37891

Определение отношения теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме

Лабораторная работа

Физика

11 Лабораторная работа № 116 Определение отношения теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме Цель работы Изучение закономерностей изменения параметров состояния газа в различных процессах и определение отношения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и объеме. Удельная и молярная теплоемкости газов зависят как от природы газа так и от условий его нагревания.3 Изменение внутренней энергии идеального газа однозначно определяется его начальным и конечным состояниями тогда как совершаемая газом работа зависит от характера...

Русский

2013-09-25

1.41 MB

88 чел.

Содержание

               

  1.  Цель работы………………………………………………………………4
  2.  Теоретическая часть….………………………………………………….4
  3.  Экспериментальная установка……….…………………………………8
  4.  Порядок выполнения работы……………………………………………9
  5.  Требования к отчету……………………………………………………10
  6.  Контрольные вопросы………………………………………………….11

Список литературы…..…………………………………………….…..11

Лабораторная работа № 116

Определение отношения теплоемкостей газа

при постоянном давлении и объеме

  1.  Цель работы

Изучение закономерностей изменения параметров состояния газа в различных процессах и определение отношения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и объеме.

  1.  Теоретическая часть

Удельной теплоемкостью вещества называется величина, равная количеству теплоты, которую надо сообщить единице массы этого вещества для увеличения его температуры на один градус, а молярной теплоемкостью – количество теплоты, которое необходимо сообщить одному молю вещества для нагревания  его на один градус. Если при передаче телу количества теплоты δQ его температура увеличится на dT градусов, то по определению удельная теплоемкость С будет равна:

                                            ,                                                      (2.1)

где m – масса тела, а молярная теплоемкость –

                                                ,                                                   (2.2)

где ν – количество молей вещества.

Удельная и молярная теплоемкости газов зависят как от природы газа, так и от условий его нагревания. Это непосредственно следует из первого закона термодинамики, согласно которому количество теплоты, переданное системе, равно сумме изменения ее внутренней энергии du и совершенной ею работы δА над внешними телами:

                                               .                                           (2.3)

Изменение внутренней энергии идеального газа однозначно определяется его начальным и конечным состояниями, тогда как совершаемая газом работа зависит от характера происходящего с ним процесса и может быть разной по величине и по знаку. Следовательно, теплоемкость газа для различных процессов будет разной. Однако для конкретного процесса как молярная, так и удельная теплоемкость газа имеет строго определенное значение и является однозначной характеристикой газа в данном процессе.

Нагревание газа при постоянном объеме не сопровождается совершением работы (δА = 0) и вся теплота идет на изменение его внутренней энергии, которая в соответствии с законом равнораспределения энергии теплового движения по степеням свободы молекул газа при изменении его температуры на dT равно:

                                              ,                                       (2.4)

где R – газовая постоянная; а i – сумма числа поступательных, числа вращательных и удвоенного числа колебательных степеней свободы молекул газа. В условиях, с которыми сталкиваются на практике, последнее  можно исключить, поскольку колебательное тепловое движение в молекулах возбуждается только при достаточно высоких (больше 1000 К) температурах и полагать i = 3 для одноатомных молекул, i = 5 – для линейных молекул и i =6 – для остальных.

Следуя (2.2), (2.3) и (2.4), получаем, что молярная теплоемкость газа при постоянном объеме равна:

                                      .                                   (2.5)

При нагревании газа на dT градусов при постоянном давлении им будет совершаться работа

                                     ,                                          (2.6)

и его молярная теплоемкость при постоянном давлении оказывается равной

                  .                 (2.7)

Отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме называют коэффициентом Пуассона или показателем адиабаты газа:

                                                     .                                                  (2.8)

Из (2.5) и (2.7) следует, что коэффициент Пуассона газа определяется только числом степеней свободы его молекул:

                                                 .                                                   (2.9)

Рассмотрим сосуд, который может через кран сообщаться с атмосферой. Если подкачать в него воздух и подождать до установления теплового равновесия с окружающей средой, то после этого воздух в сосуде будет иметь давление Р1, превышающее атмосферное давление Р0 на некоторую величину ΔР1, и температуру Т1, равную температуре окружающей среды Т0. Если теперь на короткое время открыть кран, то давление в сосуде упадет до атмосферного, а температура понизится до некоторого значения Т2. При этом часть воздуха из сосуда быстро выйдет, а оставшийся воздух, занимавший в сосуде объем V1, займет весь объем сосуда V2, т.е. этот воздух из состояния 1 с параметрами   и Т1 = Т 0 перейдет в состояние 2 с параметрами         Р2 = Р0, V2 и Т2. Этот переход происходит настолько кратковременно, что воздух в сосуде не успевает получить тепло от окружающей среды, поэтому его можно считать адиабатным процессом, подчиняющимся закону Пуассона:

                  или    ,                      (2.10)

согласно которому

                                       .                                    (2.11)

После закрытия крана охлажденный вследствие адиабатного расширения воздух в сосуде начнет нагреваться при постоянном объеме за счет притока тепла извне. В итоге он займет состояние 3 с температурой, равной температуре окружающей среды (Т3 = Т0). При этом давление его повысится до . Для изохорного процесса можно применить закон Шарля:

                                                  .                                                (2.12)

Учитывая, что Т1 = Т 3 = Т 0, а Р2 = Р0, из уравнений (2.11) и (2.12) имеем:

                               .                                 (2.13)

Логарифмируя это равенство, получаем:

                     ,                          (2.14)

откуда                        .                           (2.15)

Если избыточные  давления ΔР1 и ΔР3 значительно меньше атмосферного Р0, то  « 1 и « 1. В этом случае можно воспользоваться тем, что при х « 1   х и представить уравнение (2.15) в более простом виде:

                                         .                                              (2.16)

При измерении избыточных давлений с помощью жидкостного     U – образного манометра:

                                      и        ,                 (2.17)

где – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения, а           H и h – соответствующие ΔР1 и ΔР3 разности высот уровней жидкости в коленах манометра. Подставляя (2.17) в (2.16), в случае малых избыточных давлений получаем следующую расчетную формулу для γ:

                                                  .                                              (2.18)

Рассмотренный метод определения γ был в свое время предложен Клеманом и Дезормом.

3. Экспериментальная установка

Для определения отношения теплоемкостей воздуха  предназначена экспериментальная установка ФПТ 1 – 6, общий вид которой показан на рис. 3.1.

Установка состоит из стеклянной колбы, соединенной с открытым водяным манометром 2. Воздух нагнетается в колбу микрокомпрессором, размещенным в блоке рабочего элемента 3. Микрокомпрессор включается тумблером «Воздух», установленным на передней панели блока приборов 4. Пневмотумблер «Атмосфера» 5, расположенный на панели блока рабочего элемента, в положении «Открыто» позволяет соединять колбу с атмосферой.

Рис. 3.1. Общий вид экспериментальной установки ФПТ 1 – 6:

1 – стойка; 2 – блок манометра; 3 – блок рабочего элемента;

4 –блок приборов; 5 – пневмотумблер «Атмосфера»

4. Порядок выполнения работы

1. Включить установку тумблером «Сеть».

2. Установить пневмотумблер «Атмосфера» в положение «Закрыто». Для подачи воздуха в колбу включить тумблер «Воздух».

3. С помощью манометра контролируют давление в колбе. Когда разность уровней воды в манометре достигает 150…250 мм водяного столба, отключить подачу воздуха.

4. Подождать 2 – 3 мин., пока температура воздуха в колбе сравняется с температурой окружающего воздуха T0, в колбе при этом установится постоянное давление P1 = P0 + ρ g H. Определить разность уровней H, установившуюся в коленах манометра, и полученное значение занести в табл. 4.1.

5. На короткое время соединить колбу с атмосферой, установив пневмотумблер «Атмосфера» в положение «Открыто».

6. Через 2 – 3 мин., когда в колбе установиться постоянное давление P3 = P0 + ρ g h, определить разность уровней h, установившуюся теперь в коленах манометра, и полученное значение занести в табл.

7. Повторить измерения по пп. 2 – 6 не менее 10 раз при различных значениях величины H.

8. Выключить установку тумблером «Сеть».

9. Для каждого измерения вычислить по формуле (2.18) отношение теплоемкостей . Найти среднее значение < γ >.

10. Рассчитать абсолютную и относительную ошибки < γ >. 

Таблица

Номер измерения

H, мм вод. ст.

h, мм вод. ст.

γср

5. Требования к отчету

Отчет по работе должен содержать:

  1.  номер, название и цель работы;
  2.  краткую теорию метода определения γ;
  3.  схему экспериментальной установки;
  4.  результаты измерений и расчетов, представленные в виде табл.;
  5.  формулы для вычисления ошибок и их расчет;
  6.  конечный результат с указанием ошибок;
  7.  выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

  1.  Что называют молярной и удельной теплоемкостью? Как можно рассчитать одну через другую? В каких единицах они измеряются?
  2.  Чему равна разница между молярными теплоемкостями газа при постоянном давлении и при постоянном объеме?
  3.  Что такое коэффициент Пуассона? Почему он не может быть меньше единицы?
  4.  Какие процессы происходят с газом в работе? Запишите законы, которым они подчиняются. Представьте график изменения состояния газа на диаграмме PV.
  5.  Какой процесс называется адиабатным? Выведите закон Пуассона.
  6.  Сформулируйте первый закон термодинамики. Какой вид он принимает для процессов, происходящих с воздухом в работе?
  7.  Что такое число степеней свободы молекулы? Чему оно равно для различных молекул?
  8.  В чем заключается метод Клемана-Дезорма?
  9.  Получите расчетную формулу для определения коэффициента Пуассона.

Список литературы

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики. T. 1. – М.: Наука, 1989.
  2.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.

9


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34459. Искусство Западной Европы ХVII века. Своеобразие испанской культуры ХVII в. Творчество Д.С. Веласкеса 18.46 KB
  Веласкеса Со второй половины XV в. Самый замечательный художник золотого испанского века Диего Родригес де Сильва Веласкес 1599 1660. Веласкес севильянец учился у Пачеко. Интересно что у Веласкеса типичнейшего испанца почти отсутствуют произведения на религиозные сюжеты а те которые он избирает трактуются им близко к бодегонес как жанровые сцены Христос в гостях у Марии и Марфы.
34460. Искусство Западной Европы ХVII века. Своеобразие исторического пути Франции ХVII в. Н. Пуссен – основоположник классицизма в живописи 19.64 KB
  Творчество замечательного рисовальщика и гравера Жака Калло 1593 1635 завершавшего свое образование в Италии явно испытало заметное влияние итальянского искусства. На творчестве Луи Ленена 1593 1648 отчетливо прослеживается влияние голландского искусства художник изображает крестьян без пасторальности без сельской экзотики не впадая в слащавость и умиление. Основой теории классицизма был рационализм опирающийся на философскую систему Декарта предметом искусства классицизма провозглашалось только прекрасное и возвышенное этическим и...
34461. Развитие бытового жанра в Англии ХVIII в. У. Хогарт. Влияние идей просветителей на портрет и пейзаж середины и второй половины ХVIII в. Английская школа портрета Дж. Рейнольдс. Т. Гейнсборо 18.89 KB
  Гейнсборо. Томас Гейнсборо 1727 1788 второй великий портретист XVIII столетия. В английской живописи эпохи Просвещения Рейнолдс и Гейнсборо выражают как бы две стороны просветительской эстетики: рационалистическую и эмоциональную. Для формирования Гейнсборо проведшего свою юность и молодость в провинции и сохранившего глубокую любовь к природе своего края старые мастера за исключением разве ван Дейка не имели такого значения как для Рейнолдса.
34462. Развитие искусства Италии в ХVIII в. Италия. Творчество Д.Б.Тьеполо. Развитие пейзажа (А. Каналетто, Т. Гварди) 17.04 KB
  был Джованни Баттиста Тьеполо 1696 1770 последний представитель барокко в европейском искусстве. Тьеполо автор гигантских росписей как церковных так и светских в которых архитектура природа люди звери сливаются в одно декоративное целое в единый декоративный поток. У Тьеполо был огромный декоративный дар и высокая колористическая культура как правило вообще присущая венецианским художникам. В одном из полотен для палаццо Дольфино в Венеции Триумф Сципиона особенно наглядно видно как умел и любил Тьеполо писать триумфальные...
34463. Творчество Ж.Л. Давида. Ж.Д. Энгр и формирование принципов неоклассицизма 18.99 KB
  В преддверии Великой французской революции в живописи Франции появляется Жак Луи Давид 1748 1825. Познакомившись с памятниками античности испытав влияние трудов Винкельмана и живописи немецкого классицистического художника Рафаэля Менгса Давид находит свой путь. Так выкристаллизовывался новый стиль и Давид в своей картине Клятва Горациев 1784 1785 выступил его глашатаем.
34464. Эстетическая программа романтизма. Романтизм во Франции. Творчество Т. Жерико и Э. Делакруа. Романтизм в Германии. Творчество Ф.О. Рунге и К.Д. Фридриха 19.64 KB
  Делакруа. Энгр непримиримый враг романтиков до конца жизни говорил что Делакруа пишет бешеной метлой а Делакруа обвинял Энгра и всех художников Школы в холодности рассудочности в отсутствии движения в том что они не пишут а раскрашивают свои картины. Об этом говорят и темы экзотического Востока и иллюстрации к Байрону и Шелли и Охота на львов и портрет 20летнего Делакруа. Истинным вождем романтизма стал Эжен Делакруа 1798 1863 сын бывшего члена революционного Конвента Его первые работы Ладья Данте и...
34465. Реализм в искусстве Франции второй половины ХIХ века. Пейзаж барбизонской школы. Крестьянский жанр Ф. Милле 17.83 KB
  Одно время работал в Барбизоне Жан Франсуа Милле 1814 1875. Родившийся в крестьянской среде Милле навсегда сохранил связь с землей. Крестьянский мир основной жанр Милле.
34466. Искусство импрессионизма. История возникновения группировки импрессионистов и эстетическая платформа. Живописная система импрессионистов. Основные представители течения 14.24 KB
  Искусство импрессионизма. Импрессионизм франц. предопределил направленность импрессионизма и который также и в 1870 80е гг. Название импрессионизм возникло после выставки 1874 на которой экспонировалась картина К.
34467. Искусство постимпрессионизма. Особенности изобразительного языка. Основные представители течения (Поль Сезанн, Винсент Ван Гог, Поль Гоген) 21.89 KB
  Основные представители течения Поль Сезанн Винсент Ван Гог Поль Гоген Художники которых в истории искусства именуют постимпрессионистами Сезанн Ван Гог и Гоген не были объединены ни общей программой ни общим методом. затем уехал в родной Прованс г. Постимпрессионистом называют и великого голландца Винсента Ван Гога 1853 1890 художника воплотившего душевную смятенность современного человека. Только после 30 лет Ван Гог целиком посвящает себя живописи.