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

16403. Пример расчета эффективности неравномерных капиталовложений с по-мощью функций ЧПС, ВНДОХ и Подбор параметра 112 KB
  Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности неравномерных капиталовложений с помощью функций ЧПС ВНДОХ и Подбор параметра. Рассмотрим следующую задачу. Вас просят дать в долг 10000 руб. и обещают вернуть через год 2000 руб. через два года 4000 руб через три год
16404. Пример расчета эффективности неравномерных капиталовложений с по-мощью функций НПЗ, ВНДОХ и Подбор параметра 111 KB
  Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности неравномерных капиталовложений с помощью функций НПЗ ВНДОХ и Подбор параметра. Рассмотрим следующую задачу. Вас просят дать в долг 10000 руб. и обещают вернуть через год 2000 руб. через два года 4000 руб через три год
16405. Финансовые функции Excel ПЛПРОЦ, ОСНПЛАТ 71 KB
  Финансовые функции Excel ПЛПРОЦ ОСНПЛАТ. Рассмотрим пример вычисоения основных платежей платы по процентамобщей ежегодной платы и остатка долга на примере ссуды 100000руб. на срок 5 лет при годовой ставке 2 представленной на рисунке: Ежегодная плата вычисляется в ячей
16406. Финансовые функции Excel ПРОЦПЛАТ, ОСПЛТ 72.5 KB
  Финансовые функции Excel ПРОЦПЛАТ ОСПЛТ. Рассмотрим пример вычисления основных платежей платы по процентам общей ежегодной платы и остатка долга на примере ссуды 100000руб. на срок 5 лет при годовой ставке 2 представленной на рисунке: Ежегодная плата вычисляется в ячей...
16408. Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности капиталовложений с помощью функции ПС 145.5 KB
  Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности капиталовложений с помощью функции ПС. Рассмотрим следующую задачу. Вас просят дать в долг 10000 руб. и обещают возвращать по 2000руб. в течении 6 лет. Будет ли выгодна эта сделка при годовой ставке 7 В приведенно на рисунке...
16409. Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности капиталовложений с помощью функции ПЗ 144.5 KB
  Финансовые функции Excel. Пример расчета эффективности капиталовложений с помощью функции ПЗ. Рассмотрим следующую задачу. Вас просят дать в долг 10000 руб. и обещают возвращать по 2000руб. в течении 6 лет. Будет ли выгодна эта сделка при годовой ставке 7 В приведенно на рисунке...
16410. Практическое задание: использование функции вертикального просмотра (ВПР) 65.5 KB
  Практическое задание: использование функции вертикального просмотра ВПР Функция ВПР ищет значение в крайнем левом столбце справочной таблицы и возвращает значение в той же строке из указанного столбца таблицы. Синтаксическая форма ВПРискомое_значение;таблица;...
16411. ФУНКЦИИ EXCEL. ВВОД ФУНКЦИЙ В РАБОЧЕМ ЛИСТЕ EXCEL 133.75 KB
  Лекция 1. ФУНКЦИИ EXCEL Функции Excel это специальные заранее созданные формулы которые позволяют легко и быстро выполнять сложные вычисления. Их можно сравнить со специальными клавишами на калькуляторах предназначенных для вычисления квадратных корней логарифмов и про...