99670

Теория бароэффекта. Бароэффект при взаимной диффузии газов

Лабораторная работа

Физика

Явление бароэффекта заключается в том, что между двумя объемами, содержащими газы различных молярных масс, при соединении узким каналом в процессе диффузионного перемешивания газов возникает разность давлений

Русский

2016-10-06

85.86 KB

0 чел.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФГАОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б.Н. ЕЛЬЦИНА»

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра технической физики

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 2м

бароэффект при взаимной диффузии газов

Студенты:   Некурящих А. А.

   Леванов Н. К.

Группа:   Фт – 390204

Преподаватель:  Некрасов К.А.

Екатеринбург

2012


ВВЕДЕНИЕ

Целью данной лабораторной работы является ознакомление студентов с теорией диффузионного бароэффекта, методикой измерения бароэффекта при диффузии газов через плоскую щель и определения кинетических коэффициентов смеси двух газов на основании полученных результатов. Проводится также измерение высоты щели и константы скольжения газов методом нестационарного потока.

1. Теория бароэффекта

Явление бароэффекта заключается в том, что между двумя объемами, содержащими газы различных молярных масс, при соединении узким каналом в процессе диффузионного перемешивания газов возникает разность давлений. Основной причиной бароэффекта является то, что молекулы более легкого газа при заданной температуре в среднем имеют более высокие скорости теплового движения, так что быстрее переходят через канал в противоположный объем. Как следствие, суммарная числовая плотность молекул в объеме с тяжелым газом становится выше, чем в объеме с легким, что и приводит к возникновению перепада давлений p  nkT.

Величина бароэффекта в ходе перемешивания газов определяется балансом между диффузионным потоком легкого газа в объем с тяжелым и противоположным гидродинамическим потоком всей смеси, который возникает из-за разности давлений. Бароэффект достигает максимума при установлении квазистатического равновесия между этими потоками, после чего разность давлений постепенно снижается до нуля по мере выравнивания концентраций газов в объемах.

Пусть в двух объемах (I и II, рис. 1), соединенных узким каналом (в настоящей работе – плоской щелью), находятся два разных газа. При открытом канале газы начнут перемешиваться. Рассмотрим течение смеси этих двух газов (бинарной смеси) через канал. Пусть ,  – средние скорости движения молекул 1-го и 2-го газа относительно неподвижной системы координат. Средняя массовая скорость бинарной смеси газов связана со средними скоростями компонентов соотношением

  (1.1)

где mi, ni – масса и числовая плотность молекул i-го компонента, n1m1 n2m2 – массовая плотность смеси.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для измерения бароэффекта

Интегральные потоки компонентов через сечение канала определяются формулой

 , (1.2)

где  – площадь сечения, через которое течет газ (например, поперечного сечения канала), Ji – числовой поток, то есть количество молекул газа, пересекающих площадь  за единицу времени.

Потоки компонентов смеси возникают при наличии разностей их концентрации, давления либо температуры на торцах канала. Рассмотрим, в частности, среднечисловой поток молекул смеси Jp и диффузионный поток JD. Если изменения давления и концентраций вдоль канала можно считать линейными, то эти потоки можно рассчитывать с помощью кинетических коэффициентов L по формулам вида (1.3  1.4) [1]. При отсутствии градиента температуры

 , (1.3)

 . (1.4)

Здесь n = n1+n2 – суммарная числовая плотность смеси в канале, Δp = pII  pI – разность давлений на границах канала (между объемами I и II), c1 = = n1/(n1+n2) – относительная концентрация 1-го газа, с1 = с1,II  с1,I – разность относительных концентраций 1-го газа между объемами,  – среднее давление, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, Jp – среднечисловой объемный поток смеси, JD – диффузионный объемный поток смеси. Кинетические коэффициенты Lpp, LpD, LDp, LDD являются коэффициентами пропорциональности между потоками и перепадами Δp и Δc1. Определяются они родом газов, а также характером взаимодействия молекул газов со стенками канала.

3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки, используемой в работе, приведена на рис. 2. Она соответствует показанной на рис. 1 модели. Объемы I и II представляют собой камеры цилиндрической формы, разделенные фланцем 3, в который вклеена щель, образованная двумя плоскими стеклянными пластинками 5. Чтобы избежать смешения газов в ходе напуска, щель запирается с помощью уплотняющего устройства 4.

