздуха, число Рейнольдса и длина стационарного распределения скорости. Сделан вывод об отсутствии завихрений при течении газа. Большое отклонение практического значения теплопроводности от теоретического связана прежде всего с погрешностью лабораторной установки.