Порядок виконання роботи
1. Ознайомитися з експериментальною установкою і її дією.
2. Виміряти штангенциркулем радіуси шківів r1 і r2, а лінійкою – відстань від центру хрестовини до центру вантажів R.
3. На один з шківів намотати нитку в один шар і закріпити на нитці вантаж масою m1.
4. Вибрати висоту h, з якою опускатиметься вантаж.
5. Відпускаючи вантаж, секундоміром виміряти час t проходження вантажем відстані h. Дослід повторити 3-5 разів і усереднити знайдені значення часу t.
6. Перекинути нитку на другий шків радіусом r2. Визначити час руху вантажу 3-5 разів і усереднити значення часу.
7. Повторити пункти 5 и 6 з іншим вантажем m2.
8. Результати вимірювань занести в таблицю 1.
9. Розрахувати обертальний момент М1 по формулі (6) і М2 по формулі (8).
10. При оформленні результатів лабораторної роботи необхідно звернути увагу на результати розрахунків в стовпцях 8 і 12 і зробити відповідні виводи.
Таблиця 1 – Запис результатів вимірювань і обчислень
|
№ |
h, м |
R, м |
mi, кг |
ri, м |
t, с |
a, м/с2 |
M1, Н·м |
ε, рад/с2 |
m0, кг |
I, кг·м2 |
M2, Н·м |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
4 |
|
|
|
|
|
|
Контрольні питання
1. Що називається моментом інерції точки, моментом інерції тіла? Що характеризує момент інерції?
2. У яких випадках момент інерції визначається по теоремі Штейнера? Запишіть теорему Штейнера.
3. Напишіть основне рівняння динаміки обертального руху (I=const).
4. Що називається моментом сили? Що таке плече сили?
5. Що називається кутовою швидкістю, кутовим прискоренням?
6. Як зв'язані кутові і лінійні кінематичні характеристики?
7. Які сили діють на шків і на вантаж в лабораторній роботі?
8. Як визначається момент сили натягнення нитки в роботі?
9. Як зміниться кутове прискорення маятника Обербека при зміні положення циліндрів на стрижнях відносно осі.
Лабораторна робота № 105
ВИЗНАЧЕННЯ ВІДНОШЕННЯ Сp/Cv ДЛЯ ПОВІТРЯ
МЕТОДОМ КЛЕМАНА - ДЕЗОРМА
Мета роботи: визначення відношення теплоємності повітря при постійному тиску до теплоємності повітря при постійному об'ємі методом Клемана-Дезорма, заснованому на дослідженні деякої маси газу, що послідовно переходить в різні стани.
Прилади і обладнання: закритий скляний балон, манометр, насос.
Теоретичні відомості
Для виконання лабораторної роботи необхідно знати:
1. Перше начало термодинаміки стверджує, що кількість теплоти, передана газу, йде на зміну його внутрішньої енергії і на здійснення роботи газом проти зовнішніх сил
dQ = dU + dW, (1)
де dQ - кількість теплоти, Дж;
dU - зміна внутрішньої енергії, Дж;
dW - робота проти зовнішніх сил, Дж.
Робота в термодинаміці визначається як
,
(2)
де Р - тиск газу, Па;
dV - зміна об'єму системи, м3.
2. Число незалежних координат, що повністю визначають положення точки в просторі, або кількість незалежних рухів, які може виконувати точка, називається числом ступенів свободи вільності.
Молекулі одноатомного газу приписують три ступені свободи. Система, що складається з двох атомів, має п'ять ступенів свободи, три з них поступальні, а дві - обертальні. Трьохатомна молекула має шість ступенів свободи, з них три поступальні, та три обертальні ступені свободи.
3. Закон про рівномірний
розподіл кінетичної енергію стверджує,
що на кожну поступальну і обертальну
ступінь свободи молекули доводиться в
середньому однакова кінетична енергія,
яка дорівнює
.
Отже, середня енергія молекули визначається
виразом
,
(3)
де Т - термодинамічна температура, К;
i- число ступенів свободи;
k - стала
Больцмана,
.
4. Внутрішня енергія Um одного моля ідеального газу відповідно дорівнює
(4)
де Na
- число Авогадро,
;
R = kNa
- універсальна газова стала,
.
5. Теплоємністю С тіла називається фізична величина, яка чисельно дорівнює відношенню кількості теплоти dQ, що отримує тіло, до зміни його температури dТ в даному термодинамічному процесі:
(5)
Величина С залежить від маси тіла, його хімічного складу, і процесу, в якому отримується теплота dQ.
Теплоємність одиниці маси речовини називають питомою теплоємністю с – величина, що дорівнює кількості теплоти, необхідній для нагрівання 1 кг речовини на 1 К:
(6)
питома теплоємність вимірюється в Дж/(кг×К).
Мольною теплоємністю Сm називається теплоємність одного моля речовини, тобто величина, що дорівнює кількості теплоти, необхідній для нагрівання 1 моля речовини на 1 К:
,
(7)
де v - число молей (кількість речовини).
Мольна теплоємність вимірюється в Дж/(моль×К).
Ці теплоємності зв'язані між собою співвідношенням:
(8)
де М – мольна маса речовини.
6. Представляє інтерес теплоємність для випадків, коли нагрівання відбувається при постійному об'ємі СV або при постійному тиску Cp.
Якщо нагрівати, газ при постійному об'ємі, то все тепло, що отримує газ ззовні, повністю йде на збільшення внутрішньої енергії. В цьому випадку dW = 0, і перше начало термодинаміки має вигляд:
dQV = dU. (9)
Отже мольна теплоємність при постійному об’ємі
(10)
Підставимо у формулу (10) вираз (4) для внутрішньої енергії одного моля ідеального газу і отримаємо вираз для мольної теплоємності газу при постійному об'ємі:
.
(11)
Якщо нагрівати газ при постійному тиску, то поглинуте тепло йде не тільки на збільшення внутрішньої енергії, але і на роботу ізобаричного розширення. Тому теплоємність Cр при постійному тиску повинна бути більше, ніж теплоємність СV при постійному об'ємі. Особливо ці теплоємності розрізняються у газів внаслідок відносно великого коефіцієнта об'ємного розширення.
Для ізобаричного процесу перше начало термодинаміки має вигляд:
dQ = dU + dW , (12)
де dW = PdV.
Тоді, за визначенням
(13)
З рівняння Менделєєва-Клапейрона для одного моля виразимо величину PdV:
PdV = RdT (14)
Підставивши в рівняння (13) вираження (4) і (14), отримаємо вираз для мольної теплоємності при постійному тиску:
(15)
Мольні теплоємності СVт і Cpт зв'язані рівнянням Майєра:
СРm – СVm = R (16)
Значення цього рівняння полягає в тому, що при ізобаричному нагріванні газу на один градус до газу повинне бути підведено більше тепла, ніж для такого ж ізохоричного нагрівання. Різниця в кількості тепла повинна дорівнювати роботі, що здійснюється газом при ізобаричному розширенні. Рівняння Майєра розкриває фізичне значення універсальної газової сталої.
Відношення теплоємностей
(17)
належить до числа дуже важливих термодинамічних величин.