Выполнение работы

1. Включите микровольтметр и дайте ему прогреться в течение 15 минут. Установите необходимый режим измерения (если он не установлен), для чего нажать клавишу № 6 («U—»). Установите режим автоматического выбора предела измерения, для чего нужно нажать клавишу № 5. После нажатия этой клавиши вольтметр автоматически выберет диапазон измерения от 0,0001 мВ до 20 мВ.

2. Включите термостат и установите температуру 25 ˚С.

3. Когда температура воды в термостате достигнет заданного значения и установка войдет в стационарный режим (через 5-10 минут), включите форвакуумный насос.

4. Наблюдайте за показаниями микровольтметра. Выключите насос после затухания переходных процессов (когда установятся показания).

5. Записывайте показания U_i(t_i) через каждые 5 секунд или через каждый такт периодического запуска (высвечивание светодиода над клавишей № 1) – период запуска 4 с. Получите кривую U(t) (кривую 1, рис.4) установления теплового равновесия в отсутствии потока воздуха через трубку с пористой перегородкой.

6. Когда эта кривая выйдет на горизонтальное плато (показания микровольтметра будут изменяться на малую величину как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения относительно какого-либо значения), включите форвакуумный насос и продолжайте снимать показания микровольтметра. Новая кривая U(t) (кривая 2, рис.4) будет иметь участок резкого охлаждения, ничего общего не имеющий с эффектом Джоуля–Томсона¹, затем участок уменьшения охлаждения вплоть до выхода на плато – это участок эффекта Джоуля–Томсона. Прекратите запись значений напряжения после установления показаний микровольтметра.

Рис. 4. К определению величины эффекта Джоуля-Томсона (вид экспериментальных кривых).

7. Постройте кривую зависимости напряжения от времени при отсутствии потока воздуха через пористую перегородку (ее ориентировочный вид приведен на рис.4, кривая 1) и кривую U(t) при включенном форвакуумном насосе (кривая 2, рис.4.). Из кривых определите время установления равновесия t_равнов. Все последующие измерения следует проводить после установления равновесных условий в установке.

8. Выключите насос; после установления стационарного режима (по истечению времени t_равнов) записывайте показания микровольтметра через каждые 5 секунд (через каждый такт) в течение 1 минуты. Среднее арифметическое от полученных значений – U₁ (смещение нуля вольтметра) – запишите в таблицу 1.

9. Включите форвакуумный насос. Через t_равнов, когда полностью затухнут переходные процессы, записывайте показания микровольтметра через каждые 5 секунд (через каждый такт) в течение 1 минуты. Среднее арифметическое от полученных значений – U₂.

10. Найдите значение U=U₁-U₂ – полное изменение показаний термопары в результате эффекта Джоуля-Томсона. Полученную величину запишите в табл.1.

11. Повторите пункты 8-10 еще 2 раза при заданной температуре термостата. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

t,˚C	№ опыта	U1, мкВ	ΔU1, мкВ	U2, мкВ	ΔU2, мкВ	U, мкВ	ΔU, мкВ	, К/атм	К/атм
25	1
	2
	3
	ср.
75	1
	2
	3
	ср.

12. Закончив измерения при температуре 25˚С, установите температуру термостатирования 75˚С.

13. Проведите измерения (пункты 4-11) для заданной температуры.

14. Найдите из равенства (10), зная, что ΔР =1 атм, ΔT=U/k, где k чувствительность термопары медь-константан, зависящая от температуры (см. рис. 5.) Оцените погрешность измерения .

Рис. 5. Температурная зависимость чувствительности термопары.

15. Исходя из полученных значений , оцените коэффициент теплового расширения одного моля газа . При расчетах используйте формулу (11). Входящее в формулу значение V найдите, считая газ идеальным. С_Р для воздуха равно 29,3 Дж/(моль·К). Результаты занесите в табл. 2.

13. Используя формулу (15) и значения , получен­ные при двух значениях температуры, определите постоянные а и b для воздуха. Найдите температуру инверсии Т_инв при помощи формулы (16).

Таблица 2

t,˚C	, К/атм	, 10^-3 К^-1	, 10^-3К^-1	/, %	а,	Δа,	b,10^-6 м^3/моль	Δb,10^-6 м^3/моль	Тинв, К	ΔТинв, К
25
75

14. Сравните полученные значения с табличными. Не удивляйтесь, если найденная вами величина T_инв будет существенно отличаться от табличной. Мы уже говорили, что уравнение Ван-дер-Ваальса носит в основном качественный характер и не всегда точно передает количественные соотношения.

15. Оцените ошибки измерений. Сделайте выводы.