ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ДЖОУЛЯ -ТОМСОНА ПРИ АДИАБАТИЧЕСКОМ ИСТЕЧЕНИИ ГАЗА. лаба 12. Отчет по лабораторной работе 1 2 По дисциплине

Название	Отчет по лабораторной работе 1 2 По дисциплине
Анкор	ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ДЖОУЛЯ -ТОМСОНА ПРИ АДИАБАТИЧЕСКОМ ИСТЕЧЕНИИ ГАЗА
Дата	25.04.2023
Размер	0.56 Mb.
Формат файла
Имя файла	лаба 12.doc
Тип	Отчет #1089900

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ и высшего ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра общей и технической физики

Отчет по лабораторной работе №12

По дисциплине ФИЗИКА

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ДЖОУЛЯ -ТОМСОНА ПРИ АДИАБАТИЧЕСКОМ ИСТЕЧЕНИИ ГАЗА
Автор: студент гр. ИГ-22-1

(Шифр группы) (подпись) (ФИО)
Оценка:

Дата:
Проверил:

(подпись) (ФИО)
Санкт-Петербург

2022 год

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.
Основные определения физических величин, явлений, процессов.

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, лежащие в основе лабораторной работы:

Первый закон термодинамики – теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил.

Q=∆U+A

Q – количество теплоты, Дж

U – внутренняя энергия, Дж

A – работы, Дж
Уравнение Менделеева-Клапейрона (идеального газа) – формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа, имеющая вид:

P – давление, Па

V – объём, м3

R – универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/(моль∙К)

T – температура, К
Теоретический ожидаемый результат:

Коэффициенты в уравнении Ван-дер-Ваальса (для углекислого газа):

a = 0,361 Нм 4 /моль2

b = 4,28 10-5 м 3 /моль
Экспериментальная установка

1-теплоизоляционная защита, 2-каналы пористой перегородки, 3-трубка с пористой перегородкой, 4-пористая перегородка, 5-теплообменник, 6-магистраль, 7-кран, перекрывающий поток газа, 8-редуктор, регулирующий давление газа, 9-баллон с газом, 10-индикатор, отображающий температуру воды, 11-термопара, 12-термостат, 13-индикатор, отображающий дифференциальную температуру, 14-пульт, 15-дифференциальный термометр, 16-манометр, контролирующий давление газа.
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,

.

Результаты измерений:

Физическая величина	T	∆P	∆T	µ	a	b	Tинв	Tкр
Ед.изм. Номер опыта		Па		/Па		₁₀_¯⁵
1	20	1	11	11	0,818	352,6	328,8	321,7
2	20	0,9	9,87	10,97
3	20	0,8	8,74	10,925
4	20	0,7	7,63	10,9
5	20	0,6	6,52	10,87
6	40	1	9,8	9,8
7	40	0,9	8,8	9,78
8	40	0,8	7,81	9,7625
9	40	0,7	6,82	9,74
10	40	0,6	5,83	9,72
11	70	1	8,51	8,51
12	70	0,9	7,65	8,5
13	70	0,8	6,79	8,4875
14	70	0,7	5,94	8,49
15	70	0,6	5,09	8,48

Исходные данные:

P₂ – атмосферное давление P₂= 1 атм 10⁵ Па;

- универсальная газовая постоянная,

;

- теплоёмкость при постоянном давлении,

= 41

.

Вычисления:

Используя формулу

(

) и экспериментальные данные, полученные при трех значениях температуры, определяем постоянные a и b для углекислого газа по двум парам температур.

- пары температур.

Прямые погрешности:

Физическая величина
Ед.изм. Номер опыта					Па ∙	Па ∙	Па ∙	Па ∙
1	11	7,787	3,213	1,336	1	0,8	0,2	0,12
2	9,87		2,083		0,9		0,1
3	8,74		0,953		0,8		0
4	7,63		0,157		0,7		0,1
5	6,52		1,267		0,6		0,2
6	9,8		2,013		1		0,2
7	8,8		1,013		0,9		0,1
8	7,81		0,023		0,8		0
9	6,82		0,967		0,7		0,1
10	5,83		1,957		0,6		0,2
11	8,51		0,723		1		0,2
12	7,65		0,137		0,9		0,1
13	6,79		0,997		0,8		0
14	5,94		1,847		0,7		0,1
15	5,09		2,697		0,6		0,2

Примеры вычисления:

Графические вычисления:

1.

, для начальной температуры, равно 20

Из графика видно, что в момент, когда Р = 0, значение Т/Р = -0,2

/Па, отсюда следует что Т/Р = -0,2

/Па.
2.

, для начальной температуры, равно 40

Из графика видно, что в момент, когда Р = 0, значение Т/Р = -0,12

/Па отсюда следует что Т/Р = -0,12

/Па

3.

, для начальной температуры, равно 70

Из графика видно, что в момент, когда Р = 0, значение Т/Р = -0,05

/Па отсюда следует что Т/Р = -0,05

/Па

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.