Кафедра Общей и технической физики

Кафедра Общей и технической физики

 

 

Термодинамика, теплопередача, тепло и массообмен

 

ФИЗИКА

Методические указания

к лабораторным работам

для студентов очной, заочной и дистанционной формы обучения

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011 г.

Содержание

 

Работа №1 Газовые законы. Тарировка газового термометра. 3

Работа №2 Цикл тепловой машины.. 8

Работа № 6 Определение теплоемкости твердого тела. 12

Работа № 8 Определение показателя адиабаты при адиабатическом расширении газа. 15

Работа № 10 Определение коэффициента термического расширения (линейного) твердого тела 21

Работа № 11 Определение коэффициента термического расширения (объемного) жидкости 25

Работа № 12 Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа 28

Работа № 13 Исследование диффузии газов. 35

Работа № 17 Определение теплопроводности газов методом нагретой нити. 41

Работа № 18 Определение теплопроводности твердого тела (пластина) 45

 

 

Работа №1 Газовые законы. Тарировка газового термометра

Цель работы:

1) экспериментальная проверка уравнений состояния идеального газа;

2) демонстрация принципа работы газового термометра.

 

Идеальным называется газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия и возможно пренебрежение размерами молекул газа. Реальные газы с достаточной степенью точности можно считать тогда, когда они находятся в состояниях, далеких от областей фазовых превращений.

Состояние идеального газа характеризуется переменными p, V и T, называемыми параметрами состояния. Процессы в газе также характеризуются величинами D Q и A, определяющими энергетические процессы в системе газ-окружающая среда.

В общем случае состояние идеального газа описывается уравнением Менделеева‑Клапейрона:

[1]

где: p - давление газа, Па;

V - объем, занимаемый газом, м³;

m - масса газа, кг;

m - молярная масса газа, кг/моль;

R - газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль×град;

T - температура, град. К.

В частных случаях вместо уравнения Менделеева-Клапейрона можно использовать законы:

а) Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс): при неизменных температуре и массе произведение численных значений давления и объема газа постоянно:

[2]

б) Закон Гей-Люссака (изобарный процесс): при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:

[3]

где V _o - объем газа при температуре =273,15°К,

- коэффициент объемного расширения.

в) Закон Шарля (изохорный процесс): при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:

[4]

где p _o - давление газа при температуре =273,15°К.

Экспериментальная установка

Схема установки изображена на рисунке ниже:

Назначение и характеристика основных элементов установки:

а) Термостатированный резервуар (1), с заключенным в нем цилиндром (2) с поршнем (3). Посредством штока (4) и реверсивного шагового привода (5) поршень может перемещаться в цилиндре. Управляется шаговый привод пультом (28), отображающим текущий объем под поршнем.

Параметры:

- объем под поршнем (геометрический): V _min = 0 л, V _max = 5 л;

- допустимое давление: p _max = 10 атм = 10⁶ Па;

- теплоемкость резервуара 7000 Дж/°С.

б) Термостаты. Термостатирование объема осуществляется прокачиваемой водой, температура которой поддерживается термостатами (13) и (14). Выбор термостата, вода из которого в данный момент подается в объем (1), осуществляется краном (12). Каждый термостат имеет собственный пульт управления: (29) и (30). Термостаты расположены ниже уровня цилиндра и при отключении циркуляционного насоса вода из рубашки цилиндра стекает в соответствующий термостат. Термостат может находиться в трех состояниях:

1) "ВЫКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [выключено], если в этом состоянии термостат подключен к системе краном (12), то в него стекает вода из рубашки цилиндра;

2) "ВКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [включено], при этом на выходе термостата температура равна заданной регулятором [Уст. Т] независимо от величины температуры на входе;

3) "ЦИРК." - переключатель [нагрев] в положении [выключено], переключатель [цирк.] в положении [включено], при этом температура на выходе термостата равна температуре на входе.

Параметры:

- диапазон задаваемых температур: t _min = 10 °C, t _max = 98 °C;

- объем циркулирующей воды: 5 л.

