Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ОБЪЁМЕ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

 

Кафедра «Физика»

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ

ВОЗДУХА ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ОБЪЁМЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 144

по дисциплине «Физика»

 

Под редакцией профессора Марченко В.И.

 

 

МОСКВА – 2011

 

 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

 

Кафедра «Физика»

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ

ВОЗДУХА ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ОБЪЁМЕ

 

 

Под редакцией профессора В.И. Марченко

 

 

Рекомендовано редакционно-издательским советом

университета в качестве методических указаний для студентов ИУИТ, ИТТСУ и ИПСС

 

 

МОСКВА -2011

 

 

УДК 531.53

Л-90

 

Р.М. Лагидзе, Ю.Н. Харитонов, А.М. Куюмчян. Определение отношения теплоёмкостей воздуха при постоянном давлении и объёме. Методические указания к лабораторной работе № 144 по дисциплине «Физика» / под ред. проф. В.И. Марченко – М.: МИИТ, 2011. – 13 с.

 

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 144 «Определение отношения теплоёмкостей воздуха при постоянном давлении и объёме» соответствуют программе и учебным планам по физике (раздел «Молекулярная физика») и предназначены для студентов 1, 2 курсов технических специальностей.

 

 

© Московский государственный

университет путей сообщения

(МИИТ), 2011

 

Работа 144

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ ВОЗДУХА

ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ОБЪЁМЕ

 

Цель работы: Определение отношения теплоёмкости воздуха при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме.



Приборы и принадлежности: установка ФПТ1-6, общий вид которой приведён на рис. 3.

 

Введение

 

Удельной теплоемкостью вещества называется величина, равная количеству теплоты, которую необходимо сообщить единице массы вещества для увеличения её температуры на один Кельвин:

с = .

Молярной теплоёмкостью (или теплоёмкостью одного моля вещества) называется величина, равная количеству теплоты, которую необходимо сообщить одному молю вещества для увеличения его температуры на один Кельвин:

C = cμ = = ,

где m – масса; m – масса одного моля вещества, n = – число молей.

В СИ удельная теплоёмкость выражается в Дж/кг∙К, а молярная – в Дж/моль∙К.

Численное значение теплоёмкости зависит от природы газа и процесса нагревания.

Согласно первому закону термодинамики количество теплоты δQ, сообщенное системе, расходуется на увеличение внутренней энергии dU и на выполнение системой работы δA против внешних сил:

 

δQ = dU + δA. (1)

 

Увеличение внутренней энергии идеального газа при увеличении его температуры на dT:

dU = RdT, (2)

где i – число степеней свободы молекулы, под которым подразумевается число независимых координат, определяющих положение молекулы в пространстве: i = 3 – для одноатомных; i = 5 – для двухатомных; i = 6 – для трёх- и многоатомных молекул; R – универсальная газовая постоянная; R =8,31 Дж/(моль·К).

При расширении газа он выполняет работу:

 

δA = PdV.

 

Если газ нагревать при постоянном объёме V = const, то δА = 0, и согласно (1) все полученное газом количество теплоты расходуется только на увеличение его внутренней энергии (dQV = dU), и, учитывая (2), молярная теплоемкость идеального газа при постоянном объеме:

 

CV = = (i/2)R.

Если газ нагревать при постоянном давлении P = const, то полученное газом количество теплоты расходуется на увеличение внутренней энергии dU и выполнение работы δА:

 

δQ =dU+PdV.

 

Тогда молярная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении:

CP = + .

Используя уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона – Менделеева),

PV = RT,

можно доказать, что для одного моля газа

 

P = R,

 

и поэтому молярная теплоемкость при P = const:

 

CP = R.

Для отношения теплоёмкостей g можно записать:

g = = . (3)

 

 

Методика измерений

 

Для определения отношения СР/CV для воздуха в данной лабораторной работе применен метод, предложенный Клеманом и Дезормом, в котором использовано охлаждение газа при его адиабатическом расширении. Предполагается, что воздух – идеальный газ.

Адиабатическим называется процесс, который происходит без теплообмена с окружающей средой. Быстрое сжатие и быстрое расширение газа приблизительно можно рассматривать как адиабатический процесс.

Согласно первому закону термодинамики (1) для адиабатического процесса:

0 = dU + δA.

