3

Лабораторная работа

по курсу общей физики

Определение коэффициента Пуассона воздуха методом адиабатического расширения

1. Цель работы

Определение коэффициента Пуассона воздуха по данным измерения его давления после адиабатического расширения и последующего изохорного нагревания.

1.1 Теория метода

Теплоемкостью тела называют количество теплоты, необходимое для повышения температуры тела на 1 К. Если телу сообщили количество теплоты dQ и при этом его температура изменилась на dT, то теплоемкость тела определяется отношением

(2.1)

Для характеристики тепловых свойств веществ используют понятия удельной (с) и молярной (С) теплоемкости, определяемых как

и , (2.2)

гдеm масса тела;

число молей вещества.

Теплоемкости Cm, c и C зависят от природы вещества и от условий в которых происходит нагревание. Это следует из первого начала термодинамики

(2.3)

Поскольку

, (2.4)

гдеdV - изменение объема тела;

P - давление.

то из (2.2) и (2.3) следует, что молярная теплоемкость физически однородного вещества определяется соотношением

(2.5)

Отношение

(2.6)

теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном газе называется коэффициентом Пуассона (иногда - показателем адиабаты). Для идеального газа средняя энергия теплового движения молекулы газа равна

, (2.7)

гдеi - сумма числа поступательных, вращательных и удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы.

Внутренняя энергия молей газа равна

, (2.8)

гдеR - универсальная газовая постоянная.

В соответствии с (2.5) и (2.8) молярная теплоемкость идеального газа при постоянном объеме равна

.(2.9)

Дифференцируя уравнение состояния идеального газа при постоянном давлении, имеем:

.(2.10)

Из (2.5), (2.9) и (2.10) следует, что молярная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении равна

.(2.11)

Следовательно, коэффициент Пуассона определяется по формуле

(2.12)

Рассмотрим воздух, содержащийся в каком-то сосуде, сообщающемся с атмосферой. Если закачать в сосуд некоторое количество воздуха, то давление в сосуде повысится. При быстром нагнетании воздуха теплообмен между содержимым сосуда и его окружением произойти практически не успеет и сжатие будет происходить адиабатически и сопровождаться повышением температуры и давления.

,(2.13)

гдеP1 - приращение давления, произошедшее фактически за счет увеличения массы воздуха в сосуде по сравнению с массой в изначальном состоянии.

При быстром открывании крана воздух из сосуда будет расширяться достаточно быстро и система не успевает обменяться теплом с окружающей средой; происходит адиабатическое расширение. Этот адиабатический переход воздуха описывается законом Пуассона:

(2.14)

Если после этого снова закрыть кран, то оставшийся воздух начнет изохорно нагреваться. Когда температуры сосуда и окружающей среды уравновесятся, то давление в сосуде увеличится на P2 и станет равным

(2.15)

Этот изохорный переход описывается законом Гей-Люссака:

(2.16)

Принимая во внимание (2.13), (2.15) из (2.14) и (2.16) получаем:

.(2.17)

В случае относительно малых изменений давлений P1 и P2 по сравнению с атмосферным давлением Pa обе части можно разложить по биному Ньютона:

,(2.18)

Откуда

.(2.19)

2. Экспериментальная часть

2.2 Результаты измерений

(2.20)

Используя формулу

(2.21)

вычисляю абсолютную погрешность :

,(2.22)

где h1 = 0,001 м.

h2 = 0,001 м.

Относительная погрешность рассчитывается по формуле:

(2.23)

Вывод: В результате эксперимента был обнаружен коэффициент Пуассона воздуха по данным его давления после адиабатического расширения и изохорного нагревания. Среднее значение коэффициента Пуассона равно = 1,245 0,011.