Физика Тема: Исследование эффекта Джоуля-Томсона при адиабатическом истечении газа. Лабораторная работа12 По дисциплине Физика (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

• Название: Лабораторная работа12 По дисциплине Физика (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)
• Анкор: Физика Тема: Исследование эффекта Джоуля-Томсона при адиабатическом истечении газа
• Дата: 11.10.2022
• Размер: 399 Kb.
• Имя файла: 12_Virtualka.doc
• Тип: Лабораторная работа; #727384

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

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№12

По дисциплине Физика

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)
Тема: Исследование эффекта Джоуля-Томсона при адиабатическом истечении газа


Автор: студент гр. ТПР-21 ___ / Синдайигайя Ж. /

(подпись) (Ф.И.О.)
Оценка: _______

Дата:


Проверил: _______________ / /

(должность) (подпись) (Ф.И.О.)

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

Эффект Джоул-Томсона - 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 – теоретическая модель газа, в которой между молекулами отсутствуют силы взаимного притяжения и сами молекулы принимаются за материальные точки.

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.

Температура инверсии - повышение температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы.

Критическая температура - температура, при которой исчезают различия физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром.

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

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).

Теоретический ожидаемый результат:

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





Э кспериментальная 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, = .


- 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, = .

Погрешность прямых измерений:

Погрешность дифференциальной температуры, 0,01

Погрешность давления, 0,05MПа

Результаты измерений:

Таблица 1. Результаты измерений и вычислений.

Физ. величина	T	P1	P2	P	T		a	b	Тинв	Ткр
Ед.изм. № опыта	­­­­	10­­5 Па	10­­5 Па	10­­5 Па		/Па		10¯⁵	К	К
1.	20	9	1	8	9,87	1,23	0,356	36,65	233,7	34,6
2.	20	8	1	7	8,74	1,25
3.	20	7	1	6	7,63	1,27
4.	20	6	1	5	6,52	1,30
5.	20	5	1	4	5,41	1,35
6.	45	9	1	8	8,58	1,045
7.	45	8	1	7	7,61	1,087
8.	45	7	1	6	6,65	1,108
9.	45	6	1	5	5,69	1,138
10.	45	5	1	4	4,73	1,182
11.	75	9	1	8	7,49	0,94
12.	75	8	1	7	6,65	0,95
13.	75	7	1	6	5,82	0,97
14.	75	6	1	5	4,98	0,996
15.	75	5	1	4	4,15	1,038

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.

_{и - пары температур.}














Погрешности косвенных измерений:

















<sub>График №1



Окончательный результат:</sub>











Вывод:

В ходе проведенной лабораторной работы было определено изменение температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры; по результатам опытов определены коэффициенты Ван-дер-Ваальса. Полученные в результате эксперимента коэффициенты Ван-дер-Ваальса отличаются от табличных коэффициентов:

1). Коэффициент :

Табличное значение

Экспериментальное значение

погрешность– 2%

2). Коэффициент :

Табличное значение

Экспериментальное значение _,