УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ И ТЕРМОДИНАМИКЕ
Астрахань
Учебно-методические указания для лабораторных работ предназначены для студентов всех специальностей инженерно-технического профиля высших учебных заведений; содержит краткий теоретический материал, описание лабораторных работ, методические рекомендации для студентов по их выполнению, список литературы. - Астрахань, 2003. - с.
Составители:
Доцент кафедры физики АГТУ Федоров Г.Ф.
Доцент кафедры физики АГТУ Евдашкин В.И.
Старший преподаватель кафедры физики АГТУ Скрипко Л.П.
Рецензенты:
Доктор технических наук, зав. кафедрой физики АГТУ Селиванов Н.В.
Доцент кафедры физики АГТУ Корнильев И.Н.
Утверждено на заседании кафедры физики АГТУ: Протокол № 8 от 18.04.2003 г.
Астраханский государственный технический университет
Введение
Методические рекомендации для лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике предназначены для студентов Астраханского государственного технического университета. Их содержанием являются описания 6 лабораторных работ, методические рекомендации для студентов по их выполнению, список литературы.
Методика проведения занятий по молекулярной физике и термодинамике предусматривает выполнение работы за одну пару. Деятельность студента на занятии, состоит из следующих действий: 1)допуск к занятию; 2)выполнение работы; 3)осуществление вычислений; получение результата; 4)оформление письменного отчета.
Допуск к выполнению работы заключается в выяснении знаний студентами теоретического материала, понимания цели работы, знания экспериментальной установки. Подготовка студента к занятию состоит в том, что он внимательно читает все, что написано относительно данной работы в настоящем руководстве. После этого необходимо обратится к литературе, указанной в рекомендациях, чтобы подробнее ознакомится с теорией изучаемого явления и ответить на контрольные вопросы к работе. Затем надо ознакомится с приборами, установкой, употребляемыми в данной работе.
Для получения зачета студенту необходимо иметь письменный отчет о работе, который оформляется в лабораторной тетради. Письменный отчет должен содержать: название работы, перечень приборов и принадлежностей, теоретическое введение, описание установки и метода измерений, выполнение работы (начертить таблицы вычислений и измерений, заполнить их, провести вычисления искомой физической величины, посчитать погрешности, записать окончательный результат).
Основное назначение лабораторных работ по молекулярной физике - способствовать формированию у студентов глубоких и прочных знаний, развитию мышления, познавательной самостоятельности, интеллектуальных и практических умений и навыков, в том числе умений выполнять простые наблюдения, измерения и опыты, обращаться с приборами, анализировать результаты эксперимента, делать обобщения и выводы.
В пособие включены следующие виды заданий: 1) наблюдение и изучение физических явлений; 2) наблюдение и изучение свойств веществ; 3) измерения физических величин; 4) исследования зависимостей между физическими величинами; 5) изучение физических законов; 6) экспериментальные задачи.
Уровень трудности лабораторных работ соответствует требованиям действующей программы.
Лабораторная работа №1
Определение отношения теплоёмкостей газа методом адиабатического расширения
Цель работы: Определение коэффициента Пуассона для воздуха
Приборы и принадлежности: Стеклянный баллон, соединённый с манометром, компрессор
Краткая теория
Одним из основных теплофизических свойств тел, используемых в термодинамике, является теплоемкость.
Теплоемкостью тела называется физическая величина, численно равная тепловой энергии (теплоте)d¢Q , подведенной к телу при изменении его температуры на 1К в термодинамическом процессе:
С*х = , Дж/К
Теплоемкость тела зависит от химического состава, массы тела и его термодинамического состояния, а также от вида термодинамического процесса изменения этого состояния. Теплоемкость тела является экстенсивным свойством вещества, т.к. зависит от количества вещества в теле. Поэтому вместо теплоемкости используют понятия удельной теплоемкости.
Различают:
· удельную массовую теплоемкость сх – это теплоемкость единицы массы вещества
· а также молярную теплоемкость Смх – это теплоемкость одного моля вещества:
Сх = Mcx , Дж/(моль×К).
Как было указано выше, удельная теплоемкость зависит не только от строения вещества, но и от вида термодинамического процесса. Наиболее часто на практике используются теплоемкости изобарного (х = P = сonst) и изохорного (х = V = const) процессов. Эти теплоемкости называются изобарной ср и изохорной сv.
Первый закон термодинамики в дифференциальной форме
, (1)
где d¢Q=mcxdT – элементарное количество теплоты, подводимой к термодинамической системе, затрачивается на увеличение её внутренней энергии dU и на элементарную работу d¢A = рdV, совершаемую системой против внешних сил.
Теплота, внутренняя энергия и работа, приходящиеся на единицу массы вещества называются удельными, и обозначаются соответственно q, u и l, Дж/кг.
Рассмотрим два термодинамических процесса для m кг вещества:
1) Однородное вещество нагревается при постоянном объёме (V = const). В этом случае dV = 0 и работа d¢A = PdV = 0, следовательно, вся теплота d¢Q, подведенная к веществу, идёт на увеличение его внутренней энергии dU:
md′q = mcvdT = mdu. (2)
Т.к. величина du является полным дифференциалом, то из (2) следует, что удельная изохорная теплоемкость равна
cv =
2) Вещество нагревается при постоянном давлении (P = const).
В этом случае теплота, подводимая к веществу, идёт не только на увеличение его внутренней энергии dU, но и на совершение системой работы d¢A против внешних сил:
d¢Q = dU + d¢A (3)
Следовательно, удельная теплоёмкость при постоянном давлении cp больше удельной теплоёмкости при постоянном объёме c, т.е. cp >c.
Первый закон термодинамики для изобарного процесса (dР = 0) можно представить в следующем виде
mcpdT = m(du + Рdυ) = m[d(u+Рυ)- υdР] = mdi, (4)
где i = u+ Рυ – удельная энтальпия вещества (параметр его состояния), Дж/кг.
Для изобарного процесса величина υdР = 0. Отсюда следует, что удельная изобарная теплоемкость вещества равна:
cp =
Установим связь между удельными и молярными теплоёмкостями идеального газа для этих процессов. Учитывая, что внутренняя энергия и энтальпия идеального газа зависят только от температуры, а Рυ = RT/M, из (4) получим