Камеры 1 и 2 соединены между собой байпасной трубкой с вентилем 8, позволяющей, с одной стороны, выравнивать давление в системе и, с другой стороны, предохранять мембрану манометра от повреждений в случае разгерметизации установки и возникновения недопустимо больших перепадов давления. Отметим, что для предохранения мембраны все чувствительные манометры должны иметь байпасные вентили, которые, как и вентиль 8, должны быть открыты, когда не проводятся измерения.

Газы в камеры можно напускать из баллонов через вентили 6, 10, 13, 14. Возможно также напустить воздух из атмосферы через вентиль 15. Вакуумметр 12 позволяет измерять давление газа в камере 1, и соответственно во всей системе, когда камеры объединены через вентиль 8. Оптический манометр 11 регистрирует разность давлений между объемами I и II.

Откачка газа из системы осуществляется форвакуумным насосом через вентили 7 и 9. Наличие двух вентилей позволяет откачивать объемы I и II по отдельности и, кроме того, ускоряет откачку. Раздельную откачку объемов необходимо проводить осторожно, не создавая перепадов давления, опасных для оптического манометра.

Параметры установки приведены в таблице.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1, 2 – камеры c газами 1 и 2; 3 – фланец; 4 – уплотняющее устройство; 5 – стеклянные пластинки с щелью между ними; 6, 10 – натекатели для напуска газов в объемы I и II; 7, 9 – вентили откачки системы; 8 – байпасный вентиль; 11 – оптический манометр, измеряющий перепад давлений между объемами I и II; 12 – вакуумметр, измеряющий среднее давление в системе; 13, 14 – вентили баллонов с газом; 15 – вентиль для напуска воздуха из атмосферы.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Задание

Ознакомиться с теорией и методикой измерения бароэффекта. Измерить расход воздуха через щель.

Определить высоту щели h и константу скольжения . Оценить среднюю квадратичную ошибку в измерении h и .

Измерить величину бароэффекта для предложенной пары газов при давлении 700 мм рт.ст. Провести сравнение измеренной величины бароэффекта с теоретическим значением.

4. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Основные геометрические параметры установки

Камеры

Щель

V1 10-6, м3

2941

V210-6, м3

2961

b10-2, м

1,820,01

l10-2, м

0,1980,001

Vпр   =149 ± 5 см3 ,  a=0,1060,002 см3/ мм рт.ст.

Измерение высоты щели

Δp, мм рт. ст.

t,с

lnp), [мм рт. ст.]

ln(Δp/p)

0

0

0,00

0,4

4

0,34

-4,704

0,8

8

0,59

-4,010

1,2

16

0,79

-3,605

1,6

30

0,96

-3,317

2,0

53

1,10

-3,094

2,3

90

1,19

-2,954

2,0

140

1,10

-3,094

1,6

217

0,96

-3,317

1,2

313

0,79

-3,605

0,8

430

0,59

-4,010

0,4

675

0,34

-4,704

Зависимость величины бароэффекта от времени

βsS2 = -1,147

βs = 0,0521

S1 = -3,037 * 10-3

βs  = 0,069

βs = 0,060

, (2.14)

,

D12 = 0,0021

ɳ = 10-6

σ12 = 5,31*10-2

Заключение

В настоящей работе нами была определена зависимость бароэффекта от времени, измерена величина бароэффекта. Измерения были завершены при достижении стационарного значения разности давлений в камерах.

