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

27625. Незаконное предпринимательство (ст. 171 УК) и лжепредпринимательство (ст. 173 УК) как преступления против установленного порядка предпринимательской и банковской деятельности 31.5 KB
  173 УК как преступления против установленного порядка предпринимательской и банковской деятельности. Объектом незаконного предпринимательства являются установленные НПА правила государственного надзора за осуществлением законной предпринимательской деятельности то есть принцип законности экономической деятельности. Объективная сторона 3 признака: 1 осуществление именно предпринимательской деятельности 2 а в отсутствии соответствующей регистрации; б с нарушением правил регистрации а равно предоставление в орган осуществляющий...
27626. Объект преступления - общественная безопасность в сфере обращения указанных в ст.222 УК предметов (оружие, боеприпасы, взрывчатые вещ-ва, взрывчатые устройства) 81.5 KB
  Сбыте хранении перевозке либо ношении огнестрельного оружия боеприпасов взрывчатых веществ или взрывных устройств. Основные части оружия это ствол затвор барабан рамка и стальная коробка. Нёзаконность заключается в нарушении норм Закона об оружии хранение и ношение оружия без лицензии. Хранение нахождение оружия и предметов в помещениях тайниках а также в иных местах обеспечивающих их сохранность.
27628. Объект преступления - здоровье населения. Предмет преступления - наркотические средства, психотропные вещества или их аналоги 117.5 KB
  Предмет преступления наркотические средства психотропные вещества или их аналоги. Наркотические средства это вещества природного или синтетического происхождения которые способны оказывать специфическое воздействие на нервную систему человека в результате чего наступает полная зависимость от них а в дальнейшем разрушение и гибель организма. Психотропные вещества это природные или синтетические вещества способные оказывать стимулирующее и иное воздействие на психику и поведение человека. Перечень веществ относящихся к наркотическим...
27630. Необходимая оборона, условия её правомерности и значение в борьбе с преступностью 32.5 KB
  Превышение пределов необходимой обороны и его уголовноправовое значение. Необходимая оборона это правомерная защита лицом своих прав и интересов других лиц общества или государства от общественно опасного посягательства путем вынужденного причинения вреда нападающему если при этом не было допущено превышение пределов необходимой обороны. Уголовный закон устанавливает условия правомерности необходимой обороны которые делятся на условия относящиеся к посягательству и на условия относящиеся к защите. Нельзя ссылаться на состояние...
27631. Обоснованный риск, исполнение приказа или распоряжения, а также физическое и психическое принуждение, как обстоятельства, исключающие преступность деяния. Общие и частные признаки этих обстоятельств 41 KB
  Не является преступлением причинение вреда охраняемым уголовным законом интересам при обоснованном риске для достижения общественно полезной цели. Риск признается обоснованным при наличии совокупности нескольких условий: общественно полезная цель не могла быть достигнута не связанными с риском действиями бездействием; лицо допустившее риск предприняло достаточные меры для предотвращения вреда охраняемым уголовным законом интересам. Принятие достаточных мер для предотвращения вреда означает что совершаемые действия должны основываться...