Лабораторные работы по физике Лекции и конспекты по физике Лекции по термодинамике Электростатика Механика, термодинамика Кинематика, гидродинамика

Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 2-7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ ВОЗДУХА МЕТОДОМ КЛЕМАНА - ДЕЗОРМА

Цель работы: ознакомление с методом измерения показателя адиабаты для воздуха при адиабатическом процессе расширения и последующем изохорическом нагревании.

Оборудование: установка, состоящая из стеклянного баллона с кранами, манометра и осушительного фильтра с порошком хлористого кальция, насоса и секундомера.

Введение

Адиабатическим называется такой процесс, который протекает без теплообмена с окружающей средой. Быстропротекающие процессы можно считать адиабатическими, если за время протекания процесса теплообменом рабочего объема с окружающей средой можно пренебречь.

Адиабатический процесс в газе описывается уравнением Пуассона

  

где P1,V1 – первоначальные давление и объем газа;

 P2,V2 – давление и объем газа после адиабатического процесса;

  – показатель адиабаты.

Адиабатический процесс на диаграмме P–V изображается кривой , называемой адиабатой. Показатель адиабаты равен отношению теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме

 

Теплоемкостью тела называется отношение элементарного количества тепла , полученного телом, к соответствующему приращению dT его температуры

 

Если масса тела равна единице массы, то теплоемкость называют удельной. Теплоемкость одного моля вещества называют молярной. Для газов теплоемкость (как удельная, так и молярная) при постоянном давлении больше теплоемкости при постоянном объеме CP > CV, так как при нагревании газа при постоянном давлении (изобарический процесс) подведенное к газу тепло идет на увеличение его внутренней энергии (а следовательно, и температуры) и на совершение газом работы расширения для поддержания постоянного давления. Например, если газ заключен в сосуд с подвижным поршнем, обеспечивающим постоянное давление, то, нагреваясь, он расширяется и поднимает поршень, совершая, таким образом, работу против внешних сил. При нагревании при постоянном объеме (изохорический процесс) все тепло, подведенное к газу, идет на увеличение только его внутренней энергии.

Описание установки

Экспериментальная установка изображена на рис. 1. В стеклянный тонкостенный сосуд А накачивается воздух до некоторого давления P1, превышающего атмосферное , где Р0 – атмосферное давление; h1, – избыток давления сверх атмосферного (измеряется водяным манометром М).

Когда воздух в баллоне примет температуру окружающего воздуха T1 , быстро (с) открывается клапан К и воздух выпускается наружу до тех пор, пока давление в баллоне не станет равным атмосферному (P2=P0).

Выход воздуха происходит быстро, и, пренебрегая в первом приближении передачей тепла через стенки баллона, процесс расширения воздуха в баллоне можно считать адиабатическим. При этом расширяющийся воздух совершает работу против внешних сил – внешнего атмосферного давления.

Следовательно, температура воздуха в баллоне понижена (до температуры T2).

После закрытия клапана К давление внутри сосуда начнет возрастать, так как охладившийся при расширении воздух снова нагревается, получая тепло из окружающей среды. Возрастание давления прекратится, когда температура воздуха сравняется с внешней температурой T1. Окончательное давление

,

где h2 – разность уровней манометра. Происходящие в сосуде процессы представлены на PVдиаграмме на рис. 2. Температура воздуха в состояниях 1 и 3 одинакова. Согласно закону Бойля – Мариотта

V1(P0 + h1) = V2(P0 + h2)

или

. (1)

В процессе 1-2 произошло адиабатическое расширение газа. Согласно уравнению Пуассона, получим

;

 . (2)

Из (1) и (2) следует

Логарифмирование дает

 

Так как давления P0; P0+h1 и P0+h2 незначительно отличаются друг от друга, то в первом приближении логарифмы величин можно заменить их величинами, т.е. искомое значение

. (3)

Для вычисления  по формуле (3) нужно измерить добавочные (относительно атмосферного) давления воздуха в баллоне в 1-м и 3-м состояниях.

Порядок выполнения работы

1. Перед началом работы убедиться в герметичности кранов и мест соединения трубок. Для этого накачайте в сосуд воздух и перекройте кран К. По манометру проследите за изменением давления h1 в сосуде с течением времени t и постройте график h1=f(t). Если установка достаточно герметична, то по истечении некоторого времени , необходимого для установления термодинамического равновесия, давление в баллоне перестанет снижаться. В противном случае необходимо найти и устранить течь. Из графика рис. 3 определите время установления термодинамического равновесия .