 

в) Система заполнения цилиндра. Для заполнения или вентиляции объема цилиндра служат краны: (17) - соединяет внутренний объем цилиндра с атмосферой; (25) подключает к магистрали баллоны (21) и (22), содержащими азот и углекислый газ. Давление подаваемого газа задается редукторами (23) и (24), которые управляются с пультов (19) и (20). Кран (25) имеет три положения: "З" - закрыт; "1" - баллон (21); "2" - баллон (22).

 

г) Система откачки цилиндра. Узел откачки газа состоит из форвакуумного насоса (15), ресивера-маслоотделителя (16), кранов (10) и (11). Включение насоса осуществляется с пульта (32). Состояние кранов при выключенном насосе: кран (11) открыт, кран (10) закрыт. После включения насоса сначала закрывается кран (11), затем открывается кран (10). Перед выключением насоса сначала закрывается кран (10), затем открывается кран (11), после этого выключается насос. При нарушении порядка открывания-закрывания кранов может происходить выброс масла из насоса в маслоотделитель (16), если это произошло, то при закрытых кранах (10) и (11) должен на некоторое время включаться насос для закачки масла обратно в картер насоса. Контроль давления при откачке осуществляется мановакуумметром (9).

д) Контроль давления. Для контроля давления служит мановакуумметр (9). Прибор подключаются к магистрали (18). Показания приборов - относительно атмосферного давления.

Параметры:

- шкала мановакуумметра: -0,1 ¸ 0 ¸ 1 МПа.

- точность 0,01 МПа.

 

е) Измерение температуры внутри цилиндра осуществляется термопарой (6), индикация температуры - цифровой термометр (26). Для измерения температуры воды используется термопара (7), индикация температуры - цифровой термометр (27).

 

з) Для выполнения " Тарировки газового термометра " к внутреннему объему цилиндра подключается жидкостный (ртутный) "U"- образный абсолютный манометр (8) с заглушенной правой трубкой, колена которого соединены гибким шлангом. Правое колено манометра может перемещаться вверх-вниз посредством привода (31).

Параметры:

- шкала столбика: 0 ¸ 500 мм;

- точность показаний 0,25 мм.

ЗАДАНИЕ

1. Запустите лабораторную работу. Отметьте в лабораторном журнале указанный преподавателем тип используемого газа и его начальное давление..

2. Изотермический процесс. Установите на термостатах температуры, отличающиеся на 50¸70°С. Подключите левый термостат к системе. Установите поршень в крайнее верхнее положение, заполните систему заданным газом при требуемом давлении. Перед заполнением системы новым газом необходимо выполнить ваккуумирование системы.

Перемещая поршень вниз, запишите пары значений (давление и объем) для 10 промежуточных положений поршня. Повторите измерения, подключив к системе правый термостат. По полученным данным постройте графики процесса в (p – V) координатах.

3. Изобарный процесс. Установите на левом термостате максимальную температуру, подключите его к системе. Заполните систему заданным газом при требуемом давлении. Запишите начальные параметры состояния. Уменьшите температуру на 10°С, дождитесь установления температуры в цилиндре. Переместите поршень вниз, чтобы восстановить начальное давление, запишите полученные параметры состояния. Продолжайте охлаждение газа и перемещение поршня до температуры 20°С. Повторите измерения для другого начального давления в системе. По полученным данным постройте графики процесса в (p – V) координатах.

4. Изохорный процесс. Установите на левом термостате температуру 20°С, подключите его к системе. Заполните систему заданным газом при требуемом давлении и объеме. Запишите начальные параметры состояния. Увеличивайте температуру до максимальной с шагом 10°С, записывая параметры состояния. Повторите измерения для других начальных параметров. По полученным данным постройте графики процесса в (p – V) координатах.

5. Тарировка газового термометра. Установите поршень в верхнее положение. Установите на левом термостате температуру 20°С, подключите его к системе. Откачайте систему до давления -0,2 ¸ -0,6 бар. Подключите к магистрали ртутный манометр. Перемещением правого колена добейтесь, чтобы правый столбик ртути не доходил до верхнего края трубки на 20¸30 мм. Запишите параметры состояния газа и значения уровней ртути в коленах манометра. Поднимите температуру на 10°С, дождитесь установления температуры в цилиндре. Перемещением правого колена добейтесь, чтобы уровень ртути в левом колене вернулся к исходному значению. Запишите параметры состояния газа и значения уровней ртути в коленах манометра. Продолжайте измерения, повышая температуру газа до максимальной.

