Т2

ПРОТОКОЛ

до лабораторної роботи №Т2-1

Визначення відношень питомих теплоємностей газів методом адіабатичного розширення

з дисципліни “Загальна фізика”

студента групи СУ-11

Бригада №

Дата виконання лабораторної роботи:

Відмітка про виконання лабораторної роботи:

Відмітка про захист лабораторної роботи:

1 Мета роботи

1.1 Експериментально визначити відношення теплоємності при постійному тиску до теплоємності при постійному об'ємі для повітря.

2 Прилади і матеріали

2.1 Балон.

2.2 Манометр.

2.3 Насос.

3 Опис експериментальної установки та методу дослідження

У лабораторній роботі необхідно експериментально знайти відношення теплоємності при постійному тискові до теплоємності при постійному об'ємі для повітря

. (6.1)

Сталу , яка визначається співвідношенням (6.1), називають сталою адіабати. Це пов’язано з тим, що належить до рівняння, яке описує адіабатичний процес

. (6.2)

Рівняння (6.2) називається рівнянням Пуассона.

Сталу адіабати можна визначити експериментально за допомогою методу Клемана-Дезорма. Відповідно до цього методу використовуємо схему експериментальної установки, що зображена на рис. 6.1. Установка складається з балона 1, манометра 2, насоса 3, шкали манометра 4 та клапана 5 (див. рис. 6.1).

Сутність методу Клемана-Дезорма полягає у такому. Накачаємо в балон 1 повітря за допомогою насоса 3 (клапан 4 при цьому повинен бути закритим). Зразу ж після накачування температура повітря в балоні збільшиться, але потім через деякий час зрівняється з температурою повітря в лабораторії T ₁=T ₀ . Завдяки накачуванню повітря тиск у балоні p₁ буде вищим за атмосферний p₀. Початковий стан повітря в балоні характеризується параметрами p₁ та Т₁ і зображений на діаграмі рис. 6.2 точкою 1.

Рисунок 6.1 – Схема експериментальної установки: 1 – балон; 2– манометр; 3 – насос; 4 – шкала манометра; 5 – клапан

Тиск можемо виміряти експериментально за допомогою манометра

, , (6.3)

де  – густина рідини манометра; h₁ – перепад рівнів рідини в манометрі, який знаходимо експериментально (див. рис. 6.1); – атмосферний тиск; – температура повітря в лабораторії.

Рисунок 6.2 – –діаграма процесів, що відбуваються в експериментальній установці

Відкриємо клапан 5 і відразу закриємо його так, щоб тиск у балоні встиг зрівнятися з атмосферним. Процес виходу повітря з балона відбувається досить швидко і його можна вважати адіабатним тому, що за цей час тіла не встигають обмінюватися теплом один з одним. Після адіабатного розширення тиск газу в балоні буде дорівнювати атмосферному, тобто p₂=p₀, а температура Т₂ буде нижчою за температуру . Стан після адіабатичного розширення характеризується параметрами p₂ і Т₂ та поданий на рис. 6.2 точкою 2.

, .

З часом температура повітря в балоні за рахунок теплообміну підвищиться і стане дорівнювати кімнатній: . Тиск також підвищиться до значення р_3. Об'єм повітря залишиться незмінним (балон закритий). Цей стан характеризується параметрами p₃ та Т₃ і зображений на рисунку 6.2 точкою 3. Тиск можемо виміряти експериментально за допомогою манометра

, . (6.4)

Опишемо вище зазначені процеси математично. Перехід газу зі стану 1 у стан 2 відбувається адіабатично. Це означає, що

або , (6.5)

де використано, що , . Зі стану 2 у стан 3 газ, що залишився у балоні, переходить ізохорично:

або . (6.6)

Виключимо з (6.5) і (6.6) температуру і отримаємо

. (6.7)

Підставимо в рівняння (6.7) співвідношення (6.3) та (6.4):

.

Використаємо відоме співвідношення , а також умову, що і . Тоді одержимо

,

або

. (6.8)

Вираз (6.8) є розрахунковою формулою лабораторної роботи. Вимірюючи h₁ та h₃, за допомогою (6.8) можна визначити шукане відношення теплоємностей .

4 Порядок виконання роботи

1. Відкрийте клапан і визначте початкове значення рівня рідини в одному з колін манометра. Відлік ведіть по нижній частині меніска рідини. Вимірювання висоти рівня рідини в одному коліні відносно іншого проводьте так: знайдіть висоту рівня рідини відносно початкового рівня й отримане значення збільшіть удвічі.

2. Закрийте клапан (у ненатиснутому стані клапан закритий), накачайте в балон повітря з таким розрахунком, щоб різниця рівнів у колінах манометра була ~ 20 мм (не більше ніж 40 мм).

