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

3903. Елементи набірно-верстальної станції 32.5 KB
  Елементи НВС. Графічна станція та основні вимоги до її комплектації. Верстальна станція та основні вимоги до її комплектації. Набірна станція та основні вимоги до її комплектації. Вимоги до комп’ютерної мережі НВС. Поняття ОРІ-серверу. Графічна...
3904. Настільні видавничі системи 40.99 KB
  Настільні видавничі системи Поняття та призначення НВС, фактори, що сприяли виникненню НВС. Склад сучасної настільно-видавничої системи. Операційні системи, на яких будується програмна частина НВС, їх недоліки та переваги. Різниця між відкрит...
3905. ПК, як основа настільних видавничих систем 247.7 KB
  ПК, як основа настільних видавничих систем. Основні частини комп'ютера. Увідні та вивідні графічні пристрої. Означення, класифікація. Види пристроїв, що призначені для постійного зберігання інформації, їх технічні характеристики. Монітори, як пристрої для відображення інформації, Принцип роботи монітора. Технічні характеристики моніторів, що використовуються у сучасних НВС.
3906. Теорiя електроприводa 2.21 MB
  Теорiя електроприводa Методичнi вказiвки щодо практичних занять з навчальної дисципліни Теорiя електропривода для студентiв денної та заочної форм навчання за напрямами: у тому числі скорочений термін навчання...
3907. Інститут контрасигнації 78.5 KB
  Інститут контрасигнації Підзаконний нормативно-правовий акт (англ. by-law) — нормативний акт, який видається на основі закону, відповідно до закону і спрямований на його виконання шляхом конкретизації законодавчих приписів або встановлення перв...
3908. Творчий проект на виготовлення копілки 104.9 KB
  Дерев'яна Копілка – це насамперед практична та корисна річ. Копілки призначені для одноразового чи багаторазового використання. Крім того, копілки слугують гарною прикрасою інтер’єру та можуть самі по собі бути справжнім шедевром мистецтва.
3909. Тойнби. Постижение истории 33.95 KB
  А. Тойнби. Постижение истории Вызов побуждает к росту. Ответом на вызов общество решает вставшую перед ним задачу, чем переводит себя в более высокое и более совершенное с точки зрения усложнения структуры состояние. Отсутствие вызовов означает отсу...
3910. Політичні орієнтації сучасної української молоді 92.5 KB
  Політичні орієнтації сучасної української молоді Вступ Нинішній етап розвитку українського суспільства, який характеризується продовженням трансформаційних процесів у сфері суспільних цінностей та ідеалів, породжує серйозні модифікації глибинних вза...
3911. Решение систем линейных уравнений, работа с матрицами 376.95 KB
  Решение систем линейных уравнений, работа с матрицами Цель работы: Изучение возможностей пакета Ms Excel при решении задач линейной алгебры. Приобретение навыков решения систем линейных алгебраических уравнений и выполнение действий над матрицами ср...