Исследование равновесных процессов в газах
Исследование политропно-изохорно-изотермического цикла, измерение показателя политропы. Расчет мольной теплоемкости воздуха в политропном процессе и мольной изохорной теплоемкости воздуха. Динамика изменения внутренней энергии и величины работы газа.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.12.2011 |
| Размер файла | 199,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ»
Кафедра физики
Лабораторная работа № 9
Исследование равновесных процессов в газах
Санкт-Петербург, 2004
Цель работы: исследование политропно-изохорно-изотермического цикла, измерение показателя политропы; построение цикла.
Приборы и принадлежности: баллон с воздухом, манометр, микрокомпрессор, лабораторные термометр и барометр.
Исследуемые закономерности
Метод измерений. Используемая в работе установка изображена на рис. 2.1.
Баллон А объёмом V1 может сообщаться либо с насосом H, либо с атмосферой. Внутрь баллона помещён манометр М, измеряющий избыточное давление. Одно деление шкалы равно 4 мм вод. ст., что составляет 40 Па. Рабочим газом является воздух. В исходном состоянии параметры состояния воздуха следующие: давление p2 и температура T1. Диаграмма исследуемого цикла в координатах давления p и объёма V показана на рис. 2.2.
Исходным является состояние, в котором воздух имеет давление p2 и температуру T1. Насосом в баллон накачивают воздух до давления p1 = p2 + p1 (состояние 1 (p1; V1)). При сжатии воздух нагревается, поэтому после закрытия крана необходимо выждать некоторое время, пока температура воздуха в баллоне не сравняется с температурой окружающей среды (при этом прекращается движение стрелки манометра).
Затем воздух выпускают через кран К в атмосферу в течение нескольких секунд. Когда стрелка манометра приблизится к нулю, кран закрывают. В этот момент давление воздуха баллоне становится p2 (состояние 2 (p2; V2). Изменение параметров состояния воздуха в процессе расширения отражает линия 12, которая является политропой.
После закрытия крана охлаждённый при расширении воздух изохорически нагревается до температуры окружающей среды в результате теплообмена. Изменение параметров состояния воздуха отражает линия 23, которая является изохорой. Температура воздуха в баллоне становится равной температуре в точке 1 (T3 = T1), следовательно, точки 1 и 3 лежат на одной изотерме.
После выравнивания температур давление в баллоне изменится на p3 и станет p3 = p2 + p3 (состояние 3 (p3; V2)). Таким образом, p1 и p3 это изменения давления на участках 12 и 23. Участки 12 и 13 на диаграмме можно аппроксимировать прямыми линиями, так как изменения параметров p, V, T в данной работе малы и много меньше абсолютных значений соответствующих величин.
В работе изучается политропно-изохорно-изотермический (nVT) цикл. Определение показателя политропы. Первое начало термодинамики формулируется следующим образом: сообщённое системе количество теплоты Q расходуется на увеличение внутренней энергии U системы и совершение системой работы А:
Q = U + A = CV dT + p dV,
где CV - теплоёмкость газа при изохорном процессе.
nVT-цикл. Процесс расширения воздуха на участке 12 (рис. 2.1) рассматривается как политропный, при котором теплоёмкость газа С остаётся постоянной. Тогда первое начало термодинамики имеет вид
CV dT + p dV = 0,
где CV = CV C. Из этого соотношения с помощью уравнения состояния идеального газа можно получить уравнение политропного процесса TV n1 = const или рV n = const, где n - показатель политропы,
n = (Cp C) / (CV C).
Показатель политропы n может быть определён экспериментально. Выразим n через экспериментально измеренные величины, для чего продифференцируем уравнения политропы (рVn = const) и изотермы (рV = const): рnV n1 dV + V n dр = 0 для политропы и рdV + V dр = 0 для изотермы. Преобразуем соотношения к виду
; .
При относительно малых изменениях p и V угловые коэффициенты политропы 12 и изотермы 13 (см. рис. 2.1) рассчитывается по формулам
; ,
где V = V2 V1. Из отношения приведенных уравнений получаем формулу
.(2.1)
Зная n, можно определить мольную теплоемкость газа в политропном процессе (мольные величины обозначаем соответствующими строчными буквами)
с = сV R / (n 1),(2.2)
где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(Kмоль); сV мольная теплоемкость воздуха при постоянном объеме. При нормальных условиях сV определяется числом степеней свободы (i) молекул (считать воздух двухатомным газом):
сV = (i / 2) R.(2.3)
На участке 12 воздух охлаждается, поэтому величина с имеет знак «минус».
Расчет изменения внутренней энергии и работы. Поскольку при изотермическом процессе ?T = 0, то изменение внутренней энергии газа в политропном процессе ?U12 и при изохорном процессе ?U23 одинаковы по величине и противоположны по знаку. Тогда
?U12 = ? с (T2 - T1)(2.4),
где ? - число молей воздуха в баллоне, определяемое по уравнению состояния (уравнение Менделеева-Клапейрона).