По полученным результатам измерений рассчитайте давление газа (в мм рт. ст.) для каждой температуры.

Постройте калибровочный график зависимости p = f (t).

Экспериментальная установка

Схема установки изображена на рисунке ниже:

 

Назначение и характеристика основных элементов установки:

а) Термостатированный резервуар (1), с заключенным в нем цилиндром (2) с поршнем (3). Посредством штока (4) и реверсивного шагового привода (5) поршень может перемещаться в цилиндре. Управляется шаговый привод пультом (15), отображающим текущий объем под поршнем.

Параметры:

- объем под поршнем (геометрический): V _min = 0,5 л, V _max = 5 л;

- теплоемкость резервуара 400 Дж/°С.

б) Термостаты. Термостатирование объема осуществляется прокачиваемой водой, температура которой поддерживается термостатами (10) и (11), настроенными на поддержание низкой и высокой температуры. Выбор термостата, вода из которого в данный момент подается в объем (1), осуществляется краном (12). Каждый термостат имеет собственный пульт управления: (10) и (11). Термостаты расположены ниже уровня цилиндра и при отключении циркуляционного насоса вода из рубашки цилиндра стекает в соответствующий термостат. Термостат может находится в трех состояниях:

1) "ВЫКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [выключено], если в этом состоянии термостат подключен к системе краном (12), то в него стекает вода из рубашки цилиндра;

2) "ВКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [включено], при этом на выходе термостата температура равна заданной регулятором [Уст. Т] независимо от величины температуры на входе;

3) "ЦИРК." - переключатель [нагрев] в положении [выключено], переключатель [цирк.] в положении [включено], при этом температура на выходе термостата равна температуре на входе. Допускается любое состояние термостата при любом положении крана (12).

Параметры:

- диапазон задаваемых температур: t _min = 10 °C, t _max = 98 °C;

- объем циркулирующей воды: 1 л.

 

в) Система заполнения цилиндра. Для заполнения или вентиляции объема цилиндра служит кран (8) - соединяет внутренний объем цилиндра с атмосферой.

г) Контроль давления. Для контроля давления служит мановакуумметр (9). Прибор постоянно подключен к внутреннему объему цилиндра. Показания прибора - относительно атмосферного давления.

Параметры:

- шкала мановакуумметра: -0,1 ¸ 0 ¸ 1,2 МПа.

д) Измерение температуры внутри цилиндра осуществляется термопарой (6), индикация температуры - цифровой термометр (13). Для измерения температуры воды используется термопара (7), индикация температуры - цифровой термометр (14).

Параметры:

- шкала термометра: 0 ¸ 200 °С;

ЗАДАНИЕ

1. Запустите лабораторную работу. Отметьте в лабораторном журнале указанный преподавателем цикл тепловой машины и температуру источника (приемника) тепла.

2. При открытом кране 8 переведите поршень в верхнее положение, закройте кран 8.

3. Считаем левый термостат источником тепла (приемником). Установите на левом термостате заданную начальную температуру (можно оставить 20°С), переведите термостат в режим НАГРЕВ (режим НАГРЕВ на левом термостате будет включен постоянно).

4. Если исследуется прямой цикл тепловой машины, то подключите к цилиндру краном 12 правый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Запишите параметры состояния (p, V, T) газа при верхнем положении поршня. Опускайте поршень вниз, записывая значения параметров (p, V, T) через каждые 0,5 л, дожидаясь установления температуры в цилиндре. Далее, выключите режим ЦИРК правого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. Подключите к цилиндру краном 12 левый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Поднимите поршень в крайнее верхнее положение, дождитесь установления температуру в цилиндре, выключите режим ЦИРК левого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. На этом один цикл работы тепловой машины завершен.

