Методические указания по выполнению лабораторных работ по механике и молекулярной физике, входящих в первую часть физического практикума по дисциплине "Физика"

• Название: Методические указания по выполнению лабораторных работ по механике и молекулярной физике, входящих в первую часть физического практикума по дисциплине "Физика"
• Дата: 04.04.2022
• Размер: 2.35 Mb.
• Имя файла: mu_1_lab.doc
• Тип: Методические указания; #441829
• страница: 14 из 17

Определение показателя адиабаты методом Клемана и Дезорма

Цель работы: определить показатель адиабаты и сравнить его величину с теоретическим значением.

Оборудование: стеклянный баллон, кран, насос, манометр.

Теоретическое введение

Среди процессов, происходящих с газами, часто встречается и очень важен адиабатический процесс, протекающий без передачи тепла. Чтобы получить его уравнение, воспользуемся первым началом термодинамики. Его формулировка: теплота, сообщаемая системе (газу), идет на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними силами (против действия внешних сил)

.

Для записи передаваемого тепла удобно ввести понятие теплоемкости - это величина, равная количеству теплоты, которую надо сообщить системе, чтобы повысить ее температуру на 1 К. Далее этим символом будем обозначать молярную теплоемкость, относящуюся к 1 молю вещества.

Величина теплоемкости зависит от способа, которым системе сообщается тепло. Процессы с постоянной теплоемкостью называются политропическими. Одним из таких процессов является процесс нагревания идеального газа при постоянном объеме (изохорический процесс). Молярная теплоемкость такого процесса обозначается .

Так как работа, совершаемая газом при увеличении его объема на dV равна , то при изохорическом процессе работа газом не совершается, т.е. и

.

Отсюда, изменение внутренней энергии одного моля идеального газа будет , а для произвольной массы mгаза .

Тогда первое начало термодинамики для идеального газа можно записать в виде:

. (1)

Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарическим,а молярная теплоемкость для такого процесса обозначается С_Р . Найдем связь между теплоемкостями для упомянутых процессов. Для этого нам понадобится уравнение состояния для одного моля идеального газа

, (2)

где R- универсальная газовая постоянная. Отсюда, при p=const, находим, что , а из уравнения (1) имеем

. (3)

Эта связь молярных теплоемкостей называется уравнением Майера.

Теперь рассмотрим адиабатический процесс, для которого , и первое начало термодинамики (1) для одного моля идеального газа запишется в виде:

. (4)

В уравнении состояния (2) для одного моля идеального газа меняются все термодинамические параметры, p, V, и T. Вычисляя дифференциал, получим . Подставляя это выражение в уравнение (4), находим, что .

Отношение называется показателем адиабаты. В последнем полученном уравнении разделим переменные и проинтегрируем: .

Отсюда . Отсюда получаем уравнение адиабатического процесса для идеального газа или уравнение Пуассона: . (5)

Используя уравнение состояния (2) можно записать уравнение Пуассона через другие термодинамические переменные: или . (6)




Рис. 1
Идеальный газ – это со­вокупность не взаимодейству­ющих друг с другом на рас­стоянии молекул. Такие моле­кулы к тому же не деформи­руются, т.е. имеют постоянную форму и очень малый размер. Размером одноатомной молекулы вообще пренебрегают, считая ее материальной точ­кой, способной двигаться в трех независимых направлени­ях, т.е. имеющей i = 3 степени свободы. Двухатомные и многоатомные молекулы имеют дополнительные вращательные степени свободы, показанные на рис. 1.

Внутренняя энергия идеального газа складывается только из кинетической энергии его молекул. Скорости молекул такого газа различны, но подчиняются распределению Максвелла. С его помощью можно вычислить среднюю энергию, приходящуюся на 1 степень свободы молекулы: , где - постоянная Больцмана, R - универсальная газовая постоянная, - число Авогадро. Тогда средняя энергия одной молекулы с iстепенями свободы равна , а так как 1 моль газа содержит молекул, то его внутренняя энергия .

