Теория метода и описание экспериментальной установки.

Э кспериментальная установка (рис.1) представляет собой трубку 1, один конец которой размещается внутри сосуда Дьюара 2. второй конец трубки через капилляр 3 соединен с компрессором 4 , обеспечивающим постоянный поток воздуха по трубке 1. Внутри трубки располагается нагреватель 6 в виде вольфрамовой спирали. Последовательно с обмоткой нагревателя включен добавочный резистор , предназначенный для измерения силы текущего по спирали тока. Разность температур воздуха в трубке 1 и внутри сосуда Дьюара измеряется при помощи дифференцированной копель-хромелевой термопары 7.

При включении компрессора в трубке 1 возникает стационарный поток воздуха, что приводит к понижению в трубке давления на величину , измеряемую U-образным жидкостным манометром 5. Подогрев воздуха в трубке осуществляется подачей на гнёзда « » постоянного стабилизированного напряжения от внешнего источника питания.

Определить величину удельной теплоёмкости воздуха при постоянном давлении можно, определив количество тепла , передаваемого в единицу времени нагревателем воздуху при нагревании единицы массы последнего на . Величина , очевидно, равна мощности нагревателя, поэтому:

,

где – сила тока в обмотке нагревателя, – напряжение, действующее на обмотке нагревателя, dT – разность температур нагреваемого потока воздуха и воздуха внутри сосуда Дьюара, m – массовый расход воздуха, т.е. масса воздуха, прошедшего через поперечное сечение трубки 1 в единицу времени под действием перепада давлений .

Сила тока в обмотке нагревателя измеряется по падению напряжения на добавочном резисторе :

.

Тогда:

. (7)

Массовый расход m воздуха может быть определён при помощи формулы Гагена-Пуазейля:

, (8)

где r и l – радиус и длина капилляра 3, η – коэффициент внутреннего трения воздуха при данной температуре (берется из справочных таблиц), – перепад давлений (в паскалях) на концах капилляра 3, - плотность воздуха при атмосферном давлении и комнатной температуре .

Поскольку перепады давлений и измеряются открытым жидкостным манометром, то с учётом последнего выражения, формула (8) принимает вид:

. (9)

Ход выполнения работы

Лабораторная установка состоит из двух блоков. Внутри первого блока (универсальный комплект лабораторного оборудования ЛАБЭКС) находятся источник питания, компрессор и мультиметр. Во втором блоке расположена непосредственно экспериментальная установка (рис.1). Н а передней панели второго блока расположены манометрическая трубка 1 с измерительной шкалой посередине; штуцер 2, соединяющий при помощи резинового шланга экспериментальную установку с компрессором; кнопки «ТЭДС», «U_Д» и «U_Н» 3, позволяющие переключать установку из одного режима измерений в другой; гнезда 4 и 5, соединяющие экспериментальную установку с источником питания и мультиметром.

ПОДГОТОВКА БЛАНКА ОТЧЕТА

1. При помощи термометра определите температуру окружающего воздуха, а при помощи барометра – давление.

2. Занесите полученные данные в таблицу 1, предварительно переведя мм рт. ст. в паскали, а градусы Цельсия в кельвины.

ИЗМЕРЕНИЯ

1. При помощи проводов соедините гнезда 4 лабораторной с выходом источника питания.

2. Поверните ручки «ГРУБО» и «ТОЧНО» до упора против часовой стрелки.

3. Штуцер компрессора при помощи резинового шланга соедините со штуцером 2.

4. Переключите мультиметр в режим измерения постоянного напряжения на пределе 20 V.

5. Включите электропитание блока 1.

6. Нажмите кнопку «U_Н» (измерение напряжения на нагревателе) на панели лабораторной установки.

7. При помощи ручек «ГРУБО» и «ТОЧНО» подайте на нагреватель первое из заданных значений напряжения: , , , . Занесите показания мультиметра в таблицу.

8. Нажмите кнопку «ТЭДС», а мультиметр переключите на предел измерения 200 mV.

9. Наблюдайте за показаниями мультиметра до тех пор, пока прибор не будет регистрировать постоянное во времени значение ТЭДС. Занесите это значение в таблицу.

10. Нажмите кнопку «U_Д» на панели второго блока лабораторной установки и произведите отсчет напряжения U_Д на добавочном резисторе. Результат измерений занесите в таблицу.

11. Занесите в таблицу величину разности уровней манометрической жидкости.

12. Повторите описанный действия для остальных трех значений напряжения на нагревателе.

13. По формуле (7) рассчитайте удельную теплоёмкость воздуха при постоянном давлении.

14. Найдите среднее значение удельной теплоёмкости , где i – номер опыта, N = 4 – число измерений.