Методические указания к лабораторной работе №93 по физике для студентов всех форм обучения Хабаровск icon

Методические указания к лабораторной работе №93 по физике для студентов всех форм обучения Хабаровск


Смотрите также:
Методические указания к лабораторной работе №12 по физике для студентов всех специальностей и...
Методические указания к лабораторной работе №43 по физике для студентов всех специальностей...
Методические указания к лабораторной работе №109 по физике для студентов всех специальностей...
Методические указания к лабораторной работе №76 по физике для студентов всех специальностей и...
Методические указания к выполнению лабораторной работы №21 по физике для студентов всех...
Методические указания к выполнению лабораторной работы №203а по физике для студентов всех...
Методические указания к выполнению лабораторной работы №23 по физике для студентов всех форм...
Определение скорости снаряда методом крутильных колебаний Методические указания к лабораторной...
Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец ньютона методические указания к лабораторной...
Определение вязкости воздуха...
Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца методические...
Исследование собственных колебаний струны методом резонанса Методические указания к лабораторной...



Загрузка...
скачать

Федеральное агентство по образованию


Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Хабаровский государственный технический университет»




ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ

МЕТОДОМ АДИАБАТИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе № 93
по физике для студентов всех форм обучения




Хабаровск

Издательство ХГТУ

2005

УДК 535.2



Определение отношения методом адиабатического расширения : методические указания к лабораторной работе № 93 по физике для студен­тов всех форм обучения / сост. В. В. Насыров. – Хабаровск : Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2005. – 8 с.


Методические указания к лабораторной работе № 93 составлены на ка­федре «Физика». Содержат указания по определению отношения ме­тодом адиабатического расширения. Объем выполнения лабораторной работы – 2 часа.


Печатается в соответствии с решениями кафедры «Физика» и методиче­ского совета факультета математического моделирования и процессов управления.





© Хабаровский государственный технический университет, 2005


^ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ

МЕТОДОМ АДИАБАТИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ


Хабаровск

2005


^ Цель работы:

Изучение изопроцессов идеальных газов.

Задача:

Определение показателя адиабаты.

^ Приборы
и мате­риалы:


Установка ФПТ1–6

(жидкостный манометр).

Введение


В термодинамике для описания тепловых свойств тел используется по­нятие теплоемкости.

Теплоемкостью  называется физическая величина, характеризующая способность тела нагреваться, равная теплоте, которую необходимо со­общить телу для увеличения температурына 1 К:

,

где δQ – теплота, сообщаемая телу;

dT – изменение температуры тела.



Теплоемкость зависит как от химического состава и термодинамиче­ского состояния тела, так и от типа процесса, при котором происходит со­общение телу теплоты.

Очевидно, что теплоемкость также зависит от массы тела, поэтому удобно пользоваться такими понятиями, как:

  • удельная теплоемкость – величина, характеризующая теплоемкость единицы массы вещества:

,

где m – масса вещества (тела)



  • молярная теплоемкость – величина, характеризующая теплоемкость одного моля вещества:

,

где  – число молей вещества;

μ – молярная масса вещества.



При описании тепловых свойств газа, участвующего в некотором изопро­цес­се, к знаку теплоемкости принято приписывать знак, соо­тветствующий сохраняющейся термодинамической величине (т. е.  – теплоемкость в изобарном процессе,  – теплоемкость в изохорном процессе и т. д.). Зависимость величины теплоемкости газов от вида термодинамического процесса можно изучить, исследуя уравнение первого начала термодинамики



(0)

из которого следует, что изменение внутренней энергии вещества, определяющей изменение темпе­ратуры газа, будет зависеть от доли теплоты, идущей на совершение газом работы.

В случае изохорного расширения dV=0, поэтому вся подводимая теплота идет на увеличение внутренней энергии:






При изобарном расширении газа уравнение (1) имеет вид

.




При изобарном на­гревании газ совершает работу

.




Так как в изобарном процессе часть энергии идет на совершение газом работы, то для нагревания газа до одной и той же разности температур в изобарном процессе должно быть подведено большее, чем в изохорном процессе, количество теплоты. Таким образом, теплоемкость всегда больше теплоемкости .