Сравнивая с термодинамической формулой , находим, что идеальный газ из молекул с iстепенями свободы имеет молярные теплоемкости ; , и показатель адиабаты

. (7)

Для одноатомного газа =1,667, для двухатомного - =1,40, для многоатомного - = 1,333.

Воздух является смесью многих газов - двухатомных N₂ , O₂ ,…, трехатомных - СО₂, Н₂О и т.п. Так как доля многоатомных и одноатомных газов в нем мала, то можно ожидать, что величина для воздуха будет близка к соответствующему значению для двухатомных газов: .




Рис. 2
Для эксперимен­тального определения по­казателя адиабаты воздуха используется установка, изображенная на рис.2. Она состоит из большого стеклянного баллона Б, соединенного через кран К с насосом Н или атмос­ферой. Манометр М слу­жит для измерения разнос­тей давлений газа в баллоне и в атмосфере. В условиях эксперимента воздух можно считать идеальным газом.

Повернем кран К в положение I, соединяя баллон с насосом, и начнем накачивать воздух в баллон. Так как этот процесс происходит достаточно медленно, то за счет теплообмена через стеклянные стенки баллона успевает установиться тепловое равновесие. Температура воздуха внутри баллона после накачивания будет равна комнатной температуре Т₁ . Но давление внутри возрастет до величины

, (8)

где p₀ - давление воздуха в окружающей атмосфере, а - разность гидростатических давлений жидкости с плотностью в левой и правой трубках U - образного манометра (рис. 2).

Вытащим теперь трубку крана К, соединяя баллон с атмосферой. Воздух очень быстро выходит через отверстие, расширяясь, теплообмен не успевает произойти и процесс можно считать адиабатическим. В соответствии с уравнением (3-6) при резком уменьшении давления уменьшится и температура: воздух в баллоне будет охлажден до температуры ниже комнатной!

В момент, когда давление воздуха в сосуде сравнивается с атмосферным ( , выравниваются уровни жидкости в манометре), пробка крана плотно закрывает баллон в положении II (рис. 2). За счет теплообмена через стенки закрытого баллона начинается изохорическое нагревание охлажденного воздуха в нем. При этом давление в баллоне растет и уровни жидкости в манометре постепенно расходятся до тех пор, пока температура внутри баллона не станет равной комнатной: Т₂ = Т₁ . В этот момент давление воздуха в баллоне установится на величине

. (9)

Процессы, протекающие в системе, изображены на рис. 3. В момент окончания адиабатного расширения в баллоне останется часть воздуха с массой m₁ , занимавшая первоначально объем V₁, меньший объема баллона V_Б .




Рис. 3
Запишем для этой части уравнения адиабатического (6) и изохорического процессов:

и

, а затем устраним неизвестное отношение температур:

. (10)

Логарифмируя последнее уравнение (10), получим

, откуда . (11)

Подставляем сюда формулы (8) и (9):

. (12)

Но уровни жидкости (воды с плотностью = 1000 кг/м³) раздвигаются в манометре М на рис. 2 всего на см, и избыточное давление газа Па много меньше атмосферного давления Па. Поэтому величина , и в формуле (12) можно разложить все логарифмы в ряд, оставляя слагаемые только первого порядка малости: Тогда из формулы (12) получаем конечную формулу для вычисления показателя адиабаты:

. (13)

Такой показатель позволяет описать многие свойства исследуемого газа, но точность его определения в данном эксперименте не слишком высока, и поэтому возникают отклонения от теоретически ожидаемого значения . Это связано не только с тем, что свойства реального воздуха немного отличаются от свойств идеального газа и состоит он не только из двухатомных молекул, но, главным образом - с несовершенством используемого оборудования. При установке пробки крана К в положение II (рис.2) остаются крохотные щели, и воздух понемногу продолжает вытекать из баллона при нагревании. Поэтому уровень h₂ оказывается немного меньшим того уровня, который установился бы при идеально закрытом баллоне. Величина , измеренная в такой установке, в соответствии с формулой (13) тоже окажется немного меньшей, чем истинная.