5. Если исследуется обращенный цикл, то подключите к цилиндру краном 12 левый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Опустите поршень вниз до отметки 0,5 л. Дождитесь установления температуры. Выключите режим ЦИРК левого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. Подключите краном 12 к цилиндру правый термостат, включите режим ЦИРК. Запишите параметры состояния (p, V, T) газа при нижнем положении поршня. Поднимайте поршень вверх, записывая значения параметров (p, V, T) через каждые 0,5 л, дожидаясь установления температуры в цилиндре. Далее, выключите режим ЦИРК правого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. На этом один цикл работы тепловой машины завершен.

6. Используя данные о теплоемкости системы и результаты измерения температуры при рабочем движении поршня, оцените совершенную работу A. Постройте график рабочего процесса и по нему определите совершенную работу A _o. Сравните полученные результаты.

7. Повторите действия п.4 (или п.5) 10÷15 (n) раз. Оцените затраченную работу по общему изменению температуры и сравните ее значение с величиной n×A _o.

Объясните полученное расхождение.

 

Экспериментальная установка

В работе используются: муфельная печь 1, содержащая электронагреватель 2, вентилятор обдува 3; термопара 4; цифровой термометр 5; регулируемый источник питания 6; выключатель нагрева 7; таймер 8.

Схема установки изображена на рисунке 1. Вентилятор обдува 3 предназначен для равномерного распределения тепла внутри печи. Электронагреватель 2 подключен к регулируемому источнику питания постоянного тока 6, контроль напряжения и тока осуществляется вольтметром и амперметром, входящими в источник питания. Для измерения температуры воздуха служит термопара 4, подключенная к цифровому термометру 5.

ЗАДАНИЕ

1. Запустите лабораторную работу. Отметьте в лабораторном журнале характеристики (масса и материал) полученного образца.

2. Включите источник питания, установите напряжение, указанное преподавателем (или выбранное самостоятельно). Нагрев печи включается кнопкой "ВКЛ", расположенной на пульте НАГРЕВ только при закрытой дверце печи. Для закрывания/открывания дверцы надо нажать на нее левой кнопкой мыши.

3. Включите вентилятор обдува.

4. Не помещая исследуемый образец в печь, закройте дверцу, включите нагрев и одновременно запустите секундомер. Через интервалы времени 20¸40 сек. запишите значения температуры. Всего надо сделать 6¸8 измерений. Также запишите значения напряжения и силы тока I. Выключите нагрев, откройте дверцу печи (для ускорения остывания).

5. Для каждого интервала времени D t найдите соответствующее изменение температуры D T и посчитайте значения . Нанесите полученные точки на координатную плоскость (, t), располагая значения посередине временного интервала измерения (те есть, если измерения проводились через 30 сек, то значение , посчитанное на интервале 0¸30 сек. соответствует времени 15 сек). Проведите через точки прямую, продолжая ее до пересечения с осью абсцисс, определите по графику значение при t = 0, пересчитайте значение к . По формуле

[4]

рассчитать собственную теплоемкость печи C_П.

6. После остывания печи поместите в нее исследуемый образец (для внесения/убирания образца надо нажать на него левой кнопкой мыши при открытой дверце).

7. Повторите измерения и вычисления по п.п. 4 и 5, изменив, если требуется, напряжение питания.

Результаты измерений занести в таблицу №1:

Таблица 1

Физ. величина	Dt	T1		T2		СП	С	со
Ед. измерений   Номер опыта	с	К		К
…
n

 

Для получения приемлемой погрешности при проведении измерений необходимо, чтобы температура повышалась не менее, чем на 3¸4 °С за интервал измерения. По формуле [4] будет определена суммарная теплоемкость печи и образца С. Найдите теплоемкость образца С_о:

[5]

Рассчитайте удельную теплоемкость: .

Сравните со справочными значениями.

 

 

Вывод рабочей формулы.

Рассмотрим метод Клемана – Дезорма. Напустим воздух в стеклянный сосуд 1 (см. рисунок) т.е. откроем и закроем кран 10. При быстром сжатии температура воздуха повышается. Поэтому после прекращения напуска разность уровней жидкости в манометре будет постепенно уменьшаться, пока температура воздуха внутри сосуда не сравняется с температурой окружающего воздуха. Назовем состояние воздуха в сосуде после выравнивания температур состоянием 1. Параметры состояния 1: V ₁ - объем единицы массы воздуха; t ₁ - температура воздуха; р₁ - давление в сосуде.