Молекулярно-кинетическая теория позволяет получить выражения для теплоемкостей изопроцессов в следующем виде:



– удельная теплоемкость при постоянном давлении;

(0)



– удельная теплоемкость при постоянном объеме,

(0)

где – газовая постоянная; – количество степеней свободы газа (для одноатомных газов , для двухатомных , для трехатомных и более ).

Как правило, величина теплоемкости газа существенно меньше величины теплоемкости сосуда, в котором находится газ. Это приводит к тому, что непосредственное измерение теплоемкости газа чрезвычайно неточно.

В данной работе при помощи метода адиабатического расширения измеряется отношение теплоемкостей , являющееся показателем адиабаты, в уравнении Пуассона, описывающем адиабатический процесс:

.




Теоретическое значение показателя адиабаты γ может быть рассчитано по формуле

.

(0)

Показатель адиабаты в данной работе определяется для воздуха, который на 96 % состоит из молекул двухатомного газа. Поэтому количество степеней свободы i в формуле (4) можно принять равным 5.
^

Описание установки


Для определения показателя адиабаты воздуха используется экспериментальная установка, изображенная на рис. 1.






Рис. 1.

Схема установки для определения отношения адиабатическим методом

Рис. 2.

Диаграмма процессов, совершаемых еди­ни­цей мас­сы газа: 1-2 – ади­аба­ти­чес­кое рас­ширение; 2-3 – изо­хорное нагревание
Установка состоит из емкости 2, соединенной с открытым водяным манометром 1. Нагнетание воздуха в емкость производится микрокомпрессором, вмонтированным в установку. Включение микрокомпрессора осуществляется тумблером 3. Рычаг 4 позволяет соединять емкость 2 с микрокомпрессором или с атмосферой (положение "Атмосфера").

^

Описание метода измерений


В ходе опыта масса воздуха в сосуде изменяется, при этом объем сосуда Vc остается неизменным, поэтому для описания состояния газа в данном эксперименте удобно использовать понятие удельного объема

,

где – масса воздушной смеси в сосуде.




При таком подходе набор термодинамических переменных () описывает параметры единицы массы газа, то есть остается возможность применения всех термодинамических законов, описывающих поведение замкнутых объемов газа неизменной массы.

В данной работе воздушная смесь, содержащаяся в сосуде 2, совершает процесс, диаграмма которого приведена на рис. 2. Вначале воздух закачивается в сосуд микрокомпрессором. При этом в сосуде создается давление , превышающее атмосферное давление , и газ переходит в состояние 1 (см. рис. 2) с параметрами . Повышение давления при достаточно быстром нагнетании воздуха сопровождается повышением температуры . Затем вследствие теплопроводности стенок сосуда воздух в закрытой емкости изохорически охлаждается до температуры окружающей среды, и газ переходит в состояние 1 (см. рис. 2) с параметрами . Уровни жидкости в манометре перестают изменяться, и устанавливается разность уровней . Для перевода газа в сосуде в состояние 2 необходимо на короткое время соединить емкость с атмосферой. При этом часть газа покидает сосуд и давление воздуха в сосуде становится равным атмосферному давлению. Новое состояние газа характеризуется параметрами . Масса газа в сосуде уменьшается, поэтому удельный объем становится больше, чем начальный объем . Быстрое расширение газа в процессе 1 – 2 приближенно считают адиабатическим, так как в этом случае можно пренебречь обменом энергией между газом в сосуде и окружающей средой из - за конечной скорости распространения теплоты по стенкам сосуда.

Температура газа в состоянии 2 оказывается меньше температуры , так как из первого начала термодинамики следует, что в процессе адиабатического расширения газ совершает работу только за счет убыли своей внутренней энергии.

Через некоторое время вследствие теплопроводности стенок температура воздуха в емкости начнет изохорически повышаться до температуры окружающей среды (процесс 2 – 3), давление при этом будет повышаться. Газ в емкости в состоянии 3 характеризуется параметрами .

Адиабатический процесс 1 – 2 описывается уравнением Пуассона

.

(0)

В рассматриваемом опыте температура газа в состояниях 1 и 3 равна температуре окружающей среды, поэтому . Следовательно, из уравнения Клапейрона – Менделеева можно получить

.

