№ 44 (1107976)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 44ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХАПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИОписание составил ст. преподаватель Богданов А. Е.Москва - 2012Подготовил к публикации методическое пособие доц.
Авксентьев Ю.И.2ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХАПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИЦель работы. Целью работы является определение молярнойтеплоемкости воздуха при постоянном давлении Сp.ПРИНЦИП ЭКСПЕРИМЕНТАПоток воздуха, создаваемый компрессором, проходит через трубкус нагревателем, получая при этом некоторое количество теплоты, ивыходитвокружающуюсреду(рис.1).Температуравоздуха в градусахЦельсияна выходетрубкивtвыходрезультатенагревавыше, чем температуранавходеаtвход ,давлениевоздухавнутри трубки принебольшойскороститечения,примерно,одинаковое и равноатмосферному.
Для некоторых постоянных значений разности температурtвход и tвыход снимается зависимость мощности нагревателя от расходавоздуха, т.е. скорости его подачи компрессором на вход трубки. Этазависимость является линейной и теплоемкость Ср рассчитывается черезтангенс угла наклона соответствующей прямой.Вывод расчетной формулыМощность, выделяемая нагревателем, расходуется на нагрев струивоздуха и на потери теплоты установкой в результате теплоотдачи споверхности трубки в окружающую среду, что можно выразитьуравнением теплового баланса:WdQполучdQпотерьdtdt.(1)Мощность нагревателя W равна произведению силы тока в его обмотке Iна напряжение на ней U(2)W IU .Отношение бесконечно малого количества теплоты dQполуч, полученноговоздухом за интервал времени dt, к величине этого интервала представляет3собой скорость или мощность нагрева струи воздуха (dQполуч/dt).Аналогично dQпотерь/dt – это скорость потери теплоты установкой.Величина потерь пропорциональна площади поверхности трубки иразности температур между ней и окружающей средой.
При стационарномраспределении температуры воздуха величина потерь постоянна.Пусть через трубку прошло некоторое число молей воздуха dn. Этоколичество воздуха получит от нагревателя теплоту dQполуч, увеличив своютемпературу на величину ΔТ. Считая, что разность давлений на концахтрубки достаточно мала по сравнению с атмосферным давлением и воздухнагревается при постоянном (атмосферном) давлении, по определениютеплоемкости можно записатьdQполуч С P Tdn .(3)Из уравнения состояния идеального газа можно выразить число молейпрошедшего через трубку воздуха dn через его объем dV:PV nRT ,P(4)dndV ,RTгде Р,Т -- давление и температура воздуха на входе в трубку, R -универсальная газовая постоянная.Подставим соотношения (2), (3), (4) в уравнение теплового баланса(1). В результате подстановки получим следующее равенство:IUCP P T dVRT dtdQпотерьdt.(5)Отношение объема воздуха dV, прошедшего через трубку, кdV dt .
Введеминтервалу времени dt представляет собой расход воздухаобозначения: Х= , Y=IU, А=СРРΔТ /RT, В=dQпотерь/dt, тогда уравнение(5) запишется в виде(6)Y AX B .Теплоемкость Ср рассчитывается через тангенс A угла наклона прямой поформулеCPARTP T(7)ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙЗадача выполняется на лабораторном комплексе ЛКТ-2, элементыкоторого размещены в трех ярусах каркаса (рис.
2).Перед проведением измерений на комплексе ЛКТ-2 должны бытьустановлены вертикально на штырях и закреплены гайками блоки (5) и (6).Выход (2) компрессора (1), реометр (7) – устройство для измерениярасхода газа (30) - и газовый калориметр (24) соединяются силиконовымишлангами (рис. 1,рис. 2). Гнездо (16) измерительной системы ИСТ–2 (4)соединяется кабелем с гнездом калориметра (25), к которому подключены4нагреватель и датчики температуры. Перечисленные выше операциивыполняются только с помощью лаборанта.Комплекс ЛКТ–2 подключается к сети 220 В.При проведении измерений на ЛКТ-2 необходимо выполнитьследующие операции.1.Зафиксировать значение h0 уровня жидкости в мерной трубкереометра при выключенном компрессоре.2.Поставить регулятор (14) компрессора в крайнее положение,вращая его против часовой стрелки до упора, обеспечив минимальныйначальный расход воздуха, и включить компрессор тумблером (15).65224730114152521 182217423 272928 16 20 26Рис.
2Воздух будет проходить через реометр (7) в калориметр (24), при этомуровень жидкости в мерной трубке реометра повысится с начальногоуровня h0 до некоторого уровня h . Расход воздуха определяется повеличине разности h h h0 (см. приложение к установке). Убедитьсяв возможности регулировки расхода воздуха, медленно вращая регулятор(14) компрессора по часовой стрелке.3.Поставить регуляторы «ТЕМПЕРАТУРА» (17) и «НАГРЕВ»(18) в крайнее положение, вращая их против часовой стрелки до упора.4.Включить тумблером (26) измерительную систему ИСТ-2 изаписать в тетрадь с цифрового индикатора (22) начальные значениятемпературы воздуха на входе в трубку и выходе из неѐ.
