Теорія методу і опис установки.

 

У даній роботі універсальна газова стала визначається методом відкачування.

Експериментальна установка складається з вакуумного насоса 5, мановакуумметра| 2, скляної кулі 4, з'єднаних між |з'єднаних| собою гумовими шлангами (рис.1).

 

 

Рис. 1.1. Схема установки для визначення універсальної газової сталої: 1,3 - запірні крани, 2- мановаккууметр, 4 - скляна куля, 5 - вакуумний насос.

Мановакуумметри призначені для вимірювання|виміру| надлишкового|надлишкового| або вакуумметричного| тиску|тиснення| рідин, газів і пари, що не діє агресивно на мідні сплави і сталь. У нашій установці даний прилад використовується як вакуумметр.

Рівняння Менделєєва-Клапейрона (5) для об'єму|обсягу| V при кімнатній температурі Т і атмосферному тиску|тисненні| Р₁ для маси повітря М₁ в кулі запишеться|занотується|:

,

де M₁ = m₁- m₀', m₀ -маса порожньої|пустої| кулі; m₁ - сумарна маса кулі і повітря в ньому при тиску|тисненні| P₁.

Якщо відкачати насосом повітря з|із| кулі, то тиск|тиснення| в ньому буде P₂ (при тій же температурі Т ). Рівняння 5 запишеться|занотується| так:

,

де M₂ = m₂ – m₀; m₂ - сумарна маса кулі і повітря в ньому при тиску|тисненні| P₂.

З|із| останніх рівнянь знайдемо універсальну газову сталу:

Порядок|лад| виконання роботи

1. Акуратно зніміть зі штатива кулю, не виймаючи її з|із| мішечка (мішечок надітий|надягнути| для безпеки!). При відкритому|відчиненому| крані визначите на вагах сумарну масу m_{1 (}кулі і повітря в ній до відкачування).

2. Закріпіть кулю на штативі, з'єднавши його за допомогою гумової трубки|люльки| з|із| мановакуумметром| і насосом.

3. Викачайте повітря з|із| кулі до тиску|тиснення|, вказаного викладачем. Закрийте|зачиніть| кран 3 мановакуумметра| (кран I завжди перекритий), а потім перекрійте затиском кулю.

4. Визначте на вагах сумарну масу m₂ (кулі і повітря в ньому після|потім| відкачування).

5. Дослідження|дослід| повторити 3 рази, змінюючи|зраджуючи| тиск|тиснення| відкачування Р, де Р=Р₁ - Р₂, тобто різниця тиску|тиснення| атмосферного Р₁ і тиск|тиснення| в кулі після|потім| відкачування Р_2.

6. Розрахуйте універсальну газову сталу R.

7. Результати вимірювань|вимірів| і обчислень|підрахунків| занесіть в табл.1.1

Таблиця1.1

Результати вимірювань і обчислень

№ з/п|досліду|	m1	m2	m1 - m2	Р	R
1.
2.
3.

Контрольні питання

1. У чому суть|сутність,єство| і відмінність термодинамічного і статистичного методів дослідження фізичних явищ?

2. Який смисл вкладається в поняття "термодинамічний стан тіла"? Які параметри стану ви знаєте?

3. Який газ називається ідеальним?

4. Який фізичний смисл універсальної газової сталої? У яких одиницях вона вимірюється?

5. Виведіть рівняння Менделєєва - Клапейрона.

6. Що таке моль? Що таке число Авогадро?

7. Що таке відносна молекулярна маса?

8. Які прилади служать для вимірювання|виміру| тиску|тиснення| рідин і газів? Чим відрізняється вакуумметр від манометра?

Лабораторна робота №2

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОЄМНОСТІ ГАЗІВ

Мета|ціль| роботи: Визначити методику визначення теплоємності газів (повітря) та визначити об'ємну і масову теплоємності повітря для сталого тиску.

Обладнання: Калориметр, електричний нагрівач, вентилятор, термометри.

Теоретична частина

Теплоємністю речовини називають кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання речовини на один градус. У теплотехнічних розрахунках використовують питому теплоємність, що описує процес нагрівання одиниці кількості речовини на один градус. Наприклад, кількість теплоти у загальному термодинамічному процесі визначається так:

,

 

де С_xm - середня питома теплоємність у довільному процесі, характеризує кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання кількості речовини, щоб змінити температуру від t₁ до t₂.

Звідси:

Кількість речовини може бути виміряна в кг, м³ або молях.

Теплоємність реальних речовин залежить від термодинамічного процесу підведення теплоти. У практичних розрахунках найчастіше використовують теплоємність з підведенням теплоти за умови сталого об'єму – ізохорна теплоємність (С_v), або за сталого тиску – ізобарна теплоємність (С_р). Види теплоємностей, їх розмірності та позначення наведені у табл.2.1

 

Таблиця 2.1

Класифікація теплоємностей

Теплоемність	масова, кДж/(кг•град)	oоб'емна, кДж/(м^3•град)	мольна, кДж/(кмоль•град)
істина	средня	істина	средня	істина	средня
ізохорна	cv	cvm	c'v	c'vm	μcv	μcvm
ізобарн а	cp	cpm	c'p	c'pm	μcp	μcpm

 

Рис. 2.1. Схема проточного калориметра для визначення теплоємності повітря.