Порядок выполнения работы

1. Установить пробку крана К так, чтобы баллон Б, который находится под столом, сообщался с насосом Н (в положение I на рис. 2).

2. Осторожно накачать воздух в баллон. Когда разность уровней жидкости в коленах манометра достигнет см, прекратить накачивание и повернуть пробку крана К в положение II, чтобы сосуд не сообщался с атмосферой. Пробка крана должна плотно прилегать к его стенкам и не давать утечки воздуха. Не забывайте об этом до конца эксперимента.

3. Через некоторое время, когда давление окончательно установится и разность уровней в манометре перестанет уменьшаться, измерить - разность уровней в левом и правом коленах манометра. Если насос Н протекает, или пробка крана не может быть закрыта очень плотно, то разность уровней будет постоянно уменьшаться. В этом случае следует подождать, когда достигнет выбранного значения, и сразу выполнить следующий пункт работы.

4. Вынуть пробку крана, давая воздуху в сосуде расшириться наружу. Разность уровней жидкостей в манометре резко уменьшится двумя, следующими друг за другом скачками. Как только при втором скачке уровни жидкостей станут одинаковыми, (h=0) пробку следует немедленно и плотновставить в кран К в положение II, закрывая баллон.

Об этом моменте выравнивания давления внутри и вне баллона можно судить и по прекращению звука издаваемого выходящим воздухом. Перед дальнейшим выполнением работы несколько раз потренируйтесь в выполнении пунктов 1 - 4, чтобы научиться вставлять пробку быстро и в нужный момент.

5. После того, как баллон будет закрыт пробкой, уровни жидкости в манометре снова начнут расходиться. Следует подождать, когда давление окончательно установится и разность уровней в манометре перестанет увеличиваться. Затем записать установившуюся разность уровней воды в обоих коленах манометра.

6. Опыт повторить не менее N = 9 раз для разных значений начальной величины ,лежащих в пределах см.

Для каждого опыта вычислить по формуле (13), а затем определить среднее значение показателя адиабаты . Все измеренные и вычисленные величины заносить в таблицу 1.

Таблица 1

, см
, см
=				=

7. Определить погрешность полученного значения показателя адиабаты .

8. По формуле (7) вычислить теоретическое значение показателя адиабаты , считая для водуха i=5, и сравнить полученный результат с .

Контрольные вопросы

1. 
   Сформулируйте I-е начало термодинамики и запишите его для идеального газа.
   
2. 
   Какой газ можно считать идеальным? От каких термодинамических параметров зависит внутренняя энергия идеального газа и что она описывает?
   
3. 
   Какие величины входят в уравнение состояния идеального газа? Каков его вид?
   
4. 
   Дайте определение теплоемкости. Чем она отличается от молярной и от удельной теплоемкостей? Почему для разных процессов величина теплоемкости одной и той же система различна? Какие величины связывает уравнение Майера и как его получить?
   
5. 
   Какой процесс называется адиабатическим? политропическим? Докажите, что изобарический, изотермический и изохорический процессы являются политропическими. Как на практике осуществить адиабатический процесс с газом?
   
6. 
   Выведите уравнение Пуассона (3-5) для адиабатического процесса. Получите из него уравнение (3-6) с помощью уравнения состояния. Что такое показатель адиабаты?
   
7. 
   Какие процессы с воздухом в баллоне Б на рис.3- 2 происходят при выполнении работы: а) при накачивании воздуха? б) при открывании крана К? в) при его последующем закрывании? Почему именно эти процессы?
   
8. 
   Выведите уравнения (3-11) и (3-13) для определения показателя адиабаты . Докажите этот вывод.
   

Литература

1. Савельев И.В., Курс общей физики, 1973, гл. XI,  94 - 98.

2. Колмаков Ю.Н., Пекар Ю.А., Лежнева Л.С., Термодинамика и молекулярная физика, 1999, гл. I,  4 -9.

Лабораторная работа № 14