83714

Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа

Лабораторная работа

Физика

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).

Русский

2015-03-16

438 KB

87 чел.

    

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Кафедра общей и технической физики

Отчет по лабораторной работе №12

По дисциплине:                                         Физика

Тема Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа.

Выполнил: студент гр. ГС-13-1                     ____________________                   /Брыков.Д.С/

(подпись)                                                                  (Ф.И.О)

                                 

Проверил: доцент                                    ____________________                     /Фицак.В.В/

(подпись)                                                                  (Ф.И.О)

Санкт- Петербург 2014

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

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):

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,  = .

Погрешность прямых измерений:

Погрешность дифференциальной температуры,  0,01

Погрешность давления,  0,05MПа

Результаты измерений:

Физ. величина

T

P1

P2

P

T

   a

   b

Тинв

Ткр

            Ед.изм.

№ опыта



105

Па

105

Па

105

Па

/Па

10¯⁵

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:

Окончательный результат:

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 ,

 погрешность– 5%.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31041. Центры зарождения славянской государственности. Полемика историков вокруг проблемы образования Древнерусского гос-ва. Политика первых правитиелей Руси: Олега, Игоря, Ольги, Святослава 31.5 KB
  Главными проблемами являются вопросы о причинах возникновения госва Русь кто такие русыи откуда взялось название страны Русь кто были варяги. Немецкие ученые Байер и Миллер считали что слово русь означало название варяжского племени пришедшее с Рюриком что Древнерусское госва было создано норманнамиварягами. Название русь он связал с древним народом сарматамироксаланами и с названием реки Рось. В современной отечественной и зарубежной науке большинство ученых склоняется к мнению о скандинавском происхождении термина русь.
31042. Русь при Владимире 1 и Ярославе Мудром. Внешняя и внутренняя политика. Крещение и распространение христианства на Руси 31 KB
  Русь при Владимире 1 и Ярославе Мудром. шла междоусобица сыновей Святослава которую выиграл Владимир9801015. При Владимире завершилось объединение восточнославянских земель. При Владимире в Древнерусское госво вошли червенские земли земли радимичей северных угрофинов и др.
31043. Древнерусское общество и государство в 9-12 веках 31 KB
  Завещание разделило русскую землю на уделы. Это означало окончательный распад Руси на уделы. Постепенно малые бедные окраины стали превращаться в цветущие и сильные уделы. Многие уделы он сконцентрировал в руках своих сыновей.
31044. Тенденции развития различных древнерусских земель в 12 – начале 13 веков. Крупнейшие княжества и земли 33 KB
  Условной датой начала раздробленности на Руси считают 1132г когда умер Мстислав сын Мономаха и раздрася вся русская земля. Время раздробленности на Руси тянулось с начала 12века по147080г. На юге и юговостоке Руси неособо любили метсное боярство поэтому занятие киевского престола всякий раз обуславливалось сочетанием борьбы. В Западной Руси сильны были федеративные тенденции.
31045. Русь в международных отношениях 11-13веков: отношения с Великой Степью, Византией и Западной Европой 30.5 KB
  Первая встреча русских с монголотатарами произошла 31 мая 1223г. Впоследствии установилась зависимость русских земель от державы Батыя продлившаяся для СевВост Руси до 1480г а для Южной до 1362г. Эти 2 победы были очень важны: они прервали череду поражений русских для церкви же особенно было важно недопущение католического влияния на русских землях.
31046. Альтернативы объединительных процессов на Руси. Центры объединения русских земель в 14-15веках. Московская и Литовская Русь 31 KB
  Альтернативы объединительных процессов на Руси. Главными центрами объединения Руси выступили в 14в. Но реализовать свой шанс на объединение всей Руси этому княжеству не удалось во многом решающую роль здесь сыграли религиозные противоречия и сближение Литвы с Польшей что впоследствии преобразится в Речь Посполитую1569г. В Москву же была перенесена резиденция митрополита всея Руси.
31047. Природа социально-политического строя Московской Руси в 15-16веках. Российское гос-во при Иване 3 и Василии: органы централизованого и местного управления, доктрина Москва – Третий Рим, нарпавленность внешней политики 30 KB
  Российское госво при Иване 3 и Василии: органы централизованого и местного управления доктрина Москва Третий Рим нарпавленность внешней политики. москвичи осадили Тверь и с этого момента ученые обычно отсчитывают историю единого Московского госва. При Иване 3 уделов не стало он оказался государем всея Руси. Для централизованных стран харрно: сильный гос аппарат в центре чиновничество единое войско законодательство суд единообразное налогооблажение.
31048. Россия и Европа в 15-16в. Европеизация России в 17в(причины, хараткер, особенности, последствия) 31.5 KB
  Россия и Европа в 1516в. После брака Ивана 3 и Софьи Палеолог за рубежом стало встречаться еще одно название Россия. В ходе Ливонской войны15581583 и Смуты начала 17 века Россия остро ощущала как ей тяжело соперничать с европейскими странами особенно в военнотехнич области. Россия вывозила за границу лес меха.
31049. Взаимоотношения церкви и гос-ва на Руси в 14-18веках 29 KB
  Взаимоотношения церкви и госва на Руси в 1418веках. В 1516веках будет идти процесс постепенного подчинения церкви Московскому госву. С одной стороны союз с церковью опора на ее авторитет были выгодны московским государям. Но быстрый рост монастырского землевладения ослабяли мощь единого госва.