(0)

Получим из уравнений (5) и (6) выражение для расчета показателя адиабаты γ. Для этого возведем уравнение (6) в степень γ и разделим почленно на уравнение (5):

.

(0)

После логарифмирования уравнения (7) получим

,

(0)

где ,  –  разность разности уровней воды в манометре в состояниях газа 1 и 3 соответственно;  –  высота водяного столба, гидростатическое давление которого равно атмосферному давлению . Для получения последнего равенства в формуле (9) использованы следующие соотношения:



(0)

где ρ – плотность воды; g – ускорение свободного падения.

В данном опыте величины и могут принимать значения до 15 – 25 см, значение величины примерно 10 м, поэтому в выражении (9) можно использовать приближенную формулу , справедливую при .

Так как , то формула для расчета показателя адиабаты принимает следующий вид

.

(0)
^

Порядок выполнения работы


  1. Включите установку тумблером "Сеть".

  2. Установите рычаг 4 в нижнее положение и включите микрокомпрессор тумблером 3 на 3 – 5 секунд. Выключите микрокомпрессор при разности уровней жидкости в манометре 150 – 250 мм.

  3. Дождитесь, пока температура в емкости станет равной температуре окружающей среды. При этом разность уровней жидкости в манометре перестанет изменяться. Определите установившуюся разность уровней .

  4. Выпустите воздух из сосуда, переведя рычаг 4 в положение "Атмосфера". После того как уровни жидкости в плечах манометра сравняются, закройте клапан, переведя рычаг 4 в нижнее положение.

  5. По мере нагревания воздуха в сосуде возникнет разность уровней воды в плечах манометра. После того как изменение уровней воды в манометре прекратится, выполните отсчет значения разности уровней .

  6. Повторите опыт (пункты 2 – 5) не менее десяти раз.

  7. Для каждого измерения по формуле (10) вычислите показатель адиабаты .

  8. Считая воздух двухатомным газом, по формуле (4) вычислите теоретиче­ское значение .

  9. Сравните теоретическое и экспериментальное значения .

^ Примерный вид таблицы результатов




измерения

, см

, см





1













2













3













……..













……..













10


























^

Контрольные вопросы


  1. Какой процесс называется адиабатическим? Напишите уравнение адиаба­тического процесса.

  2. Сформулируйте первый закон термодинамики. Запишите первый закон термодинамики для адиабатического про­цесса.

  3. Дайте определения понятий теплоемкость, удельная теплоем­кость, моляр­ная теплоемкость. Какие единицы измерения они имеют?

  4. Что означают обозначения и ? Почему они имеют разные значения для одной и той же массы газа?

  5. Почему при адиабатическом расширении газа понижается его темпера­тура? За счет какого источника энергии совершается работа расши­ряю­щегося газа?

  6. Выведите формулу (4).

  7. Могут ли молярные теплоемкости различных газов быть одина­ковыми по величине?

  8. Почему разность молярных имеет примерно одинаковое значение независимо от типа молекул?

  9. Получите формулу (10).

  10. Какой из газов одинаковой мас­сы – одноатомный или двухатомный, нахо­дящихся первоначально при одинаковых условиях, а затем адиа­батно расширившихся до одинакового объема, совер­шит бóльшую ра­боту?



^

Библиографический список


  1. Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. : Высш. шк., 1997. – 542 с.

  2. Лабораторные занятия по физике / Л. Л. Гольдин [ и др. ]. – М. : Наука, 1983. – 704 с.

  3. Майсова Н. Н. Практикум по курсу общей физики / Н. Н. Майсова. – М. : Высш. шк., 1970. – 448 с.

^ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ

МЕТОДОМ АДИАБАТИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ


Методические указания к лабораторной работе № 93 по физике

для студентов всех форм обучения


^

Вячеслав Вячеславович Насыров




Главный редактор Л. А. Суевалова

Редактор Л. С. Бакаева


Подписано в печать 16.03.05. Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Гарнитура "Таймс". Печать офсетная.

Усл. печ. л. 0,46. Тираж 250 экз. Заказ .


Издательство Хабаровского государственного технического университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.


Отдел оперативной полиграфии издательства

Хабаровского государственного технического университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.





Скачать 112,99 Kb.
оставить комментарий
Дата27.09.2011
Размер112,99 Kb.
ТипМетодические указания, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх