42505

Определение отношения теплоёмкости при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме для воздуха методом стоячей волны

Лабораторная работа

Физика

Определение отношения теплоёмкости при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме ДЛЯ воздуха методом стоячей волны Цель работы определить  = Cp CV методом стоячей звуковой волны. Будем описывать распространение волны с помощью фазовой скорости скорости распространения в пространстве поверхностей образованных частицами совершающими колебания в одинаковой фазе. 5 Если изменения плотности и давления малы  0 и...

Русский

2013-10-30

152.5 KB

47 чел.

абораторный экземпляр                     Лабораторная работа № 11                             01.09.2012

Санкт- Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра общей и технической физики.

МЕХАНИКА

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 11

определение отношения теплоёмкости при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме ДЛЯ воздуха методом стоячей волны

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012 г.

Цель работы - определить  = Cp/CV методом стоячей звуковой волны.

Общие сведения

Рассмотрим,  как распространяется  звуковая  волна  в  закрытой  цилиндрической  трубе, заполненной воздухом. В момент времени  t = 0 мембрана телефона T (рис.1) начинает двигаться вправо с постоянной скоростью . Молекулы воздуха вблизи мембраны придут в движение и тоже будут перемещаться вправо со скоростью . Непосредственно около мембраны возникнет область сжатия, давление внутри которой  р = р0 + р, где р0 - первоначальное давление воздуха. Сжатый слой воздуха передаст импульс молекулам, расположенным справа,  приводя таким образом в движение соседний слой. В течение второй части периода мембрана движется влево, создавая справа от себя область разрежения, в которую устремляются молекулы из сжатого слоя. Таким образом, молекулы воздуха совершают колебательное движение в направлении колебаний мембраны. В среде при этом распространяются, чередуясь, области сжатия и разрежения воздуха (области повышенного и пониженного давления), что и представляет собой бегущую звуковую волну. Звук является продольной волной, т.к. частицы среды совершают колебания вдоль направления распространения. Будем описывать распространение волны с помощью фазовой скорости - скорости распространения в пространстве поверхностей, образованных частицами, совершающими колебания в одинаковой фазе.

Импульс силы , с которой мембрана в течение времени t давит на газ

  ,                               (1)

где S - площадь мембраны, p – избыточное давление, обусловленное силой .

С другой стороны, импульс внешней силы равен приращению импульса (количества движения), которое получил газ:

,                                            (2)

где  - плотность сжатого воздуха;  - плотность воздуха в начальный момент времени;  - масса сжатого воздуха;  - длина столба воздуха (путь, который прошла волна за время ). Объединяя равенства (1) и (2), получим

.                                 (3)

До движения мембраны масса воздуха m  в отрезке трубы длиной  составляла 0. При смещении мембраны на ut плотность воздуха меняется, и в этом случае его массу можно представить (рис. 1)

,

или

,

После простых алгебраических преобразований получим

.                              (4)

Подставив равенство (3) в формулу (4), можно записать

.                                          (5)

Если изменения плотности и давления малы ( << 0  и p << p0), то скорость распространения волны

.                                       (6)

С точки зрения термодинамики процесс  распространения  звуковой волны в газе можно рассматривать  как адиабатический,  так как изменение давления происходит так быстро,  что смежные области среды не  успевают  обмениваться теплом.

Адиабатический процесс описывается уравнением pV = const. Так как = M/ (здесь М - масса газа), то p(M/) = const. Продифференцировав это равенство с учётом изменения давления и плотности, получим

,

откуда

,

т.е. в соответствии с формулой (6)

,                                               (7)

где - плотность газа при данном давлении и температуре,  = p/RT; - молярная масса газа; R - универсальная газовая постоянная; T - абсолютная температура.

Подставив в уравнение (7), получим

,

откуда

.                                            (8)

Таким образом, для вычисления необходимо определить  скорость  распространения звуковых колебаний. В работе эта скорость определяется методом стоячей волны.

Если в трубе, один конец которой закрыт, возбудить звуковые колебания, в ней в результате наложения двух встречных волн (прямой и отражённой) с одинаковыми частотами и амплитудами будут возникать стоячие волны. В определенных точках амплитуда стоячей волны равна сумме амплитуд обоих колебаний и имеет максимальное значение; такие точки называются пучностями. В других точках результирующая амплитуда равна нулю, такие точки называются узлами. Расстояние между ближайшим узлом и пучностью равно /4, где - длина бегущей звуковой волны. Таким образом, измерив расстояние между узлом и пучностью или между двумя ближайшими пучностями (/2), можно найти длину бегущей звуковой волны . Фазовая скорость волны рассчитывается через длину волны по соотношению

 = ,                                                (9)

где - частота колебаний.

Порядок выполнения работы

Описание экспериментальной установки.

В экспериментальную установку (рис.2) входят: стеклянная труба, в которой создаётся стоячая волна, звуковой генератор (ЗГ), микровольтметр, частотомер (Ч). В стеклянную трубу вмонтированы неподвижный микрофон (М) и телефон (Т), который может свободно перемещаться вдоль оси трубы.

Звуковой  генератор  вырабатывает  синусоидальное  напряжение   звуковой  частоты, которое подается на телефон. Переменный ток приводит в колебательное движение мембрану телефона, являющуюся излучателем звуковой волны. Отражённая от противоположной стенки трубы волна движется навстречу излучаемой и происходит их наложение. В результате в трубе возникает стоячая звуковая волна. В микрофоне происходит преобразование механической энергии волны в энергию электрического тока, величина которого измеряется микровольтметром. Частота звуковой волны устанавливается лимбом на генераторе, точное значение частоты измеряется частотомером. При перемещении телефона вдоль трубы ток в цепи микрофона будет меняться от минимального, когда микрофон попадает в узел, до максимального, когда он попадает в пучность. Таким образом, следя за показаниями микровольтметра, можно найти положения нескольких пучностей стоячей волны и вычислить ее длину.

Последовательность проведения измерений:

1) включить ЗГ и частотомер в сеть, прогреть приборы в течение 3-5-ти минут;

2) после прогрева установить необходимую частоту колебаний на звуковом генераторе (указанную преподавателем), измеряя точное значение частоты частотомером;

3) перемещая телефон вдоль трубы, найти ближайшее к левому концу трубы положение телефона lk, при котором показание микровольтметра максимально, записать его в таблицу;

4) зафиксировать еще два-три положения,  при  которых показания микровольтметра максимальны;

5) вычислить  разность между соседними отсчётами  lk = lk – lk – 1 для всех наблюдавшихся пучностей, усреднить полученные значения;

6) по среднему расстоянию между пучностями   рассчитать длину бегущей волны = 2и скорость по формуле (9);

7) повторить пп.3-6 для 4-5-ти значений частоты в интервале 1000-1800 Гц.

8) измерить температуру воздуха в помещении;

9) рассчитать по формуле (8) при  = 2,910-2 кг/моль (воздух), R = 8,31 Дж/(мольК);

10) результаты измерений и расчётов оформить в виде таблицы:

Таблица 1.

Физ. величина

lk

lk

Ед. измерения

Номер опыта

1.

средние

= 2

2.

n

11) найти среднее значение ;

12) рассчитать погрешность косвенных измерения .

Контрольные вопросы

1. Что такое теплоемкость, молярная теплоемкость, удельная теплоемкость? Как они связаны? Какова размерность теплоемкости? От чего зависит молярная теплоемкость?

2. Почему Cp > CV  с точки зрения первого начала термодинамики?

3. Что такое бегущая и стоячая звуковая волна? Каковы ее основные характеристики?

4. Каков механизм распространения звуковой волны?

5. Что представляет собой звуковая волна с точки зрения термодинамики? Каким уравнением и графиками описывается рассматриваемый процесс?

6. От чего зависит скорость распространения звуковой волны?