Откуда δA = -dU = - RdT.

 

Из последнего уравнения видно, что при адиабатическом сжатии температура газа повышается за счёт работы внешних сил (δA<0), а при адиабатическом расши­рении (δA>0) температура газа понижается, т.к. часть внутренней энергии газа расходуется на работу по расширению газа.

Рисунки 1 и 2 поясняют метод Клемана и Дезорма.

На рисунке 1 изображён лабораторный стенд, который состоит из стеклянного баллона Б, наполнённого воздухом и соединённого с водяным манометром М. Посредством крана К баллон может сообщаться с атмосферой. Первоначально в баллоне было атмосферное давление РА и температура TА, равная температуре окружающей среды.

 

 

Рис. 1

 

Рис. 2

 

Если с помощью насоса Н подкачать в баллон некоторое количе­ство воздуха, то давление в баллоне повысится до значения Р1. Манометрический водя­ной столбик не сразу займет окончательное положение, так как при бы­стром сжатии температура повышается. Благодаря теплопроводности стенок сосуда через некоторое время температура воздуха в баллоне сравняется с температурой воздуха окружающей среды. Это состояние газа характеризуется температурой Т1 = ТА, и давлением Р1 (на рис. 2 точка 1). Давление Р1 равно сумме первоначального давления газа в баллоне РА и избыточного давления газа в баллоне DР1:

 

Р1 = РА + DР1.

 

После того как давление газа в баллоне установилось, открывается кран и воздух адиабатически расширяется, выходя в атмосферу. В тот момент, когда давление воздуха в баллоне становится равным атмосферному (высота столбиков воды в обоих коленах манометра сравни­вается), кран быстро закрывается. При расширении температура газа в баллоне понижается. Это состояние представлено точкой 2 на рис. 2. В первоначальный момент температура ниже ТА окружающей среды. Через некоторое время после закрытия крана температура воздуха в баллоне повышается до температуры ТА за счет теплообмена с окружающей средой, а давление в баллоне при этом повысится на величину избыточного давления DР2.

Состояние газа будет характеризоваться температурой Т1 и давлением:

Р3 = РА + DР2.

 

Это состояние представлено точкой 3 на рис. 2. Таким образом, процесс перехода газа из состояния 1 в состояние 2 происходит адиабатически, а из состояния 2 в состояние 3 изохорически. Точки 1 и 3 диаграммы лежат на одной изотерме. Адиабатическое расширение при переходе из состояния 1 в состояние 2 описывается уравнением Пуассона:

Р1 = Р2 .(4)

 

Для изохорического процесса при переходе газа из состояния 2 в состояние 3 имеем:

= . (5)

 

Из уравнений (4) и (5), исключив T2/T1, получим:

 

= (6)

 

Логарифмируя выражение (6), получим:

 

(1 - g) (lgP1 - lgP2) = g(lgP2 - lgP3).

 

откуда

g = .

 

Заменив Р1, Р2 и Р3 на Р1 = РА + DР1, Р2 = РА, Р3 = РА + DР2,

получим:

g = .

 

Учитывая, что Dlgx » Dх/х, если Dх малая по сравнению с х величина, имеем (DР1 и DР2 малы по сравнению с РА):

g = .

 

Учитывая также, что DР = rgDh, где Dh - разница высот столбиков воды в манометре, окончательно получаем:

 

g = . (7)

 

 

Экспериментальная установка

 

Для определения отношения теплоёмкостей воздуха g = CP/CV используется экспериментальная установка ФПТ1-6, общий вид которой показан на рис. 3.

Установка состоит из стеклянной колбы, соединённой с открытым вертикальным водяным манометром 2. Воздух нагнетается в колбу микрокомпрессором, размещённым в блоке рабочего элемента 1. Микрокомпрессор включается тумблером «Воздух», расположенным на передней панели блока рабочего элемента. Пневмотумблер «Атмосфера», расположенный на передней панели блока рабочего элемента, в положении «Открыто» позволяет соединять колбу с атмосферой.

 

 
 

Рис. 3.

 

 

Порядок выполнения работы:

 

1. Включите установку тумблером «Сеть».

 

2. Установите пневмотумблер «Атмосфера» в положение «Закрыто». Для подачи воздуха в колбу включите тумблер «Воздух».

