Инструкции пользователя программных компонент. Виртуальныелабораторныестенды
 Скачать 320.17 Kb.
|
|
Инструкциипользователяпрограммныхкомпонент « Виртуальныелабораторныестенды» При выполнении проекта были разработаны испытательные наборы моделируемых ситуаций для решения следующих задач: - подтвердить принципиальные принятые технические решения, дающие общее представление о принципе работы и устройстве виртуальных лабораторных стендов; - оценить возможность получения характеристик, заданных техническими требованиями к выполнению работы; - отработать методики работы с виртуальными лабораторными стендами. Далее приведены лабораторные работы и методики организации работы на них. 1. Исследование диффузии газов Цель работы: 1) регистрация зависимости концентрации гелия в воздухе от времени с помощью датчиков теплопроводности при разных начальных давлениях смеси газов; 2) определение коэффициента диффузии по результатам измерений. Диффузией называется самопроизвольное перемешивание молекул, происходящее вследствие их теплового движения. В жидкости диффузия происходит быстрее, чем в твердых телах, а в газах - быстрее, чем в жидкостях. В тех случаях, когда изучается перемешивание молекул одного сорта, говорят о самодиффузии, а если перемешиваются разные молекулы — о взаимной (или концентрационной) диффузии. Для исследования взаимной диффузии газов и определения коэффициента диффузии используется установка, изображенная на рисунке (подробное описание отдельных узлов приводится в следующем разделе). Два сосуда 1 V и 2 V с объемами по 500 мл соединены трубкой длины = L 10 см и диаметром = d 1 см. Сосуды заполнены смесью двух газов при одинаковом давлении, но с различной концентрацией компонентов. Вследствие взаимной диффузии концентрации каждого из компонентов в обоих сосудах с течением времени выравниваются. Рассмотрим процесс выравнивания концентрации. Пусть концентрации одного из компонентов смеси в сосудах 1 V и 2 V равны соответственно 1 n и 2 n . Плотность диффузионного потока j любого компонента (т. е. количество вещества, проходящее в единицу времени через единичную поверхность) определяется законом Фика : x d n d D j ⋅ − = [1] где D - коэффициент взаимной диффузии газов, а j - плотность потока частиц. Поскольку объем соединительной трубки мал по сравнению с объемами сосудов и концентрацию газов внутри каждого сосуда можно считать постоянной по всему объему, диффузионный поток J в любом сечении трубки может считаться одинаковым. Поэтому производную от концентрации можно заменить отношением разности концентраций на длину трубки: L n n D j 2 1 − ⋅ − = и L n n S D J 2 1 − ⋅ ⋅ − = [2] Обозначим через 1 n ∆ и 2 n ∆ изменения концентрации в объемах 1 V и 2 V за время t ∆ . Тогда 1 1 n V ∆ ⋅ равно изменению количества компонента в объеме 1 V , а 2 2 n V ∆ ⋅ равно изменению количества этого компонента в объеме 2 V . Из закона сохранения вещества следует, что const n V n V = ⋅ + ⋅ 1 1 1 1 , следовательно 1 1 1 1 n V n V ∆ ⋅ − = ∆ ⋅ . Эти изменения происходят вследствие диффузии, поэтому t L n n S D n V ∆ ⋅ − ⋅ ⋅ − = ∆ ⋅ 2 1 1 1 и t L n n S D n V ∆ ⋅ − ⋅ ⋅ − = ∆ ⋅ − 2 1 2 2 [3] Разделив [3] на t ∆ и вычтя из первого соотношения второе получим: + ⋅ − ⋅ ⋅ − = − 2 1 2 1 2 1 1 1 V V L n n S D t d n d t d n d [4] После интегрирования [4], учитывая что 2 1 V V = получим для разности концентраций 2 1 n n n − = ∆ : − ⋅ ∆ = ∆ τ t n n exp 0 [5] где 0 n ∆ - разность концентраций в начальный момент времени; D S L V ⋅ ⋅ ⋅ = 2 τ - постоянная времени процесса. Формула [5] показывает, что разность концентраций убывает по экспоненциальному закону, и тем быстрее, чем меньше τ (постоянная времени процесса). Величина τ определяется геометрическими размерами установки ( L , S , V ) и величиной коэффициента диффузии D . Основную проблему при исследовании диффузии представляет определение концентрации газа. В данной установке для определения концентрации газа применяются датчики теплопроводности, принцип действия которых основывается на зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава. Работает датчик следующим образом. Тонкая проволочка, протянутая вдоль оси стеклянного цилиндра, нагревается током. Тепло от проволочки к стенке цилиндра переходит главным образом вследствие теплопроводности газа, находящегося внутри цилиндра. При фиксированном режиме нагревания ( Q =const) температура проволочки и соответственно ее сопротивление определяются теплопроводностью газа и, следовательно, его составом. Для измерения разности концентраций газов используется мостовая схема. В процессе диффузии разность концентраций убывает по закону 5, по тому же закону будут изменяться с течением времени показания гальванометра (в делениях шкалы): − ⋅ = τ t N N exp 0 [6] Недостаток используемого метода заключается в том, что он дает приемлемую точность измерения при условии, что начальная концентрация гелия составляет около 10% от всего количества газа в объеме, что требует тщательного приготовления газовой смеси нужной концентрации. Функциональная схема установки изображена на рисунке ниже. Методикаиспользованияэкспериментальнойустановки. 1. Запустить лабораторную работу. 2. Включить питание измерительного моста (пульт 22). 3. Вакууммирование установки. 3.1. Закрыть краны 13, 14, 16, 17, 6, 12. Открыть краны 21, 7, 8, 11. 3.2. Включить ФВ насос. Закрыть кран 11, открыть кран 12. Дождаться полной откачки газов из системы. Убедится, что после закрывания крана 12 и, затем, закрывания крана 21, не происходит изменения уровня масла в манометре 20. 3.3. Открыть кран 11, выключить ФВ насос. 4. Приготовление газовой смеси. Общий порядок приготовления смеси следующий: 4.1. Определяют давление, при котором будет исследоваться диффузия ( 0 p ). 4.2. Перекрывается одна из колб (для определенности - левая, т.е. закрывается кран 7). В правую колбу запускается гелий до давления, в десять раз меньше 0 p ( 0 1 0 p p He = ). 4.3. Перекрывается кран 8, открывается кран 7, далее по методике п.3. очищается от газов магистраль системы. 4.4. В левую колбу запускается воздух до давления в два раза больше, чем 0 p ( 0 2 p p воздух = ) 4.5. На некоторое время (несколько секунд) открывается кран 8 для выравнивания давления между колбами. Выравнивание давления можно считать законченным, когда перестанет изменяться уровень масла в манометре 20 и перестанет раскачиваться стрелка индикатора 5. После этого следует закрыть краны 7 и 8. 5. Измерения проводятся при следующих величинах давлений 0 p : 0,03 бар, 0,1 бар, 0,2 бар, 0,4 бар (абсолютные величины). Для приготовления газовой смеси при давлениях больше, чем 0,05 бар удобно использовать следующий метод: колба заполняется газом (гелием или воздухом) до атмосферного давления (открывая вместе краны 13-14 или 16- 17), далее, при закрытых кранах, газ откачивается форвакуумным насосом до нужного давления. Для точной подгонки давления можно использовать дозирующие объемы 15 или 18. 6. Измерение временной зависимости диффузионного процесса. 6.1. Реостатом 4 установить стрелку индикатора 5 на 80 ÷100 делений в сторону той колбы, где смесь гелия с воздухом. 6.3. Записать начальное показание индикатора. 6.2. Открыть кран 6. Автоматически запуститься счет на секундомере. Записывать показания индикатора через 10 сек (обязательно первые три измерения). Если процесс идет достаточно медленно (при больших давлениях), то записывать показания можно через 30÷60 сек. Всего должно быть записано не менее 8 результатов, при этом ход стрелки должно составлять около 50% от начального значения. 7. Повторить п.п.4÷6 для всех заданных значений давлений. 8. Убедится, что процесс диффузии подчиняется закону [6]. С этой целью для каждого из давлений построить графики, откладывая по оси абсцисс время, а по оси ординат - логарифм от показаний гальванометра. Графики должны иметь вид прямых линий. По угловым коэффициентам экспериментальных прямых и известным параметрам установки рассчитать коэффициенты взаимной диффузии при соответствующих давлениях. 9. Построить график зависимости коэффициента диффузии от давления в координатах ( p D 1 , ). График должен иметь вид прямой линии. Определить по графику величину коэффициента диффузии при атмосферном давлении. 10. Оценить по полученным результатам средние значения длины свободного пробега и размер молекул воздуха. 2. Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа 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". В работе используются: трубка с пористой перегородкой; труба-теплообменник; термостат; термометр; дифференциальная термопара; баллон с газом (СО 2 ); манометр. Эффектом Джоуля-Томсона называется изменение температуры газа, медленно протекающего из области высокого в область низкого давления в условиях хорошей тепловой изоляции. В разреженных газах, которые приближаются по своим свойствам к идеальному газу, при таком течении температура газа не меняется. Эффект Джоуля- Томсона демонстрирует отличие исследуемого газа от идеального. Количественно эффект Джоуля-Томсона определяется коэффициентом: ( ) атм град P T / ∆ ∆ = µ [1] В работе исследуется изменение температуры углекислого газа при медленном его течении по трубке с пористой перегородкой (рисунок 1). Трубка 1 хорошо теплоизолирована. Газ из области повышенного давления 1 P проходит через каналы пористой перегородки 2 в область с атмосферным давлением 2 P . Перепад давления 2 1 P P P − = ∆ из-за большого сопротивления каналов может быть заметным даже при малой скорости течения газа в трубке. Величина эффекта Джоуля-Томсона определяется по разности температуры газа до и после перегородки. Рассмотрим стационарный поток газа в трубке до перегородки и после нее (сечения I и II). Пусть, для определенности, через трубку прошел 1 моль углекислого газа; µ - его молярная масса. Молярные объемы газа, его давления и отнесенные к молю внутренние энергии газа в сечениях I и II обозначим соответственно 1 V , 1 P , 1 U и 2 V , 2 P , 2 U . Для того чтобы ввести в трубку объем 1 V , над газом нужно совершить работу 1 1 1 V P A ⋅ = . Проходя через сечение II, газ сам совершает работу 2 2 2 V P A ⋅ = . Так как через боковые стенки не происходит ни обмена теплом, ни передача механической энергии, то 2 2 1 1 2 1 1 2 2 2 2 1 2 2 V P V P u U u U A A ⋅ − ⋅ = ⋅ + − ⋅ + = − µ µ [2] В уравнении [2] учтено изменение как внутренней, так и кинетической энергии газа. Перегруппировывая члены, получаем ( ) ( ) ( ) 2 1 2 2 2 2 2 1 1 1 2 1 u u V P U V P U − ⋅ ⋅ = ⋅ + − ⋅ + µ [3] Процесс Джоуля-Томсона в чистом виде осуществляется лишь в том случае, если изменение энтальпии V P U ⋅ + равно нулю. Для этого необходимо, чтобы правой частью можно было бы пренебречь, т. е. чтобы изменение скорости течения газа в трубке было достаточно мало. Учитывая, что изменение температуры при дросселировании составляет несколько градусов, это условие выполняется. В данной лабораторной работе исследуется коэффициент дифференциального эффекта Джоуля-Томсона для углекислого газа. По экспериментальным результатам оценивается коэффициент теплового расширения, постоянные в уравнении Ван-дер- Ваальса и температура инверсии углекислого газа. Начальная температура газа задается термостатом. Измерения проводятся при нескольких температурах. Функциональная схема установки изображена на рисунке ниже. Методикаиспользованияэкспериментальнойустановки. 1. Запустить работу. 2. Установить на пульте термостата температуру регулирования 20 °С, включить термостат в режим "НАГРЕВ" и "ЦИРК". 3. Открыть регулирующий вентиль 8 настолько, чтобы избыточное давление составило 8÷10 атм. Записать показания манометра. Открыть кран. 4. Через несколько минут после подачи давления, когда полностью затухнут переходные процессы, записать показания дифференциального термометра. 5. При помощи вентиля 8 установить давление на 1 атм меньше первоначального. Через несколько минут, когда установятся давление и разность температур, вновь записать показания манометра и дифференциального термометра. 6. Провести измерения для нескольких (5-7) значений давления при комнатной температуре. 7. Отложить полученные точки на графике ( ) P f T ∆ = ∆ , по наклону графика определить коэффициент Джоуля-Томсона для выбранной температуры. 8. Окончить измерения при комнатной температуре, закрыть кран 7 и установить на термостате температуру 40÷50 °C. 9. Когда температура установится и установка войдет в стационарный режим, повторить измерения, как указано в пунктах 3-7. 10. Окончить измерения, проделать такие же измерения, как указано в пунктах 3—7, для температуры 70 ÷80 °C. 11. Используя формулу ( ) P C b RT a P T − = ∆ ∆ = 2 µ ( ( ) К моль Дж С P ⋅ = / 41 ) и экспериментальные данные, полученные при трех значениях температуры, определить постоянные a и b для углекислого газа по двум парам температур. Найти ИНВ T и КР T для углекислого газа при помощи формул b R a T ИНВ ⋅ ⋅ = 2 ИНВ КР T T ⋅ = 27 4 12. Сравнить полученные значения с табличными (табличные данные соответствуют измерению при критической температуре). Провести анализ на основании измерений о точности уравнения Ван-дер-Ваальса. |