Откроем кран 3и, как только давление в сосуде сравняется с атмосферным, закроем его. Так как расширение происходит очень быстро, то процесс близок к адиабатическому и, следовательно, температура понизится до t ₂. Объем единицы массы воздуха станет равным V ₂. Воздух, оставшийся в сосуде, перейдет в состояние 2 с параметрами V ₂, t ₂, р₂ (р₂ –атмосферное давление). Так как температура t ₂ меньше наружной, то воздух в сосуде будет постепенно нагреваться (вслед­ствие теплообмена с окружающей средой) до температуры окружающего воздуха t₁. Это нагревание происходит изохорически, так как кран закрыт. Давление воздуха в сосуде увеличивается по сравнению с атмосферным, и в манометре возникает разность уровней h ₂, т.е. воздух переходит в состояние 3 с параметрами V ₂, t ₁, р₃.

Таким образом, мы имеем три состояния газа со следующими параметрами:

Состояние Параметр
Объем	V 1	V 2	V 2
Температура	t 1	t 2	t 1
Давление	p 1	p2	p 3

 

В состояниях 1 и 3 воздух имеет одинаковую температуру, следовательно, параметры этих состояний можно связать уравнением изотермического процесса (уравнением Бойля – Мариотта):

или (4)

Переход от состояния 1 к состоянию 2 происходит адиабатически, поэтому параметры их связаны уравнением Пуассона (3):

или (5)

Из уравнений (4) и (5) получим

(6)

 

Прологарифмировав равенство (6), получим

, (7)

 

Если давление измерять жидкостным манометром, то вместо р можно писать соответствующую высоту жидкости. Тогда можно ввести обозначения

где H – атмосферное давление, h₁ – разность уровней манометра в первом состоянии, h₂ – разность уровней в третьем состоянии.

Тогда выражение (7) можно переписать в виде

Так как величины h ₁ и h ₂, выраженные в миллиметрах ртутного столба, очень малы по сравнению с Н и, следовательно, дроби h ₁/ H и (h ₁ - h ₂)/(H + h ₂) также незначительны, для нахождения величины логарифма можно воспользоваться приближенным выражением

,

где х - малая величина.

Поскольку х ² и, тем более, х ³ - величины высших порядков малости, ими можно пренебречь, тогда lg(1+ x) @ x и, следовательно,

Пренебрегая величиной h ₂ в сумме H + h ₂, получим расчетную формулу

 

. (8)

Порядок выполнения работы.

 

1) открыв кран 10, напустить воздух из баллона 2 в сосуд 1; закрыть кран;

2) подождать, когда разность уровней жидкости в манометре стабилизируется, измерить разность уровней h ₁; (для удобства и быстроты проведения эксперимента можно нажать «прыжок» во времени, но не более 1 минуты и несколько раз)

3) открыть кран 3, и когда избыток воздуха выйдет из сосуда, быстро закрыть его (в данной работе параметры установки подобраны таким образом, что достаточно повернуть кран 3 на 180° чтобы давление газа в сосуде сравнялось с атмосферным).

4) подождать, когда разность уровней жидкости в манометре стабилизируется (температура воздуха в сосуде станет равной комнатной температуре); измерить разность уровней h ₂.

5) повторить пп.1-4 не менее десяти раз (напуская в сосуд воздух до разного давления), по результатам измерений заполните таблицу:

Таблица 1

Физ. величина	h 1	D h 1	h 2	D h 2	h 1 - h 2	g i
Ед. измерения Номер опыта
1.
2.
…
n

___________________

Примечание.  Dh₁ и Dh₂ - приборная ошибка в измерении h ₁ и h ₂. Dh₁= Dh₂ = 1 мм.

6) вычислить g для каждого измерения по формуле (8); найти среднее значение ;

7) погрешность измерения в этом случае (величина g определяется многократно) допускается рассчитать как среднюю квадратичную для серии n измерений:

.

8) привести окончательный результат.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое теплоемкость, молярная теплоемкость, удельная теплоемкость? Как они связаны? Какова размерность теплоемкости? От чего зависит молярная теплоемкость?

