Описание эксперимента и вывод рабочей формулы

Прибор Клемана и Дезорма состоит из баллона с воздухом Б, насоса Н, водяного манометра М, соединительных трубок и крана К (рис. 1).

Рисунок 8.1

Опишем эксперимент и покажем происходящие термодинамические процессы на диаграмме состояний газа в параметрах Р и V (рис. 2).

Рисунок 8.2

При закрытом кране К накачаем в баллон немного воздуха. После выравнивания температуры воздуха в баллоне с температурой окружающей среды давление в сосуде P₁ будет больше атмосферного P₀:

                                         (8.11)

где - гидростатическое давление столба воды в колене манометра, h ₁ - разность уровней в трубках манометра.

Откроем на короткое время кран К, чтобы давление в сосуде сравнялось с атмосферным P₂= P₀. Закроем кран К. За время этого процесса теплообмен воздуха в баллоне с внешней средой пренебрежимо мал. Поэтому процесс можно считать адиабатическим.

Запишем уравнение Пуассона для состояний 1 и 2:

                                         (8.12)

В закрытом баллоне происходит изохорический процесс (V₂=const).

Через некоторый промежуток времени в результате теплообмена температуры в сосуде, ранее пониженная при адиабатическом расширении воздуха, сравняется с комнатной. Давление станет равным

                                       (8.13),

где h ₂ - разность уровней в трубках манометра.

В начальном 1 и конечном 3 состояниях воздух в баллоне имеет одинаковую температуру. Точки 1 и 3 на диаграмме Р-V принадлежат одной изотерме, поэтому

                                       (8.14)

    Далее, воспользовавшись уравнением Менделеева – Клапейрона и произведя соответствующие алгебраические преобразования, а так же  учитывая малость давлений  и  по сравнению с атмосферным,  получим расчетную формулу:

                                           .                                                 (8.15)

Пользуясь этим выражением, можно определить значение γ по измеренным на опыте значениям h₁ и h₂.

Порядок выполнения работы

 1. При закрытом кране К нагнетают насосом воздух в баллон до тех пор, пока разность уровней жидкостей в манометре станет не менее 25 см. При нагнетании воздуха в баллон надо следить за тем, чтобы нижний уровень жидкости не опустился до колена манометра, так как в этом случае вся жидкость из манометра будет выброшена давлением воздуха и прибор выйдет из строя. Закрыв кран, выжидают 1-2 минуты, пока уровни жидкости в манометре не установятся. При этом температура газа уравняется с комнатной, так как при нагнетании воздуха температура газа повышается. По нижним уровням менисков в правом и левом колене манометра определяют h₁ и полученное значение заносят в таблицу.

 2. Быстро открывают кран К.  При этом слышится шипящий звук, это звук выходящего из баллона воздуха. Как только звук прекращается, кран необходимо закрыть. Можно закрывать кран, ориентируясь по показаниям манометра. Кран следует закрыть как только уровни в коленах манометра сравняются. При этом газ адиабатически расширится до давления, равного атмосферному.

 3. Выжидают 1-2 минуты, следя за показаниями манометра. В это время воздух в баллоне нагревается до комнатной температуры и его давление возрастает, поэтому уровни манометра перемещаются. Как только температура газа сравняется с комнатной, перемещение жидкости прекратится. После этого определяют положения уровней в правом и левом коленах манометра и измеряют расстояние между уровнями - h₂. Отсчет производится по нижнему уровню менисков. Значение h₂ заносят в таблицу.

Прежде чем приступить к измерениям, необходимо несколько раз повторить на опыте порядок выполнения работы, не записывая данных. Опыт проделывают не менее 7 раз. Результаты всех измерений заносят в таблицу. По мере выполнения работы, результаты следует показывать преподавателю.

№ п/п	h1, мм	h2, мм	γi	- γ
1
2
3
4
5
7

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение каждому из процессов: изохорическому, изотермическому, изобарическому и адиабатному. Представьтеих гра­фически.

2. Запишите первый закон термодинамики.

3. Докажите, что разностьC_p - C _v молярных теплоёмкостей равна универсальной газовой постоянной.

4. Что такое число степеней свободы? Как это число связано с ко­эффициентом Пуассона?

5. Какие значения принимает i для 1, 2 и 3 атомных газов.

6. Укажите на графике   на оси P отрезки, соответствую­щие h₁ и h₂.

7. Какие процессы происходят с системой (воздух, находящийся в баллоне) при выполнении настоящей работы?

 

Список рекомендуемой литературы

 

1. Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика: учеб. для вузов/ А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я.  Потапенко– 9-е изд.- М.: Дрофа, 2010.-560 с.

2. Грабовский, Р.И. Курс физики: учебник для вузов/ Р.И. Грабовский.- 11-е, изд. перераб. М.: «Лань», 2009.

3. Физика и биофизика: учебник для студентов мед. вузов/ В.Ф. Антонов [и др.].– М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008.

4. Физика и биофизика: практикум: учебное пособие для студентов мед. и фарм. вузов / В.Ф. Антонов [и др.].– М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008.

 

 

Учебное издание