Обработка экспериментальных данных.

1. Записать по барометру барометрическое давление воздуха в лаборатории В мм. рт. ст.

2. Определить абсолютное давление воздуха в сушильном шкафу за каждый опыт по формуле Р_абс = В-Р_зак, Па. При этом использовать соотношения для перевода показания приборов в систему СИ (1 мм.pт. = 133,322 Па, 1 кг/см² = 98067 Па).

3. Рассчитать газовую постоянную воздуха как для смеси газов по формуле (2.6). При этом объемный состав воздуха принять следующий: г₀₂ = 0,209, г_N2 = 0,7813, г_СО2 = 0,0003, г_Ar = 0,0094. Молекулярные массы соответствующих газов равны: m_О2 = 32,00, m_N2 = 28,16, m_СО2 =44,01, m_Ar = 39,99.

4. По измеренным параметрам определить массу воздуха в сушильном шкафу в каждом опыте по формуле М =Р_абсV_шк/R_BT_шк, где T_шк -абсолютная температура воздуха в сушильном шкафу, К (ТК = t ⁰С + 273,15), V_шк - внутренний объем сушильного шкафа (0,032 м²).

5. Рассчитать плотность и удельный объем воздуха в сушильном шкафу за каждый опыт по формулам ρ = М/V_шк, V=1/ρ.

6. Определить производительность вакуум-насоса по результатам первого и второго опытов по формуле G = (М₁ – М₂)/τ.

7. По результатам третьего опыта (изохорный нагрев) определить экспериментальное значение газовой постоянной для воздуха R_во  = Р_абс3 V_шк / М₃ Т₃.

8. Определить абсолютную иотносительную погрешность экспериментального значения газовой постоянной для воздуха Δ=R_в-R_во, δ=(Δ/R_в)100

9. По результатам наблюдений изохорного нагрева в третьем опыте проверить закон Шарля для идеальных газов р /Т = const.

10. Представить отчет по работе, который должен содержать: основы теории, схему установки, таблицу наблюдений и расчетов, обработку опытных данных, краткие выводы по результатам опытов.

Контрольные вопросы

1. Какой физический смысл заложен в понятие "идеальный газ'"?

2. В каком виде записывается уравнение состояния идеальных газов на 1 кг, М кг и 1 моль вещества?

3. Какая величина называется газовой постоянной?

4. В чем особенность универсальной газовой постоянной и как она связана с газовой постоянной?

5. Как записывается уравнение состояния для смеси газа?

6. Как определяются величины, входящие в уравнение состояния для смеси газов?

7. Из каких приборов и агрегатов состоит лабораторная установка?

8. Как определяется абсолютное давление газа?

9. Что означают понятия «плотность» и «удельный объем»?

Литература:[1, с. 10-15];[2, с.14-16];[6, c. 18-19].

 

 

Лабораторная работа № 3

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА.

Цель работы: ознакомиться с методом измерения теплоемкости в проточном калориметре, определить экспериментально среднюю изобарную теплоемкость воздуха при атмосферных, условиях, рассчитать среднюю изохорную теплоемкость воздуха, оценить погрешность эксперимента.

Методические указания

Перед выполнением лабораторной работы студенты должны знать определение теплоемкости, иметь понятие об истинной, средней и удельных теплоемкостях, а также понимать смысл теплоемкости для изобарных и изохорных процессов.

Для экспериментального определения теплоемкости используется устройство, называемое калориметром. Калориметр представляет, собой сосуд, стенки которого выполнены таким образом, чтобы потери тепла были минимальными. В лабораторной практике чаше всего применяют стеклянные калориметры. Стенки калориметров выполняются двойными. Они образуют замкнутую полость, из которой откачивается воздух. Это уменьшает потери тепла за счет теплопроводности через стенки. Для уменьшения потерь за счет излучения их покрывают серебряной амальгамой. Для экспериментального определения теплоемкости жидких и твердых веществ используют емкостные непроточные калориметры. Теплоемкость газообразных веществ определяется экспериментально в проточных калориметрах. Проточные калориметры представляют собой стеклянную трубку со стенками выполненными, как указывалось выше, для уменьшения потерь. Внутри трубки установлен нагреватель. Испытуемый газ протекает внутри трубки и нагревается. По разности температур газа на входе и выходе из калориметра и, зная мощность нагревателя, можно рассчитать теплоемкость газа. Расчетные соотношения для теплоемкостей базируются на законе сохранения энергии. Для проточных калориметров, в которых газ не совершает работу, закон сохранения энергии записывается в следующем виде:

        (3.1.)