2. Почему C_p > C_V с точки зрения первого начала термодинамики?

3. Какой процесс называют адиабатическим? Каким уравнением описывается адиабатический процесс? Изобразите адиабату в координатах p-V.

4. Какие термодинамические процессы происходят в данной работе? Изобразите эти процессы в координатах p-T, V-T, р-V.

5. Почему измерение давления следует производить не сразу после напуска (выпускания) воздуха, а через некоторое время?

 

 

библиографический список

учебной литературы

 

1. Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1

2. Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.

4. Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.

5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.

 

 

Экспериментальная установка

Схема установки показана на рисунке ниже:

Исследуемая проволока 2 длиной 1 м натянута внутри трубки 1, уменьшающей тепловые потери при нагревании. Верхний конец проволоки неподвижен, а нижний закреплен на поводке микрометрического индикатора 5, показывающего удлинение проволоки. Для поддержания проволоки в натянутом состоянии используется груз 4. Проволока через нагрузочное сопротивление 7 подключена к регулируемому блоку питания 8. Пульт 12 "НАГРЕВ" позволяет подключать/отключать ток в цепи, не выключая источник питания. Падения напряжений на проволоке и нагрузочном сопротивлении измеряются цифровыми вольтметрами 10 и 9. Величина нагрузочного сопротивления (10 ом или 30 ом) выбирается переключателем на пульте 11.

Предел измерения цифрового вольтметра надо выбирать минимально возможный, чтобы результат измерений содержал максимальное количество значащих цифр.

Микрометрический индикатор содержит две шкалы: внешнюю (большую) и внутреннюю (маленькую). Внешняя шкала имеет цену деления 1 мкм, один оборот внешней шкалы (100 мкм) соответствует одному делению внутренней шкалы. Один оборот внутренней шкалы соответствует перемещению 1 мм.

ЗАДАНИЕ

1. Запустите лабораторную работу.

2. Для материала проволоки определите термический коэффициент сопротивления (из справочной таблицы).

	материал	уд. сопр. Ом×м × 10^-8	темп. коэфф. сопр. х10^-3 град^-1
	вольфрам	5,5	4,6
	сталь	9,8	6.0
	алюминий	2,7	4,2
	медь	1,7	4.3

 

3. Включить источник питания, нажать кнопку ВКЛ на пульте "нагрев", величину нагрузочного сопротивления установить 30 Ом. Измерить падения напряжений при напряжении источника питания 1 В, 2 В. Рассчитать сопротивление проволоки, найти среднее значение. Расчет проводится по формулам:

- ток в цепи ,

где V_эт - показания верхнего (на стенде) вольтметра

- сопротивление проволоки ,

где V_пр - показания нижнего (на стенде) вольтметра

При этом сила тока мала, нагревом проволоки можно пренебречь, и считать рассчитанное при этом сопротивление проволоки за начальное .

4. Установить величину нагрузочного сопротивления 10 ом. Меняя напряжение источника питания с шагом 5 В измерить падения напряжений и удлинение проволоки. Напряжение менять до максимального, а затем произвести измерения при уменьшении напряжения в обратном порядке. При измерении удлинения, необходимо особое внимание обращать на перемещение стрелки на внутренней шкале, так как количество оборотов маленькой стрелки не фиксируется. Результаты измерений занести в таблицу. По результатам измерений рассчитать (аналогично п.2) ток через проволоку и сопротивление проволоки при разных температурах. Рассчитать температуру, соответствующую каждому значению сопротивления:

, °С

5. Построить график зависимости удлинения проволоки от ее температуры. Отметить на графике область линейного удлинения и область пластической деформации. Рассчитать коэффициент термического расширения по результатам, соответствующим области линейного удлинения. Сравнить со справочными данными.

 

Экспериментальная установка

Схема установки показана на рисунке ниже.

 

Колба 1 помещена в термостатированный объем 3, по которому циркулирует вода с температурой, заданной термостатом 4. Колба закрыта и сверху в нее вставлена измерительная трубка 2, позволяющая измерять высоту столба жидкости, вытесненной из колбы при нагревании. Температура измеряется термометром 5.