Получили следующие значения кинетических коэффициентов: D12 = 0,0021,
ɳ = 10
-6, σ12 = 5,31*10-2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85347. Методи корекції в системі психологічної допомоги людям з обмеженими можливостями 41.72 KB
  Одним із способів допомогти здоровим людям краще зрозуміти проблеми дітей з вадами здоровя навчитися надавати їм допомогу є програма Дитина дитині . Завданням цієї програми є навчити дітей шкільного віку та їх вчителів методам збереження свого здоровя й взаємодії з іншими дітьми особливо з тими хто має проблеми зі здоровям. Метою даної програми є допомогти дітям навчитися розрізняти різні види інвалідності і їх прояви; розуміти що незважаючи на те що людина у якої є фізичні вади може не справлятися з якоюсь роботою вона у той же...
85348. Загальні психолого-педагогічні аспекти реабілітації людини з обмеженими можливостями 35.77 KB
  Основними завданнями таких проектів психологореабілітаційного напрямку є відновлення та розвиток інтелектуальних функцій людини її емоційного стану навичок психічної саморегуляції комунікативної культури. Специфічними методами що використовуються у проектах для інвалідів є психологічні тренінги аутотренінг комунікативний тренінг тренінг креативності психотерапія ігротерапія бібліотерапія арттерапія та інше; соціальнокультурним який передбачає активізацію та розвиток творчохудожнього потенціалу дітей і дорослих засвоєння...
85349. Особливості розвитку людини з порушеннями інтелекту і психічними захворюваннями 42.36 KB
  Олігофренія одна з груп розумової відсталості різна за етіологією і патогенезом хворобливих змін обєднаних загальним клінічним проявом недорозвинення головного мозку. Олігофренія характеризується природженим або придбаним в ранньому дитинстві до 3 років загальним психічним недорозвиненням. У більшості з них спостерігалися недорозвинення мови й емоційновольова нестійкість. У структурі інтелектуального дефекту цієї групи дітей переважали недорозвинення зоровопросторових функцій труднощі встановлення послідовних умовиводів у розповідях...
85350. Депривація і особливості розвитку особистості дітей і підлітків із відхиленнями розвитку 38.99 KB
  Якщо подивитися на дітей з відхиленнями в дитинстві то емоційноособистісне спілкування з матірю не стає визначальним у розвитку дитини. Особливість психологічного статусу дитини з невеликими відхиленнями в розвитку це те що на ранньому етапі не залягали передумови становлення його психіки. Якщо не займатися з такою дитиною спеціальним розвитком і навчанням то зміни в емоційновольовій сфері дитини не відбудеться. Стрес повязаний з етапами шкільного життя з підвищенням вимог до дитини викликає певне психологічне напруження що часто...
85351. Основні завдання психологічної реабілітації людей з різними психофізичними порушеннями 39.57 KB
  Друга група завдань вивчення аномалії формування и розвитку конкретних форм психічної діяльності та її психічних процесів у різних груп аномальних дітей тобто вивчення закономірностей формування особистості розумової діяльності мови сприймання памяті. Діагностика психічного розвитку дитини містить у собі: o всебічне клінікопсихологічне вивчення особистості дитини та її батьків системи їхніх відносин; o аналіз мотиваційнопотребностної сфери дитини й членів її родини; o аналіз розвитку сенсорноперцептивних і інтелектуальних процесів...
85352. Методи корекції в системі психологічної допомоги людям із обмеженими можливостями 40.37 KB
  Розвиваючий Розвиток комунікативних навичок особистості o розвиток експресивномовленнєвих якостей; o розвиток соціальноперцептивних особистісних якостей; o розвиток інструментальних якостей. Закріплюючий Моделювання комунікативних навичок в актуальних соціальних для підлітків умовах розвиток комунікативних якостей в умовах навчальної діяльності; розвиток комунікативних якостей в сімейних умовах; розвиток комунікативних якостей в позашкільних умовах. Робота з педагогами та батьками. Просвітницький Розвиток психологічного просвітництва...
85353. Соціально-психологічні особливості людини із порушеннями слуху 40.78 KB
  Втрата слуху навіть часткова створює барєр між людиною і суспільством утруднює оволодіння знаннями і спеціальністю обмежує трудову і суспільну діяльність зтримує розвиток особистості. Відсутність слуху серйозно обмежує й естетичне виховання особи адже людина позбавляється можливості нормально сприймати музику...
85354. Компенсація, корекція і реабілітація як категорії спеціальної психології 37.42 KB
  Перша фаза виявлення того чи іншого порушення в роботі організму. Сигнал про порушення може бути повязаний і з самим розладом і з його наслідками з різними відхиленнями в поведінці і діяльності. Друга фаза оцінка параметрів порушення його локалізації та глибини виразності. Не випадково одне і те ж порушення у тварин і людини може призвести до різних наслідків.
85355. Особливості розвитку людини з порушенням зору 40.34 KB
  Вроджені: захворювання й аномалії розвитку органів зору: патологія судинної оболонки захворювання рогової оболонки ока вроджені катаракти глаукоми окремі форми патології сітківки і таке інше. Аномалії зору також можуть виникнути в результаті зовнішніх і внутрішніх негативних впливів що мали місце в період вагітності: перенесені матірю вірусні захворювання токсоплазмоз краснуха й таке інше.