Работа расширения (сжатия) в политропическом и изотермическом процессах может быть рассчитана по формулам:
; .
политропный изотермический температура газ
Указания к проведению наблюдений
Насосом накачать в баллон воздух до давления 0,8 0,9 предельного по шкале манометра и закрыть кран. После того как воздух в баллоне охладится до комнатной температуры, записать установившееся избыточное давление p1.
Открыть кран на атмосферу и, как только избыточное давление в баллоне упадёт до нуля, закрыть кран. Когда воздух в баллоне нагреется до комнатной температуры (перестанет уменьшаться давление в баллоне), записать значение установившегося избыточного давления p3.
Действия, описанные в пп.1, 2, выполнить 10 раз.
Барометром и термометром, имеющимися в лаборатории, измерить атмосферное давление p2 и температуру воздуха T1. Объём баллона V1 указан на панели установки.
Задание на подготовку к работе
Выполнить индивидуальное домашнее задание №4.
Изучить описание лабораторной работы.
Подготовить бланк Протокола наблюдений, основываясь на содержании раздела «Указания по проведению наблюдений». Разработать и внести в бланк Протокола таблицу, для занесения результатов наблюдений.
Задание на обработку результатов
Вычислить по формуле (2.1) показатель политропы n. Рассчитать доверительную погрешность n, используя методы вычисления погрешностей косвенных измерений. Результат представить в стандартном виде (n = n n).
Определить параметры состояния в точках 1, 2 и 3 используя уравнения термодинамических процессов. При расчётах использовать экспериментально полученные значения изменения давления и величину p2. Построить nVT цикл в координатах (р, V). График построить на миллиметровой бумаге в удобном масштабе.
По формулам (2.2) и (2.3) рассчитать мольную теплоёмкость воздуха в политропном процессе и мольную изохорную теплоёмкость воздуха.
Используя уравнения состояния идеального газа, найти число молей воздуха в сосуде по известным значениям p2, V1, T1. Считается, что число молей газа - постоянная величина.
Рассчитать изменения внутренней энергии и величину работы газа для всех процессов nVT цикла, представить результаты в виде таблицы.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Определение удельной и молярной теплоемкости. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Расчет теплоемкости газа, сохраняющего неизменным объем. Метод наименьших квадратов. Отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.
лабораторная работа [42,3 K], добавлен 21.11.2013Особенности и алгоритм определения теплоемкости газовой смеси (воздуха) методом калориметра при постоянном давлении. Процесс определения показателя адиабаты газовой смеси. Основные этапы проведения работы, оборудование и основные расчетные формулы.
лабораторная работа [315,4 K], добавлен 24.12.2012Газовый цикл и его четыре процесса, определяемые по показателю политропы. Параметры для основных точек цикла, расчет промежуточных точек. Расчет постоянной теплоемкости газа. Процесс политропный, изохорный, адиабатный, изохорный. Молярная масса газа.
контрольная работа [170,3 K], добавлен 13.09.2010Определение показателя политропы, начальных и конечных параметров, изменения энтропии для данного газа. Расчет параметров рабочего тела в характерных точках идеального цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с изохорно-изобарным подводом теплоты.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 03.12.2011Газовая постоянная воздуха. Изотермическое сжатие и адиабатное расширение воздуха. Измерение теплоемкости твердых тел. Измерение теплопроводности твердых тел. Теплопроводность однослойных и многослойных стенок. Соотношения между единицами давления.
методичка [2,3 M], добавлен 22.11.2012Исследование изобарных, изохорных, изотермических и адиабатных процессов. Определение показателя политропы для заданного газа, изменения энтропии, начальных и конечных параметров рабочего тела. Изучение цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания.
контрольная работа [347,5 K], добавлен 12.02.2012Расчет параметров газовой смеси: ее молекулярной массы, газовой постоянной, массовой изобарной и изохорной теплоемкости. Проверка по формуле Майера и расчет адиабаты. Удельная энтропия в характерных точках цикла и определение термического КПД цикла Карно.
контрольная работа [93,6 K], добавлен 07.04.2013Изучение различных изопроцессов, протекающих в газах. Экспериментальное определение СP/СV для воздуха. Расчет массы газа, переходящего в различные состояния. Протекание изотермических процессов, определение состояния газа как термодинамической системы.
контрольная работа [28,0 K], добавлен 17.11.2010Определение массовой, объемной и мольной теплоемкость газовой смеси. Расчет конвективного коэффициента теплоотдачи и конвективного теплового потока от трубы к воздуху в гараже. Расчет по формуле Д.И. Менделеева низшей и высшей теплоты сгорания топлива.
контрольная работа [117,3 K], добавлен 11.01.2015Взаимосвязь внутренней энергии и теплоты газа. Первое начало термодинамики. Общее понятие о теплоемкости тела. Энтропия как мера необратимого рассеяния энергии или беспорядка. Адиабатический процесс: уравнение, примеры. Политропные и циклические процессы.
презентация [889,7 K], добавлен 29.09.2013