 

3. По изменению уровней воды в коленах манометра контролируйте давление в колбе. Когда разность уровней воды в манометре достигнет значения Dh1 = 150 ¸ 250 мм, отключите тумблер «Воздух».

 

4. Подождите две - три минуты, пока температура воздуха в колбе Т1 сравняется с температурой окружающего воздуха ТА. При этом в колбе установится постоянное давление P1 = PА + rgDh1. Определите разность уровней Dh1, окончательно установившуюся в коленах манометра, и внесите её значение в таблицу 1.

 

5. На короткое время соедините колбу с атмосферой, установив пневмотумблер «Атмосфера» в положении «Открыто». Как только уровни воды в коленах манометра сравняются, возвратите пневмотумблер «Атмосфера» в положение «Закрыто».

 

6. Через две - три минуты, когда в колбе установится постоянное давление P3 = PА + rgDh2, определите разность уровней Dh2, установившуюся в коленах манометра, и внесите её в таблицу 1.

 

Таблица 1

Измеряемые и расчётные величины Номер опыта
D h1                    
Dh2                    
Dh1- Dh2                    
g                    

 

7. Повторите измерения по пп. 2 ¸ 6 не менее 10 раз при различных значениях величины Dh1.

 

По окончании работы выключите установку тумблером «Сеть».

 

 

Обработка результатов измерений

 

1. Вычислите g по формуле (7) и внесите их значения п последнюю строку таблицы 1..

2. Вычислите <g> как среднее арифметическое для всех полученных значений gi по формуле:

<g> = .

3. Вычислите величину среднего квадратичного отклонения S по формуле:

S = ,

 

где n - число измерений.

4. Найдите абсолютную погрешность измерений:

Δγ = aS,

 

где a - коэффициент Стьюдента, определяемой по таблице, приведённой в работе [4] и на информационном стенде лаборатории.

Доверительная вероятность задается преподавателем.

Результат запишите в виде:

 

g = <g> ± Δγ.

 

5. Оцените относительную погрешность полученного значения g по формуле:

 

δg = (Δγ /<g>)·100%.

 

Полученное значение <g> сравните с теоретическим значением, вычисленным по формуле (3), рассматривая воздух как двухатомный газ.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Какой процесс изменения состояния газа называется изотермическим, изобарическим, изохорическим и адиабатическим? Нарисуйте графики этих процессов.

2. Сформулируйте первый закон термодинамики. Запишите этот закон для изотермического, изобарического, изохорического и адиабатического процессов.

3. Дайте определение удельной и молярной теплоемкостей. В каких единицах СИ они измеряются?

4. Приведите формулы расчёта молярных теплоёмкостей СV и СP 1-, 2-, 3- и многоатомного идеальных газов.

5. Что называется числом степеней свободы молекулы и чему оно равно для 1-, 2-, 3- и многоатомного идеальных газов?

6. Рассчитайте теоретическое значение g для 1-, 2-, 3- атомного газа.

7. В чем заключается метод Клемана и Дезорма для определения отношения СP/СV?

8. Опишите рабочий цикл и изменения состояния воздуха по диаграмме P-V, приведённой на рис. 2.

9. Как изменяется температура газа при адиабатическом расширении и адиабатическом сжатии и почему?

 

 

Список литературы

 

1. Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х тт. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. – М.: Астрель АСТ, 2007. – 352 с.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Изд-во «Академия», 2003. – 720 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2004. – 544 с.

4. Селезнёв В.А., Тимофеев Ю.П. Методические указания к вводному занятию в лабораториях кафедры физики. – М.: МИИТ, 2006. – 30 с.

 


 

Учебно-методическое издание

 

 

Лагидзе Раули Михайлович

Харитонов Юрий Николаевич

Куюмчян Аарон Максимович

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ

ВОЗДУХА ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ОБЪЁМЕ

 

 

Методические указания к лабораторной работе №144

под редакцией профессора В.И. Марченко

 

Подписано к печати Заказ № Формат 60 × 84 × 21/16

Усл.-печ. л. Изд. № 179-11 Тираж 300 экз.

127994, Москва, ул. Образцова д. 9, стр. 9.

Типография МИИТа






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2017 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.