Термостат 4 управляется с пульта 6. Пульт содержит задатчик температуры (в °С), переключатели "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Переключатель "НАГРЕВ" включает режим поддержания температуры воды внутри термостата равной заданной, при выключенном переключателе "НАГРЕВ" температура воды устанавливается равной комнатной. Переключатель "ЦИРК" включает или выключает циркуляцию воды через термостатированный объем 3.

ЗАДАНИЕ

1. Запустите лабораторную работу. В начале работы термостатированный объем содержит некоторое количество льда, которое поддерживает в объеме температуру, равной 0°С. Повышение температуры возможно только после того, как весь лед растает. Обратите внимание, что повышение температуры от 0°С до 20°С необратимо, термостат позволяет задавать температуру только выше комнатной. Поэтому необходимо тщательно выполнить измерения в начале работы, поскольку повторить их не удастся!

2. Запишите начальное значение высоты столба воды в измерительной трубке. Для облегчения считывания показаний со шкалы трубки, справа от трубки изображен увеличенный фрагмент шкалы в окрестности верхнего края столба жидкости. Увеличение составляет 10 крат, благодаря чему точность измерения - 1 мм. (Цена деления основной шкалы - 1 см, цена деления увеличенного фрагмента - 1 мм, десять делений увеличенного фрагмента соответствуют интервалу в одно деление на основной шкале).

3. Чтобы ускорить таяние льда включите термостат в режим "ЦИРК", "НАГРЕВ", оставив на датчике термостата значение [20°C]. Внимательно следите за изображением кусков льда вверху термостатированного объема, и когда они начнут исчезать, выключите "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Полное таяние льда и дальнейшее повышение температуры будет происходить за счет теплообмена с окружающим воздухом.

4. Как только весь лед растает и температура начнет повышаться, записывайте высоту столба жидкости в измерительной трубке при изменении температуры на 1°С. Продолжайте измерения до температуры 15°С.

5. При температурах, выше 15°С измерения достаточно производить каждые 5°С (т.е. 20°, 25°, 30°, 35°,... до перелива). Эти измерения просто осуществляются при включении термостата в режим "ЦИРК", "НАГРЕВ", выставляя на датчике термостата требуемое значение температуры. Измерения проводить до максимально возможной температуры, т.е. пока столб жидкости не достигнет края измерительной трубки. При достижении максимальной температуры выключите термостат, можно остановить работу.

6. Постройте график зависимости изменения объема воды от температуры . Отметьте на графике область аномальной зависимости (уменьшения объема при уменьшении температуры).

7. Вычислите средний коэффициент термического расширения воды a:

[1]

где , D - диаметр трубки (параметр установки, указывается преподавателем), h_max и h_min - максимальная высота жидкости (при температуре t) и начальная высота жидкости;

V _o- начальный объем воды, принимается равным 0,5 л;

t - температура, в °С, соответствующая максимальной высоте столба жидкости.

8. Рассчитайте коэффициенты термического расширения воды для каждого измеренного интервала температур (в интервале 0¸15°С через 1°С, в остальном интервале через 5°С). Расчет производиться по следующей формуле:

 

[2]

где a ’_n - коэффициент термического расширения воды на n - интервале;

h_n - высота столба воды в начале n - интервала; h _n

h_{n+ 1} - высота столба воды в конце n - интервала;

t_n - температура воды в начале n - интервала;

t_{n+ 1} - температура воды в конце n - интервала.

Результаты измерений занести в таблицу:

Физ. величина	Т	h	DV	a
Ед. измерений Номер опыта	^оС	см	м^3	^оС^-1
…
n

 

Постройте график зависимости , проведите на графике прямую, соответствующую значению среднего коэффициента термического расширения воды. Отметьте, при какой температуре значение среднего коэффициента совпадает с мгновенным.

Цель работы:

1) определение изменения температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры;

2) вычисление по результатам опытов коэффициентов Ван-дер-Ваальса "a" и "b".

 

Молекулярно-кинетическая теория газов основывается на модели идеального газа. В этой модели пренебрегается размерами молекул по сравнению с расстоянием между ними, т.е. молекулы рассматриваются как материальные точки. Кроме того, пренебрегается силами взаимодействия между молекулами (за искл