Н. Э. Баумана Ю. В. Герасимов, К. В. Глаголев, И. А. Константинова измерениеудельнойтеплоёмкостивоздуха. Методические указания
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
1 Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана Ю. В. Герасимов, К. В. Глаголев, И. А. Константинова ИЗМЕРЕНИЕУДЕЛЬНОЙТЕПЛОЁМКОСТИВОЗДУХА. Методические указания к лабораторной работе Т-11 по курсу общей физики. Москва, 2014. Цель работы – изучение законов политропических процессов и измерение молярной теплоёмкости воздуха при постоянном объёме и молярной теплоёмкости при постоянном давлении, проверка соотношения Майера и расчёт показателей адиабаты воздуха. Теоретическаячасть. Теплоёмкостью данного тела называется коэффициент пропорциональности между сообщённым телу количеством теплоты и приращением его температуры : , единица измерения Во многих термодинамических процессах эта величина остаётся постоянной в течение процесса, и такие процессы называются политропическими. Уравнение политропического процесса: , где - показатель политропы, - теплоёмкость в заданном процессе, - теплоёмкость в политропическом процессе с постоянным давлением, - теплоёмкость в политропическом процессе с постоянным объёмом. При адиабатическом процессе, когда отсутствует теплообмен с окружающей средой : Таким образом, измерив и , мы можем рассчитать показатель адиабаты . В соответствии с соотношением Майера для идеального газа 2 . Если процесс протекает достаточно быстро, чтобы считать воздух в системе теплоизолированным и можно пренебречь изменением температуры стенок сосуда во время протекания процесса, мы можем считать количество теплоты, переданное воздуху равным джоулеву теплу, выделенному нагревателем , где – напряжение на нагревателе, - сила тока в нагревателе, - время работы нагревателя. Изменение температуры воздуха может быть измерено с помощью термометра, представляющего собой термометрическое тело, меняющее свою характеристику (термометрический признак) в зависимости от температуры. В данной лабораторной работе термометрическим телом является воздух в системе, а его термометрическими признаками давление при измерении и объем при измерении Для расчета и по этим параметрам мы должны использовать уравнение состояния термодинамической системы (не путать с уравнением термодинамического процесса!). В нашей работе мы рассматриваем воздух как идеальный газ и его уравнение состояния – уравнение Менделеева-Клапейрона: где , – масса газа, - молярная масса газа. При постоянном объёме: где нижний индекс «V» означает измерение параметра при постоянном объёме V, отсюда так как , имеем и в случае линейной зависимости : При измерении : (1) 3 ; Для расчёта молярной теплоёмкости рассчитаем количество молей в сосуде, используя уравнение Менделеева-Клапейрона, значение указано на установке, и - измеренные с помощью метеостанции значения давления и температуры в комнате (можно взять нормальные значения и ). Схемы установки для измерения и показаны на рис. 1 и рис. 2 соответственно. 1 – секундомер; 2 – ключ для включения переключения режимов; 3 – универсальный мультиметр, настроенный на измерение тока; 4 – универсальный мультиметр, настроенный на измерение напряжения; 5 – сосуд из прозрачного стекла объёмом 10 литров с воздухом; 6 – стеклянный вентиль; (2) Рис. 1 4 7 – манометр; 8 – нагревательный элемент (две проволочки); 9 – ёмкость от шприца с градуировкой, объёмом 20 мл, для регулировки давления при определении Рис. 2 5 Практическаячасть. Порядок проведения измерений для определения : 1. Убедиться, что ключ установлен в крайне левое положение. 2. Убедиться, что на секундомере все режимы выставлены как на рис. 3. (Менять режимы можно нажатием серых кнопок) 3. Включить нагрев (перевести ключ в крайне правое положение) и одновременно нажать кнопку «Start» на секундомере. Следить за ростом давления по манометру, чтобы уровень красной жидкости не превысил предельного значения 4 mbar. (Проверить это значение в окошке ниже манометра.) Рис. 3 6 4. По истечению двух (лучше меньше) секунд нажать кнопку «Stop» и одновременно выключить нагрев, тут же снять показатели манометра и секундомера. Чтобы обнулить значения на секундомере нажмите «Zero». 5. Провести не менее десяти измерений. Результаты записать в таблицу № 1. Таблица № 1 № опыта , ms , mbar , mA , V 1 . . . . . . . . 6. Рассчитать значение , используя значение , измеренное манометром, предварительно установив его предельное значение равное 4 mbar, и значение полученное по секундомеру. 7. Для нахождения случайных ошибок и повторить опыт не менее 10 раз. 8. Найти погрешность измеренного значения и , используя методику лабораторной работы «Математический маятник» (М1). 9. Найти погрешность расчета по формуле (1), используя методику нахождения погрешностей косвенных измерений из лабораторной работы М1. Порядок проведения измерений для определения : 1. Повторить все пункты 1-2. 7 2. Включить нагрев и одновременно нажать кнопку «Start» на секундомере. Попытаться удержать давление на начальной отметке с помощью увеличения объёма ёмкостью от шприца (потихоньку выдвигать поршень шприца, не давая столбику красной жидкости подняться в манометре). 3. По истечению двух (лучше меньше) секунд нажать кнопку «Stop» и одновременно выключить нагрев. Снять показатели с ёмкости от шприца. 4. Провести не менее десяти измерений. Результаты записать в таблицу № 2. Таблица № 2 № опыта , ms , mbar , mA , V 1 . . . . . . . . 5. Рассчитать значение , используя значение , измеренное градуированной ёмкостью шприца, а значение полученное с помощью секундомера. 6. Для нахождения случайных ошибок и повторить опыт не менее 10 раз. 7. Найти погрешность измеренного значения и , используя методику лабораторной работы «Математический маятник» (М1). 8. Найти погрешность расчета по формуле (2), используя методику нахождения погрешностей косвенных измерений из лабораторной работы М1. 9. По полученным данным проверьте соотношение Майера и рассчитайте показатель адиабаты. 10. Построить графики и 8 Контрольныевопросы. 1. Какой процесс называется политропическим? 2. В каких случаях термодинамическая вероятность равна единице (статвес)? 3. Что такое термометрическое тело и термометрический признак? Что является термометрическим телом и термометрическим признаками в данной работе? 4. Укажите число степеней свободы одноатомной молекулы и жёсткой двухатомной. 5. Перечислите термодинамические параметры, использованные в данной работе. Зачем они были введены? 6. Нарисуйте примерный вид адиабаты в V-T координатах, p-T координатах. 7. Как изменится теплоёмкость при нарушении жёстких связей? Литература. 1. Глаголев К . В ., Морозов А . Н . Физическая термодинамика. Курс физики в техническом университете, Т 2, Издательство МГТУ, 1984, 1987, 272 с. |