1 - калориметр, 2 - електричний нагрівач, 3 - вентилятор, 4,5 – термометри.

Порядок|лад| виконання роботи

Визначення теплоємності повітря проводимо за допомогою проточного калориметра, основою якого є труба завдовжки 1600мм, а товщина стінки δ = 9мм. У калориметрі (1) розміщений електричний нагрівач (2), який виділяє тепло для нагрівання потоку повітря. Живлення нагрівача здійснюється від автотрансформатора, конструкція якого дозволяє регулювати потужність нагрівача. Вимірювання напруги U і струму у колі нагрівача здійснюється вольтметром та амперметром. Повітря за допомогою вентилятора пропускається через калориметр. Витрату повітря вимірюємо за допомогою трубки Прандтля. Температуру повітря на вході і виході калориметра t ₁ і t₂ вимірюється термометрами (4 ) і (5).

Перед дослідом необхідно включити регулятор(3). Після чого включаємо нагрівач калориметра і регулюємо його потужність так, щоб температура повітря на виході з калориметра була більшою від його вхідної температури на 15-20⁰С. Вимірювання температури на вході t₁ і навиході t₂

З калориметра, а також напруги і струму починаємо проводити після встановлення теплового режиму, тобто через 8-10 хвилин. Вимірювання величини робимо через кожні 3хв. Протягом 12хв. Дані вимірювань заносимо у табл.2.2.

Таблиця 2.2

Результати вимірювань

№ з/п	Температура повітря на	Покази мікроманометра, Δh,мм вод.ст.	Напруга U,В	Сила струму І,А
вході, t1 ^0С	виході t2^0С

 

За середніми значеннями величин (t₁, t₂, Δh, U, І) розраховуємо середню об’ємну теплоємність повітря для сталого тиску С'_pm в інтервалі зміни температур від t₁ до t₂.

Кількість теплоти, яка підведена до повітря за 1 с, визначається добутком сили струму на напругу.

Об'ємну витрату V₀ повітря через калориметр приведено до нормальних умов (Т₀ = 273 К, Р_н = 760 мм.рт.ст.):

_,

_,

де V_t - об'ємна витрата повітря через калориметр, для температури повітря t_п; F - площа поперечного перерізу труби; W - швидкість руху повітря; d - діаметр труби калориметра; Δ h – різниця тисків виміряна трубкою Піто, мм.вод.ст.; ρ_п – густина повітря кг/м³ _.

Знаючи об'ємну теплоємність для сталого тиску, можемо визначити середню масову теплоємність для Р = const у цьому ж інтервалі зміни температур

_,

де μ – молекулярна маса повітря, що дорівнює 28,97 кг/моль.

Результати обчислення записати у табл. 2.3.

 

Таблиця 2.3

Результати обчислення

 

№ з/п	Розрахункові величини	Позначення	Розмірність	Спосіб одержання	Числові значення
1.	Діаметр труби	d	м
2.	Площа поперечного перерізу труби	F	м^2
3.	Об'ємна витрата повітря	Vt	м^3/с
4.	Об'ємна витрата повітря, приведена до нормальних умов	V0	м^3/с
5.	Кількість теплоти, підведена до повітря за 1с	Q	кВт	0,001 ∙ I ∙ U
6.	Середня об'ємна теплоємність для Р = const	Cp	кДж/(м^3К)
7.	Середня масова теплоємність для Р = const	Cp	кДж/(кг К)
8.	Середня масова теплоємність для V = const	CV	кДж/(кг К)	Cp - Cv

Контрольні питання

 

1. Що називається „ теплоємністю” та які є види теплоємності?

2. Що таке „масова”, „об'ємна” і „мольна” теплоємності?

3. У яких одиницях вимірюється теплоємність?

4. Як визначається істина і середня теплоємності?

5. Чому теплоємність за умови постійного тиску є завжди більшою від теплоємності для сталого об'єму?

6. Написати рівняння Майера і пояснити суть всіх величин у цьому рівнянні?

7. Як визначати середню теплоємність в інтервалі зміни температур від t₁ до t₂, користуючись таблицями теплоємностей від 0 до t⁰С?

8. Які є методи визначення теплоємностей?

9. Як визначається теплоємність проточним методом?

10. Як визначити масову теплоємність газової суміші?

11. Як визначити об'ємну теплоємність газової суміші?

12. Запишіть формулу для розрахунку внутрішньої енергії та ентальпії.

13. Як перерахувати масову теплоємність в об'ємну?

 

Лабораторна робота №4