2. Накачайте воздух в сосуд. Выждав время , измерьте избыточное давление h1 воздуха в сосуде перед адиабатическим расширением. Затем на короткое время (только до момента выравнивания давлений) откройте кран К (см. рис. 1). Давление в сосуде и температура понизятся (давление до атмосферного, а температура станет ниже комнатной). Температура воздуха в сосуде сравняется с комнатной через время , после этого измерьте избыточное давление h2,. Измерения повторяют 5 – 10 раз.

Величину  подсчитать по формуле (3) для каждой пары значений h1 и h2. Результаты отдельных экспериментов будут заметно отличаться друг от друга. Разброс связан с временем открывания крана К: если кран закроем раньше, чем давление упадет до атмосферного, получим завышенные значения h2 и ; если кран закроем с опозданием, получим заниженные значения h2 и . Так как разброс отдельных результатов случаен, вероятным результатом измерения считаем среднее значение.

3. Результаты измерений h1 и h2 записать в таблицу. Подсчитать среднее значение . Оценить погрешность  двумя способами: как случайную и как погрешность косвенных измерений. Сравнить их. Окончательный результат представить в виде

.

Дополнительное задание

Исследовать влияние времени открывания крана К на получаемый результат. Определить оптимальное время открывания крана К и проанализировать полученные результаты.

Контрольные вопросы

1. Какой процесс называется адиабатическим, и при каких услови­ях он протекает?

2. Приведите уравнение Пуассона. Чему равен показатель адиабаты? Что такое теплоемкость?

3. Опишите процессы, протекающие в сосуде при измерениях величин h1 и h2?

4. Как повлияло бы на результат наличие в сосуде паров воды?

Список рекомендуемой литературы

1. Лабораторный практикум по физике / Под ред. А.С. Ахматова. – М.: Высш. шк., I960. – 360 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 1. – М.: Наука, 1989. – 352 с.

Оптическая пирометрия

Различные методы измерения температур нагретых тел по их интенсивности теплового излучения получили название пирометрии, а соответствующие приборы называются пирометрами. В области высоких температур (выше 2000°С) эти методы являются по существу единственно возможными. Рассмотрим три способа определения температуры тепловых излучателей.

а) Метод, основанный на законе Вина

Если с помощью соответствующих приборов получить спектр излучения черного тела и определить длину волны, на которую приходится максимум излучения, то температура тела может быть определена по формуле (10). Таким способом определяется температура на поверхности Солнца и звезд.

Если излучающее тело не является абсолютно черным, то применять формулы Вина не имеет смысла. Однако, учитывая то, что распределение энергии в спектре излучения серого тела можно практически отождествлять с распределением энергии абсолютно черного тела, этот метод, может быть, применим и к серым телам. Определенную таким образом температуру называют обычно цветовой температурой. Цветовая температура серых тел совпадает с истинной.

б) Радиационный способ

Этот способ основан на измерении интегральной плотности излучения тела Ro и вычислении его температуры по закону Стефана - Больцмана. Соответствующие приборы называются радиационными пирометрами. В качестве приемника излучения в этих приборах чаще всего применяют термопару с гальванометром. Проградуировав предварительно гальванометр по абсолютно черному телу с известной температурой, можно использовать его показания для измерения исследуемой температуры многих материалов.

Если исследуется не черное тело, то показания радиационного пирометра дают не истинную температуру, а так называемую радиационную температуру. Связь между истинной и радиационной температурой для многих технически важных материалов может быть найдена в справочниках.

в) Яркостный метод

Принцип его действия основан на сравнении излучения нагретого тела в определенном спектральном участке с излучением абсолютно черного тела. Сравнение это осуществляется при помощи пирометра с исчезающей нитью, схема которого показана на рис. 1.4.

 

 Рис.1.4

 В фокусе объектива Об помещается электрическая лампа со специальной нитью. Объектив создает в этой же плоскости изображение поверхности исследуемого тела Т. Светофильтр Φ пропускает к окуляру лишь монохроматическую часть света (красные лучи). С помощью реостата подбирается такой накал нити, чтобы ее яркость совпала с яркостью изображения тела. В этом случае нить перестает быть видимой


Физика выполнение лабораторных работ. Лекции и конспекты