Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
86
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
129.02 Кб
Скачать

Міністерство освіти і науки України

Житомирський державний технологічний університет

Кафедра фізики

Група РТ-8

Лабораторна робота №9

„Визначення відношення теплоємностей при сталих об’єму і тиску”

Виконав: Стецюк С.А.

Перевірив: Алексюк В.Ю.

2004

Мета роботи: навчитися визначати параметри теплообміну при різних газових процесах.

Прилади і матеріали: скляний балон з рідким манометром і електромагнітним клапаном, повітряний насос, затискач.

Теоретичні відомості та опис установки

Теплоємність фізична величина, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно підвести до тіла, щоб його нагріти на 1. Теплоємність газів залежить від умов. За яких вони нагріваються. Для газів безпосереднє визначення теплоємностей при сталому об’ємі пов’язане зі значними труднощами. Щоб обчислити теплоємність при сталому об’ємі , можна скористатись відношенням і значенням теплоємності при сталому тиску , яке порівняно легко визначається експериментально. Відношення теплоємності визначають за допомогою установки, яка є великим скляним балоном, з’єднана з гумовим шлангом з рідинним манометром і повітряним насосом. Шланг, що веде до насоса, може бути перекритий затискачем. На балоні змонтований електромагнітний клапан, при вмиканні якого балон з’єднується з атмосферою. За допомогою насоса до балона накачується повітря. Коли різниця тисків у рідинному манометрі досягне 7...9 см, затискачем відокремлюють повітря у балоні від зовнішнього повітря.

Нагнітання в балон повітря проходить дуже швидко і близько до адіабатичного. Тому температура в балоні зростає. Для встановлення рівноважного стану необхідно деякий час, протягом якого проходить теплообмін повітря в балоні з зовнішнім середовищем і рівні рідин в манометрі стануть однаковими. Це буде тоді коли температура повітря в балоні стане дорівнювати кімнатній. Для цього стану позначимо m1 – масса повітря, що знаходиться у балоні, Т1 – його абсолютна температура; p1 – тиск; V – об’єм (об’єм балона). Очевидно, що p1=p0+h1 (якщо p0 і h1 виражені в одних і тих самих одиницях; де h1 – різниця тиску рідин манометра, що відповідає тиску p1, а p0 – атмосферний тиск).

Визначивши h1 з’єднати на 1..2 с об’єм балона із зовнішнім середовищем. Повітря, що знаходиться в балоні, адіабатично розширюється, його внутрішня енергія зменшується і відповідно знижується до значення температури Т2 при тиску р0. Оскільки при розширення частина повітря з балона вийде, маса повітря в балоні стане меншою за m1 (позначимо її m); об’єм як і раніше, буде V.

Після відключення балона від зовнішнього середовища повітря в балоні почне нагріватися внаслідок теплообміну з оточуючим середовищем, тиск його збільшиться, про що можна судити за зміщенням рідини у манометрі. Коли температура у балона стане дорівнюватиме кімнатній, рівні рідини в балоні перестануть змішуватися і їх різниця h2 стане сталою. В цьому стані температура в балоні дорівнюватиме Т1, а його тиск p2=p0+h2; маса повітря m; об’єм V. Таким чином, маємо три стни повітря в балоні:

  1. притиску р1 і температурі Т1 маса повітря m1 займає об’єм V;

  2. при тиску р0 і температурі Т2 маса повітря m займає об’єм V;

  3. при тиску р2 і температурі Т1 маса повітря m1 займає об’єм V.

Ураховуючи незначну зміну мас, вважатимемо надалі, що m=m1=const.

Перехід з першого до другого стану проходить адіабатично. Для нього справедливо рівняння Пуассона:

(9.1)

де .

Перехід із другого до третього стану проходить без змін об’єму. Для нього модна застосувати закон Гей – Люссака:

(9.2)

Визначивши з рівнянь (9.1) і (9.2) Т1 і Т2, дістанемо:

(9.3)

Логарифмуючи рівняння (9.3). знаходимо

(9.4)

Розкладемо lgp1 і lgp2 в ряд Тейлора і обмежимося його двома першими членами:

,

.

Підставивши ці значення в (9.4), дістанемо:

(9.5)

З теорії теплоємностей газів відомо, відношення теплоємностей газу при сталих при сталих об’єму і тиску залежить тільки від ступнів свободи молекули і визначаються за формулою:

(9.6)

(для двох атомних газів і=5)

Порядок виконання роботи

  1. Накачати повітря в балон так. Щоб перепад між рідинами в манометрі не перевищував 7....9см, і перекрити трубку затискачем.

  2. Через 2..3хв, коли тиск у балоні стабілізується, визначити h за числом поділок шкали між рівнями рідин в манометрі.

  3. На 1...2 с відкрити клапан (не дозволяється багаторазове відкривання клапана).

  4. Почекати 3....4 хв, поки повітря в балоні не нагріється до температури зовнішнього середовища, зняти в друге покази манометра.

  5. За формулою (9.5) знайти значення для повітря

Дослід повторити не менше 10 разів.

  1. Відкинути найбільше та найменше значення . Значення, що залишилися усереднити і знайти абсолютну похибку вимірювання.

∆γ = tp(n) n=8 p=0.95 tp(n)=2.4

2.40.2

  1. Здобутий результат порівняти з теоретичним значенням, обчисленим за формулою (9.6).

Для нашого випадку і=5

  1. Записати результат у вигляді .

Відповіді до контрольних запитань.

1 а). Який процес називається адіабатичним?

Адіабатичним процесом називається термодинамічний процес, який виконується в системі без теплообміну його з зовнішніми тілами. Прикладом може бути представлений дуже швидке розширення в атмосферу газу, розмішеного в тепло ізольованому посуді, при швидкому відкриванню газу.

1 б). Записати вирази для і та вивести їх співвідношення:

; ;

;

2 а). Що таке число ступенів свободи ?

Числом ступенів свободи тіла називається найменше число координат (число незалежних координат), які потрібно задати для того, щоб повністю визначити положення тіла у просторі.

;

3 а). Чому у цій роботі як манометричну рідину не беруть ртуть?

Це пов’язано з тим, що при нагнітанні повітря в балон, там відбувається адіабатичний процес, тому температура повітря в балоні зростає, а оскільки манометр зв’язаний з балоном, то є можливість, що ртуть почне нагріватися. Як відомо при нагріванні ртуть почне розширюватись. Тому покази будуть невірними.

Задача 5.184

1 кмоль азота, за нормальних умов, розширюється адіабатично від об’єма V1 до об’єма V2=5V1. Знайти: 1) зміну внутрішньої енергії газу; 2) роботу, яка виконується при розширенні?

1) При адіабатичному процесі , тому:

МN=12кмоль Температуру Т2 моно знайти за рівнянням Пуассона:

І=5

___________________ Тому остаточно буде:

? ?

2) ; А= - 2,69*106Дж

Відповідь: А= - 2,69*106Дж, =2,69*106Дж