2. Описание имитируемой установки и компьютерной программы

Установка (рис.4) состоит из цилиндра 3 с находящимся в нем идеальным газом 5 под массивным поршнем 2. Цилиндр имеет теплоизолирующую рубашку, т.е. полость 4, которая для обеспечения изотермичности при сжатии газа заполняется “идеальным” теплоносителем. При изобарном процессе расширения эта жидкость “сливается” и полость “откачивается” до высокого вакуума, что обеспечивает полную термоизоляцию газа от внешней среды.

В исходном положении поршень удерживается электромагнитом 1. Нагревание газа в цилиндре осуществляется электронагревателем 6 (электролампочкой), находящимся вблизи дна цилиндра. В днище цилиндра имеется клапан 7, выпускающий газ из цилиндра при проведении эксперимента по определению силы трения скольжения поршня о цилиндр.

Установка имеет следующие неизменяемые параметры:

- рабочая высота цилиндра L₁=0,15 м;

- площадь поперечного сечения цилиндра S = 1,3710^-4 м²;

- атмосферное давление p₀ = 10⁵ Па;

• напряжение и сила тока электронагревателя U=12 В, I=0,02 А;

• в качестве идеального газа используется двухатомный газ с числом степеней свободы i = 5.

Параметрами, которыми варьируют в процессе проведения лабораторной работы, являются масса поршня М и время t протекания электрического тока через электронагреватель.

Лабораторная работа выполняется в три этапа.

На первом этапе при открытом положении клапана определяется сила трения на основе измерения времени падения поршня на дно цилиндра.

На втором этапе при закрытом клапане газ под поршнем сжимается изотермически. Движение поршня происходит под действием трех сил: силы тяжести, силы трения и силы давления газа.

На третьем этапе осуществляется изобарное расширение газа. Газ при этом нагревается с помощью электронагревателя. В этом случае в соответствии с первым началом термодинамики теплота, выделяемая электронагревателем, расходуется на увеличение внутренней энергии системы и работу против внешних сил.

Моделирование экспериментов осуществляется компьютерной программой, написанной на языке Visual Basic и обеспечивающей визуализацию на дисплее следующих процессов:

• движение поршня в машинном масштабе времени при определении силы трения;

• поступательное движение и колебание поршня около положения равновесия в машинном масштабе времени при изотермическом сжатии и изобарном расширении;

• измерение реального времени падения поршня по лабораторным часам при определении силы трения;

• измерение высоты остановки поршня после изотермического сжатия и изобарного расширения.

Компьютерная программа обеспечивает диалоговый режим общения пользователя с ПК. Компьютер дает указания к выполнению последовательности операций, отображая их на информационных табло, а пользователь с помощью клавиатуры выполняет указания ПК. В процессе диалогового общения задаются также и варьируемые параметры (M и t). Выполнив все предварительные операции, программа переходит к имитационному эксперименту, после завершения которого на экране дисплея отображается вся информация об эксперименте, которую необходимо внести в соответствующие таблицы (табл. 1 и 2). На экране дисплея высвечивается также информационное табло с вопросом о необходимости повторения работы. Если пользователь отвечает «да», выполнение работы повторяется при тех же параметрах, если «нет», то ПК выходит из программы.

Таблица 1