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.

12) По формуле (1.1.5) вычислить значение  теплоемкос-ти при постоянном объеме. Результаты измерений и вычисле-ний занести в таблицу 2.

11) Пункты 8-12 повторить для следующих четырех значе-ний напряжения на нагревателе.

Таблица 2

Результаты измерений

п/п

, В

,

 В

,

 А

, Дж/с

, мВ

,

 К

, Дж/К

1

2

3

4

5

2

4

6

8

10

 

 

 

 

 

 

 

 

12) Оценить погрешность определения , используя формулу:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Что такое теплоёмкость?

2. Запишите уравнение Первого начала термодинамики.

3. Почему теплоемкость газов зависит от условий нагрева-ния?

4. Почему  больше, чем ?

5. Какой процесс называется адиабатическим?

6. Запишите уравнение Пуазейля.

7. Какая система частиц называется идеальным газом?

8. Может ли газ в данной работе считаться идеальным и почему?

9. Запишите уравнение адиабатического процесса для идеаль-ного газа.

10. Что такое политропические процессы?

11. Каков смысл показателя политропы?

12. Какие изопроцессы Вы знаете? Запишите уравнения для каждого из них.

13. Запишите уравнение политропы для идеального газа.

14. Какие значения имеет показатель политропы при раз-личных изопроцессах?

15. Что происходит с внутренней энергией и температурой при адиабатическом процессе?

16. Что такое макро- и микросостояния системы?

17. Что такое статистический вес макросостояния?

18. Какое макросостояние называется равновесным?

19. Какой процесс называется необратимым?

20. Какой процесс называется квазистатическим?

21. Что такое степень свободы тела?

22. Какое число степеней свободы имеет двухатомная мо-лекула?

23. Как связано число степеней свободы молекул газа с теплоёмкостью этого газа?

24. Как связано число степеней свободы молекул газа с кинетической энергией этого газа?

25. Какая величина характеризует внутреннюю энергию газа?

26. Что такое связанная энергия? Как она передается?

27. Найти соотношени  для двухатомных и трехатом-ных газов при температуре T=300К.

28. Что такое энтропия? Каков статистический смысл эн-тропии?

29. Каков термодинамический смысл энтропии?

30. Как изменяется энтропия при адиабатическом процессе?

ForStu / Практика / Физика / МЕТОДИЧКИ+ЛАБЫ(2 курс МАТИ, 5 факультет)

Copyright © 2004-2017, ForStu

Яндекс.Метрика