Ч

 

ст

пучности

узлы

ЗГ

мкV

М

Т

ЗГ

Рис.2

T

 p0 , 0

Рис.1

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

ut

 t

 p,

t=0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46387. ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ 993 KB
  Эффективные показатели двигателя Основные параметры цилиндра и двигателя. Тепловой баланс двигателя.Построение теоретических характеристик двигателя
46388. ИСПЫТАНИЕ ОБРАЗЦА НА РАСТЯЖЕНИЕ 361 KB
  Статической вязкостью называется способность материала поглощать энергию идущую на деформирование образца.2 При испытании образца рис.1 на испытательной машине получают первичную диаграмму растяжения в координатах: нагрузка удлинение образца рис.
46389. Изучение схемотехники усилителей электрических сигналов с использованием биполярных и полевых транзисторов 268.5 KB
  Для всех схем включения транзистора снять АЧХ. АЧХ на биполярном транзисторе при включении его с общим эмиттером. Ширина полосы пропускания = 1 kHz – 400 kHz АЧХ на биполярном транзисторе при включении его с общим коллектором. АЧХ на биполярном транзисторе при включении его с общим эмиттером c включенным конденсатором С2.
46390. ЖИТТЄВИЙ ЦИКЛ КЛІТИН. МІТОЗ 875 KB
  Виготовлення тимчасових препаратів корінців проростків пофарбованих ацетокарміном Визначення рівня мітотичної активності мерістематичної тканини Мета: Навчитися фіксувати і фарбувати хромосоми в клітинах рослинних мерістематичних тканин що активно діляться розрізняти фази мітозу в клітинах корінців проростків різних сільськогосподарських культур та розраховувати мітотичний індекс; Матеріали обладнання та реактиви: 1 корінці 5ти денних проростків різних сільськогосподарських культур фіксовані протягом 24 годин через кожні...
46391. Розробка функціональної схеми МПС 179.5 KB
  Розробити функціональну схему МПС яка забезпечує виконання наступних функцій: Роздільне керування записом та читанням пам’яті і ЗП за допомогою сигналів МЕMR MEMW I OR i I OW; Ввід вивід даних у послідовному форматі по 3м каналам; 3 Обробку запитів на переривання від 5ти джерел; Керування клавіатурою; Прямий доступ до пам’яті від 3ти джерел; Обмін даними у паралельному форматі між ЗП та МПС по 6ти каналам у режимі синхронний ввід вивід. Загальний опис МПС Дана МПС не має у своєму складі системного контролера отже...
46392. Магнетизм, електромагнітні коливання і хвилі. Оптика, теорія відносності. Елемен- ти атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток 7.63 MB
  Він побудований у відповідності з робочою програмою цієї частини курсу дотриманням вимог загальноприйнятих найменувань і позначення фізичних величин та одиниць їх вимірювання у системі SI; нумерація формул і малюнків проведена в межах кожного розділу. Цей момент дорівнює нулю в рівноважному положенні контура а в деякому положенні він – максимальний.1 де І – сила струму в контурі S – його площа – одиничний вектор нормалі до площини контура напрямок якого визначається за правилом свердлика. Відношення максимального обертового моменту до...
46393. Сутність, складові та засади організації місцевих фінансів 443 KB
  Сутність складові та засади організації місцевих фінансів Сучасне поняття місцеві фінанси ґрунтується на ідейнотеоретичних засадах що формувалися протягом досить тривалого часу: 1. Він представляв собою збірник місцевих законів що вміщував норми державного земельного кримінального проце суального та спадкового права. розвиток поглядів на сутність місцевих фінансів їх склад та принципи організації проходив від представлення їх як: 1. Фінансового господарства...
46394. Розрахунок теплової схеми і устаткування блоку 300 МВт 1.23 MB
  Розрахунок процесу розширення пари в турбіні. Розрахунок термодинамічних параметрів підігрівників живильної та сітьової води. Тепловий розрахунок теплофікаційної установки. Визначення витрат пари на підігрівники живильної води. Тепловий розрахунок трубопроводу живильного насосу.
46395. ПОЛІТИЧНА ЕКОНОМІЯ 821.5 KB
  У ньому комплексно розкриті загальні закономірності розвитку економічних систем їх рушійні сили і суперечності показана роль продуктивних сил і економічних відносин у процесі розвитку суспільного виробництва. Головною метою вивчення дисципліни є формування системи знань про економічні відносини як суспільну форму виробництва проблеми ефективного використання обмежених виробничих ресурсів і шляхи забезпечення суспільних потреб у різних соціальноекономічних системах формування у студентів наукового світогляду сучасного економічного...