Добавил:

Studfiles2 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского (МАТИ)

Предмет:

Физика

Файл:

Молекулярная физика. Лабораторная работа №1 / Молекулярная физика, работа №1

.doc

Скачиваний:

Добавлен:

01.05.2014

Размер:

219.14 Кб

Скачать

☆

Лабораторные работы по молекулярной физике и термодинамике

Лабораторная работа №1

Определение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении

Цель работы

Экспериментальное определение теплоемности воздуха при постоянном давлении методом протока. Изучение мето-дов измерения разности температур и расхода воздуха.

ТЕОРЕТИЧЕСКие основы работы

Теплоемкостью тела (газа) называется такое количество тепла, которое надо сообщить телу (газу), чтобы повысить его температуру на 1 кельвин:

(1.1.1)

Здесь означает не приращение функции, а элементар-ное количество теплоты. Поскольку величина зависит от процесса, т.е. является функцией процесса, то и теплоёмкость тоже является функцией процесса. Поэтому без указания процесса выражение для теплоёмкости не имеет смысла.

В основном пользуются молярной теплоёмкостью (т.е. теп-лоёмкостью моля вещества) , Дж/(моль·К). В таблицах же часто указывают удельную теплоёмкость (т.е. теплоёмкость единицы массы) , Дж/(кг·К). Соотношение между теплоём-костями следующее:

, (1.1.2)

где – молярная масса вещества.

Особое значение при рассмотрении процессов в газах име-ют два значения теплоёмкости: при постоянном объёме и постоянном давлении . Разность значений теплоемкостей и связана с тем, что, согласно Первому началу термо-динамики, теплота, сообщаемая системе, идет на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой рабо-ты. При постоянном объеме работа не совершается, поэтому теплоемкость меньше . Настоящая работа посвящена оп-ределению теплоемкости воздуха постоянном давлении .

При измерение воздуха в данной работе воздух прока-чивается через тонкую трубку с размещенным в ней нагрева-телем. И трубка, и нагреватель находятся в теплоизолирую-щей оболочке – сосуде Дьюара. При этом измеряется коли-чество джоулева тепла, отдаваемого воздуху нагревателем в единицу времени:

, (1.1.3)

где – ток в нагревателе,

– напряжение, выдаваемое источником питания.

Также измеряются массовый расход воздуха через труб-ку и разность температур воздуха на входе и выходе сосу-да Дьюара.

Без учета тепловых потерь, связанных с теплообменом че-рез стенки калориметра, тепло, выделяемое нагревателем, полностью расходуется на нагрев газа, т.е.

, (1.1.4)

где – удельная теплоемкость воздуха.

Величина теплоемкости определяется из соотношения:

(1.1.5)

Данный метод измерения не учитывает тепловые поте-ри калориметра в виду их малости по сравнению с теплом, полученным воздухом.

Описание установки и метода исследования

Воздух прокачивается вакуумным насосом (компрессором) через трубку 2, размешенную в теплоизолирующей оболочке 1 (рис.1.1.1 и рис.1.1.2).

Измерение расхода воздуха (т.е. массы воздуха, проходя-щего через трубку за 1 секунду) производится по перепаду давлений на капилляре, который вместе с трубкой 2 образует единую проточную магистраль. Протекая через трубку, воз-дух нагревается электрической спиралью 3. Разность темпера-тур на входе и выходе трубки измеряется дифференциальной термопарой 4. Э.д.с. термопары измеряется милливольтмет-ром, подключенным к ней через разъемы 5. Электрический нагреватель 3 питается постоянным током от блока питания, подключенного к нагревателю через соответствующие разъе-мы. Напряжение на нагревателе измеряется вольтметром, сое-диненным с ним через разъемы 5. Ток в нагревателе опреде-ляется по измеренному милливольтметром напряжению на образцовом сопротивлении :

(1.1.6)

Порядок выполнения работы

1) Выписать данные и начертить схему установки. По баро-метру определить давление воздуха в лаборатории и по тер-мометру – его температуру. По таблице в Приложении 3 опре-делить плотность воздуха в момент проведения эксперимента. Полученные значения занести в таблицу 1.

Примечание: В качестве данных установки может быть за-дан массовый расход воздуха, который является постоянным в течении всего опыта.

Таблица 1

Данные установки
Радиус капилляра,
Длина капилляра,
Образцовое сопротивление,
Условия проведения опыта
Коффициент динамической вязкости воз-духа при и ,	0,0182
Температура воздуха,
Атмосферное давление,
Плотность воздуха,

2) Соединить источник питания и микромультиметр с клем-мами "Источник питания" и "Термопара" соответственно.

3) Включить электропитание стенда, компрессор, источник питания и микромультиметр. Установить предел измерения милливольтметра – 20 вольт.

4) Убедиться в том,что на выходе источника питания отсут-ствует напряжение.

5) Открыть впускной клапан и зафиксировать его. Произ-вести отсчет разности уровней жидкости в U-образном мано-метре и определить перепад давлений на концах капилляра по формуле:

(1.1.7)

где – плотность воды ,

– перепад уровней.

6) Определить расход воздуха в установке, используя соот-ношение Пуазейля

; (1.1.8)

где – расход воздуха, т.е. объем воздуха, протекающего за 1 се-кунду через капилляр;

– радиус капиляра;

– длина капилляра;

– коэффициент динамической вязкости воздуха;

– плотность воздуха при данной температуре и дав-лении.

Вывод формулы Пуазейля (2.5.7) представлен в лаборатор-ной работе №5.

7) Регулятором напряжение установить – первое из пе-речисленных ниже значений напряжения:

8) Наблюдать за показаниями милливольметра, измеряющего Э.Д.С. термопары, до тех пор, пока прибор не будет регистри-ровать постоянное значение Э.Д.С. (примерно через 7-10 минут).

9) Произвести отсчет напряжения на нагревателе по шкале 20 вольт и – Э.Д.С. термопары, переключив милли-вольтметр на предел измерений 200 мВ.

10) Измерить милливольтметром напряжения на образцо-вом сопротивлений , подключив его к соответcтвующим разъемам.

11) Вычислить значения по формуле (1.1.6); по форму-ле (1.1.3). Разность температур определить по Э.Д.С. дифференциальной термопары, используя тарировочный график.