Физика лаба12. Исследование эффекта ДжоуляТомпсона при адиабатическом истечении газа
 Скачать 0.99 Mb.
|
 Федеральное агентство по образованию Российской федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального обучения Санкт-Петербургский Государственный Горный Институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)  Отчёт по лабораторной работе № 12 Тема: Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа Выполнил: студент гр. ЭРС-16-2 Cилкин А.А. (подпись) (Ф.И.О.) Проверил: преподаватель доцент Прошкин С.С. (должность) (подпись) (Ф.И.О.) Санкт-Петербург 2016 Цель работы: 1) определение изменения температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры; 2) вычисление по результатам опытов коэффициентов Ван-дер-Ваальса "a" и "b". Краткое теоретическое содержание: Явление, изучаемое в работе – эффект Джоуля-Томсона при адиабатическом истечении углекислого газа. Сущность явления: изменение температуры газа при адиабатическом расширении газа без совершения им полезной работы. Определения: Адиабатическое расширение – расширение газа без теплообмена с окружающей средой. (Q=0) Идеальный газ – модель газа, в которой пренебрегаются размеры молекул по сравнению с расстоянием между ними, т.е. молекулы рассматриваются как материальные точки, также пренебрегаются силы взаимодействия между молекулами (за исключением моментов столкновения). Обычные газы при невысоких давлениях можно рассматривать, как идеальные. Теплообмен – физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Законы и соотношения: Первый закон термодинамики – теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил. Q=∆U+A Уравнение Менделеева-Клапейрона (идеального газа) – формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа, имеющая вид:  Уравнение Ван-дер-Ваальса (реального газа) – формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой реального газа при помощи коэффициентов Ван-дер-Ваальса, имеющая вид:  Поправка a (в формуле  ) – поправка, учитывающая силы притяжения между молекулами (давление на стенку уменьшается, т.к. есть силы, втягивающие молекулы приграничного слоя внутрь).Поправка b — поправка, учитывающая силы отталкивания (из общего объёма вычитается объём, занимаемый молекулами). Схема установки: С  хема установки для исследования эффекта Джоуля-Томсона в углекислом газе представлена на рисунке. Основным элементом установки является трубка 1 с пористой перегородкой 2, через которую пропускается исследуемый газ. Трубка сделана из материала, обладающего малой теплопроводностью. Пористая перегородка 2 расположена в конце трубки и представляет собой стеклянную пористую пробку со множеством узких и длинных каналов. Пористость и толщина пробки подобраны так, чтобы обеспечить оптимальный поток газа при перепаде давлений до 10 атм; при этом в результате эффекта Джоуля-Томсона создается достаточная разность температур. Газ поступает в трубку из теплообменника, в котором нагревается до температуры воды в термостате. Температура воды измеряется термопарой 5 и отображается на индикаторе 7, разность температур до и после перегородки измеряется дифференциальной термопарой 4 и отображается на индикаторе 6.Газ поступает в систему из баллона 13 через редуктор 12, который позволяет регулировать давление газа в магистрали. Кран 10 позволяет перекрыть поток газа, давление контролируется манометром 11. Термостат управляется с пульта 7. Пульт содержит задатчик температуры (в С), переключатели "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Переключатель "НАГРЕВ" включает режим поддержания температуры воды внутри термостата равной заданной, при выключенном переключателе "НАГРЕВ" температура воды устанавливается равной комнатной. Индикацией включения нагрева является окрашивание в красный цвет изображения ТЭНа внутри термостата. Переключатель "ЦИРК" включает или выключает циркуляцию воды через водяную рубашку трубы 3. Индикацией включения циркуляции является вращение крыльчатки насоса внутри термостата. В процессе протекания через пористую перегородку газ испытывает существенное трение, приводящее к ее нагреву. Потери энергии на нагрев трубки в начале процесса могут быть очень существенными и сильно искажают ход явления. После того как температура трубки установится и газ станет уносить с собой все выделенное им в перегородке тепло, формула  становится точной, если, конечно, теплоизоляция трубки достаточно хороша и не происходит утечек тепла наружу через ее стенки.Расчётные формулы: 1.Перепад давлений в теплоизолированной трубке:  , где  - разность давлений,  = Па; начальное давление,  = Па; атмосферное давление  = Па.2.Коэффициент Джоуля-Томсона:  , где коэффициент Джоуля -Томсона,  =  ; - разность температур,  =  ; - постоянная Ван-дер-Ваальса,  =  ; - универсальная газовая постоянная,   ; - температура газа,  = К;  - постоянная Ван-дер-Ваальса,  =  ; - теплоёмкость при постоянном давлении, = 41 .3.Температура инверсии:  , где - температура инверсии,  =  .4.Температура критическая:  , где - температура критическая.Формулы косвенных погрешностей: 1.Абсолютная погрешность измерений коэффициента Джоуля-Томсона:  , где средняя арифметическая ошибка. = К; приборная погрешность барометра,  = Па; результат изменения температур,  = К; результат изменения давлений,  = Па; коэффициент Джоуля -Томсона, = .2.Абсолютная погрешность измерений температуры инверсии:  , где - температура инверсии, = . погрешность измерения коэффициента ,  ; погрешность измерение коэффициента b,  = ; - постоянная Ван-дер-Ваальса, = ; - постоянная Ван-дер-Ваальса, = .3.Абсолютная погрешность измерения температуры критической:  , где - температура критическая; абсолютная погрешность измерений температуры инверсии; - температура инверсии, = .4.Относительная погрешность измерения коэффициента Джоуля-Томсона:  , где абсолютная погрешность измерений коэффициента Джоуля-Томсона,  ; коэффициент Джоуля -Томсона,  = .Таблица 1. Результаты измерений:
Исходные данные: P2 – атмосферное давление P2 = 1 атм 105 Па; - универсальная газовая постоянная, R=8,31 ; - теплоёмкость при постоянном давлении, = 41 .Прямые погрешности:       Таблица 2. Погрешности прямых измерений
Вычисления: 1.  , для начальной температуры, равно 20   Из графика видно, что в момент, когда Р = 0, значениеТ/Р = 1,43  /Па => Т/Р = 1,43 /Па2. , для начальной температуры, равно 45  Из графика видно, что в момент, когда Р = 0, значение Т/Р = 1,28 /Па =>Т/Р = 1,28 /Па3. , для начальной температуры, равно 75  Из графика видно, что в момент, когда Р = 0, значение Т/Р = 1,12 /Па=>Т/Р = 1,12 /ПаОсновные вычисления: Используя формулу  ( ) и экспериментальные данные, полученные при трех значениях температуры, определяем постоянные a и b для углекислого газа по двум парам температур.  и  - пары температур.          - коэффициент Джоуля – Томсона    Вычисление погрешностей косвенных вычислений:  ;  Окончательный результат:   Вывод: Проделав лабораторную работу на исследования эффекта Джоуля-Томсона при адиабатическом истечении углекислого газа, были экспериментально определены коэффициенты Ван-дер-Ваальса. При сравнении полученных результатов с табличными, было выяснено, что полученные результаты отличаются от табличных; 1) для коэффициента а на  ; 2) для коэффициента b на  , с учётом косвенных погрешностей. Такие отклонения прежде всего объясняется погрешностями измерительным приборов, а также, в некоторой мере, и человеческим фактором. |