3. Приблизно через одну хвилину після припинення накачування (рівні рідини в манометрі перестануть змінюватися) визначте різницю рівнів h₁ (див. рис. 6.1 та пункт 1). Результат запишіть у таблицю 6.1.

4. Зрівняйте тиск у балоні з атмосферним. Для цього відкрийте клапан 5 (натисніть на нього), а потім швидко, коли тиск у балоні стане атмосферним, закрийте його (відпустіть клапан).

5. Через кілька хвилин після закриття клапана, коли рівні рідини в манометрі перестануть змінюватися, визначте різницю рівнів h₃. Результат запишіть у таблицю 6.1.

Таблиця 6.1

Номер досл. (і)	h1, мм	h3, мм	γ
1
2
3
4
5
=

6. Повторіть дослід (пп. 2– 5) 5 разів.

7. За розрахунковою формулою (6.8) визначте значення _i для кожного досліду. Запишіть ці значення у таблицю 6.1.

8. Визначте середнє значення та її випадкову похибку за формулами

, .

Оцініть похибку, що обумовлена приладами. Для цього застосуйте формулу (використайте дані одного з експериментів)

.

Загальна похибка буде такою:

.

Обчисліть її та результат запишіть у таблицю 6.1.

9. Зробіть висновки до лабораторної роботи: запишіть отриманий експериментальний результат у вигляді γ=<γ>±Δ(γ), порівняйте його із значенням сталої адіабати, що випливає з класичної теорії теплоємності газів (вважати, що повітря складається з двохатомних газів з жорстким зв’язком, “сухе” повітря складається на 99 відсотків з кисню та азоту ).

5 Контрольні питання

Під час підготовки до лабораторної роботи необхідно вивчити:

• теоретичний матеріал з теми “Перший принцип термодинаміки” за підручником [2, 5] або конспектом лекцій [6];

• матеріал, що поданий вище до даної лабораторної роботи.

Для перевірки теоретичної підготовки до лабораторної роботи дайте відповіді на такі питання:

1. Статистичний і термодинамічний підходи до вивчення теплових властивостей макроскопічних тіл.

2. Термодинамічна система. Параметри стану системи. Рівноважні та нерівноважні стани. Термодинамічний процес. Квазістатичний процес.

3. Температура. Термометр. Загальний (нульовий) закон термодинаміки. Основна властивість температури. Шкала температур Цельсія. Абсолютна температура.

4. Рівняння стану термодинамічної системи. Рівняння стану ідеального газу як результат узагальнення експериментальних досліджень.

5. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини.

6. Тиск ідеального газу з погляду молекулярно-кінетичної теорії (доведення).

7. Молекулярно-кінетичний зміст абсолютної температури.

8. Внутрішня енергія термодинамічної системи.

9. Робота, що виконується тілом при змінах його об'єму.

10. Кількість теплоти. Перший закон термодинаміки. Вічний двигун першого роду.

11. Теплоємність. Питома і молярна теплоємності. Теплоємність при постійному тиску, при постійному об'ємі. Внутрішня енергія ідеального газу. Рівняння Майєра (доведення). Стала адіабати.

12. Рівняння адіабати ідеального газу (доведення).

13. Політропічні процеси. Показник політропи. Рівняння політропи (доведення).

14. Робота, що виконується газом при: 1) ізобаричному; 2) ізохоричному; 3) ізотермічному; 4) адіабатичному; 5) політропічному процесах (доведення).

15. Ступені вільності механічної системи. Теорема про рівномірний розподіл кінетичної енергії за ступенями вільності. Середня енергія молекул. Класична теорія теплоємності ідеального газу.

Виконання роботи

1. Таблиця 6.1

Номер досл. (і)	h1, мм	h3, мм	γ
1
2
3
4
5
=

2. За розрахунковою формулою (6.8) визначаємо значення _i для кожного досліду. Записуємо ці значення у таблицю 6.1.

=

10. 3. Визначаємо середнє значення та її випадкову похибку за формулами

=

=

Оцінемо похибку, що обумовлена приладами. Для цього застосуємо формулу (використайте дані одного з експериментів)

=

Загальна похибка буде такою:

=

Висновки до роботи

Експериментально визначено відношення теплоємності при постійному тиску до теплоємності при постійному об'ємі для повітря (постійна адіабати). Воно дорівнює

γ=<γ>±Δ(γ)=

Порівняємо отримане значення постійної адіабати з тим, що випливає з класичної теорії теплоємності газів. При цьому вважаємо, що повітря складається з двоатомних газів з жорстким зв’язком (“сухе” повітря складається на 99 відсотків з кисню та азоту )

7