где Q - внешнее тепло, получаемое телом, Вт; Q_тр – теплота, полученная газом в результате трения, Вт; Н₁ и Н₂- энтальпии газа на входе и на выходе из калориметра соответственно, Вт; W₁  и W₂ - скорости газа на входе и выходе из калориметра м/с; М -масса газа, протекающего через калориметр,.кг/с; g - ускорение свободного падения (для нашей широты g = 9,8 м/с²); z₁ и z₂ - высота положения входного и выходного сечения калориметра, м; L_тр - работа газа против сил трения, Вт.

Для получения расчетных соотношений вводятся допущения:

- не учитывается теплота трения и работа сил трения, т. к; скорость газа сравнительно мала, т.е. Q_тр =0 и L_тр= 0;

- не учитывается разность высотположения входного и выходного сечения калориметра, т.е. z₂-z₁ = 0;

- так как в нашем калориметре трубка постоянного сечения, то мы можем принять W₂ = W₁;

- испытуемый газ при атмосферном давлении считается идеальным. С учетом этих допущений формула (3.1) примет вид Q =Н₂ – Н₁. Учитывая, что в изобарном процессе Δ Н = С_р  ΔТ, получим формулу для расчета средней изобарной теплоемкости:

                                                                      (3.2.)

Если допустить, что все тепло, выделяемое нагревателем, расходуется на нагрев газа, то мы можем считать Q = W, где W - это мощность электрического нагревателя, Вт. Надо также учесть что формула (3.2.) записана для некоторой массы газа. Для получения расчетного соотношения для средней массовой изобарной теплоемкости разделим соотношение (3.2) на массу газа:

                                                                                   (3.3.)

Из соотношения (3.3) следует, что для экспериментального определения теплоемкости необходимо произвести измерения мощности нагревателя, расхода газа через калориметр и разности температур газа на входе ивыходе из калориметра.

Порядок проведения работы

Ознакомиться со схемой лабораторной установки представленной на рис. 8.

 

Рис.8.

Лабораторная установка состоит из следующих приборов и агрегатов: 1-ротаметр для измерения объемного расхода воздуха через калориметр; 2-термометр, для измерения температуры воздуха на входе в калориметр; 3-проточный стеклянный калориметр; 4-электрический нагреватель, выполненный в виде спирали: 5-термометр для измерения температуры воздуха, на выходе из калориметра; 6-вентиль для регулирования расхода воздуха через калориметр; 7-вентилятор для обеспечения движения воздуха через калориметр; 8 - тумблер для включения установки; 9 - лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) для регулирования мощности нагревателя; 10 - ваттметр для измерения мощности потребляемой нагревателем.

2. Перед включением установки регулятор ЛАТРа установить в положение "0" и включить тумблер 8. При этом заработает вентилятор. Вентилем 6 отрегулировать расход воздуха через калориметр таким образом, чтобы поплавок ротаметра установился на отметке около 80 делений. Поворачивая регулятор ЛАТРа по часовой стрелке, установить такую мощность нагревателя, чтобы стрелка ваттметра была около 30 делений. Наблюдая по термометру 5 за изменением температуры воздуха на выходе из калориметра, дождаться установления стационарного режима теплообмена в калориметре, о чем будет свидетельствовать постоянство температуры.

3. Записать показания ротаметра (n),ваттметра (N) и термометра (t₁ и t₂). Для исключения случайных погрешностей показания записать 4...5 раз с интервалом 1...2 мин. Результаты занести в таблицу наблюдений табл. 3.

Таблица 3.

№	t1, ^oC	t2, ^oC	N	W, Вт	n	VР, л/ч	V0, м^3/с
1
2
3