Температура навходе tвход нач в градусах Цельсия считывается при нажатой кнопке (27), атемпература на выходе tвыход нач - при нажатой кнопке (23).55.Задать температуру нагрева воздуха, примерно, 600 Cрегулятором «ТЕМПЕРАТУРА» (17), повернув его по часовой стрелке на3-4 деления. Задать напряжение нагревателя, примерно, 14В-16Врегулятором «НАГРЕВ» (18), вращая его по часовой стрелке (напряжениеконтролируется по цифровому индикатору (22) при нажатой кнопке (28)).Включить нагреватель тумблером (20). После этого температура воздухана выходе трубки tвыход начнет увеличиваться. При достижении заданнойтемпературы система перейдет в режим термостатирования и загоритсякрасный индикатор (21).6.После стабилизации температуры, напряжения и тока внагревателе записать с цифрового индикатора их значения в таблицу.
Принажатых кнопках (27), (23),(28) и (29) записывается соответственнотемпературанавходеивыходегазовогокалориметра( tвход ),( tвыход );напряжение U н в вольтах на нагревателе; ток через нагревательI н в миллиамперах.7.Увеличить расход воздуха регулятором (14) компрессора,установив следующее значение h (см. таблицу в разделе «Обработкарезультатов измерений»). Выждать несколько минут для установленияраспределения температуры.
После этого величина tвыход должна оставатьсяпостоянной, а необходимая для этого мощность нагревателяавтоматически увеличиться. Допускается незначительное отклонениетемпературы tвыход от предыдущего значения на 1 20 C .8.Операции пунктов 6-7 следует выполнить для ряда указанныхв таблице значений расхода воздуха, затем повторить всю сериюизмерений для более высокой температуры на выходе трубки, задав еѐрегулятором (17).
Рекомендуется взять следующую температуру на20 300 C выше первоначальной, повернув регулятор (17) на 2-3 деленияпочасовой стрелке.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ1. Рассчитать средние значения температурtвыходtвыход n , tвходtвход n ,где n- число используемых значений расхода воздуха. Используярезультаты расчетов, определить среднее значение разноститемператур T 0 KTtвыходtвыход нач ( tвходtвход нач ) 273 .2.
Построить графики завсимостей мощности нагрева W от расходаT , провестивоздухадля каждого значения разностисоответствующие прямые, определить угловой коэффициент A ирассчитать значение C p по формуле (7), положив в ней6tвыход ) / 2 273 ,Т=.Значения расхода воздуха в миллиметрах в секунду, соответствующиеопределенным значениям разности уровней h , приведены в приложениик экспериментальной установке.T( tвходTТаблицаРеометр: Δh,мм 30Расход, мл/с…tвыходtвходU, ВI, МaW, ВтА=…Ср= …60…90…120…180…Вопросы для самопроверки1. Дайте определения молярной теплоѐмкости газа С, а такжетеплоѐмкости Сp при постоянном давлении и теплоѐмкости СV припостоянном объѐме.2. Получите формулу Майера для теплоѐмкостей Сp и СV идеального газа,используя первое начало термодинамики и уравнение состоянияидеального газа.3.
Почему теплоѐмкость Сp оказывается больше теплоѐмкости СV ? Дайтефизическую интерпретацию.4. Запишите уравнение теплового баланса, используемое при расчѐтах. Начто расходуется мощность, выделяемая нагревателем?6. В каком приближении давление воздуха в трубке можно считатьпостоянным?7. Какой график необходимо построить на основе экспериментальныхданных (т.е. какие величины и какой размерности следует отложить поосям ОХ и ОY)? Как определить теплоѐмкость Сp воздуха из полученнойзависимости? Записать расчѐтные формулы для тангенса А угла наклонапрямой и теплоѐмкости Сp воздуха.ЛИТЕРАТУРА1. Савельев И.В.
«Курс физики», т.1. М.: Наука, 1989,глава 10 – Первое начало термодинамики,§ 68 – Внутренняя энергия и теплоемкость идеального газа.2. Савельев И. В. Курс общей физики: уч. пособие. в 5 кн. кн. 3.Молекулярная физика и термодинамика. М. Наука Физматлит, 1998.7Глава 1. Предварительные сведения.§ 1.9 Внутренняя энергия и теплоемкость идеального газа.3. Пустовалов Г.
Е., Богданов А. Е. «Теплоемкость идеальных газов»,методическая разработка, ОПП физ. ф – та МГУ , 1999.8.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
