Цель работы: Исследование процессов идеальных газов на примере изохорного процесса воздуха.
Задание
1. Провести экспериментальное исследование зависимости давления воздуха от температуры в изохорном процессе.
2. По экспериментальным данным построить графическую зависимость давления от температуры.
3. В тех же координатах построить изохору по расчётным параметрам
4. Определить изменение внутренней энергии воздуха в процессе.
5. Определить изменение энтропии в процессе, считая теплоёмкость постоянной.
6. Рассчитать относительную погрешность экспериментальных данных.
7. Составить отчёт.
Основные понятия
Термодинамический процесс, в котором удельный объем газа не изменяется, называется изохорным. Линия, изображающая процесс на графике в какой-либо системе координат, называется изохорой.
На рис. 1. представлен график процесса в координатах P-V и P-T.
Рис.1
Из уравнения идеального газа следует, что при V=const
(1)
т.е. давление газа прямо пропорционально его температуре (закон Шарля). Соответствующая графическая зависимость показана на рис. 1.
Работа расширения газа в изохорном процессе равна нулю, поскольку
Следовательно, внешняя теплота расходуется целиком на измерении внутренней энергии газа
Отсюда или, используя понятие средних теплоемкостей в интервале температур:
(2)
Изменение энтропии в обратимом изохорном процессе определяется по уравнению, кДж/(кг•К)
(3)
Экспериментальная установка
Плотно закрытый металлический сосуд 3 с постоянным количеством воздуха 5 соединен с манометром 7 и помещен в емкость 2, наполненную водой. Под емкостью смонтирован электронагреватель 1. Для измерения температуры воздуха в сосуде 3 установлен жидкостный стеклянный термометр 4. Внутренняя полость сосуда 3 краном 6 может быть соединена с атмосферой.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Порядок выполнения работы
1. Изучить установку и ознакомиться с правилами работы на ней.
2. Убедиться, что вода полностью покрывает сосуд 3. .При необходимости добавить воды.
3. Установить в системе исходное давление, равное атмосферному, для чего открыть кран 6. При этом стрелка манометра 7 установится на нуль. Закрыть кран.
4. Включить нагреватель в сеть.
5. Через каждые 4ºС регистрировать температуру и давление воздуха.
6. При температуре 60ºС о прекратить и отключить установку от электрической сети.
7. По барографу записать величину атмосферного давления. Данные измерений занести в протокол наблюдений (столбцы 1,2,4,6 табл.1).
Таблица 1
Протокол наблюдений
Номер замера
Температура, К
Избыточное давление
Р изб.
Атмосферное давление Р атм.
Абсолютное давление Р абс.
°С
К
мм. рт. ст.
кПа
мбар
кПа
кПа
Обработка опытных данных
1. Перевести результаты измерений в единицы СИ. Полученные значения величин записать в табл. 1, заполнив тем самым столбцы 3, 5, 7 и 8.
2. Используя данные табл.1, построить график . Необходимо учесть, что параметром соотношения является абсолютное давление воздуха, которое отсчитываете от абсолютного разрежения:
Параметры и погрешности
Числовые значения
Абсолютная температура, К
Абсолютное давление экспериментальное, кПа
Абсолютное давление расчетное, кПа
Абсолютная погрешность замера давления, кПа
Относительная погрешность замера давления, %
На этом графике построить теоретическую зависимость, Р = f (T) используя уравнение (1), представив его в виде:
где Р0 и Т0 - давление и температура воздуха в сосуде, принятые за начало отсчета ; Рi и Тi - параметры последующих точек процесса.
З. определить изменение внутренней энергии воздуха в процессе, используя выражение (2). Значение средних массовых изохорных теплоемкостей взять из прил.1.
4. Определить изменение энтропии воздуха по формуле (3). Значение теплоемкости принять постоянным, равным 0,7 кДж/(кг•К)
5. Определить относительную погрешность измерения давления в каждой опытной точке. Полученные данные занести в табл. 2.
Таблица 2
Вопросы для самоконтроля
1. Дать определения основных термодинамических процессов.
2. Как графически изображаются на PV - диаграмме изохора, изобара, изотерма, адиабата?
3. Написать формулы соотношений между параметрами P, V и T для каждого процесса.
4. Объяснить повышение температуры при расширении газа в изобарном процессе.
5. Почему в адиабатном процессе расширения тела температура убывает, а при сжатии повышается?
6. Объяснить взаимное расположение на Р-V - диаграмме изотермы и адиабаты, проведенных из одной точки, при расширении и при сжатии газа.
7. Какой процесс называется политропным?
8. Каково значение показателя политропы для основных процессов?
9. По каким уравнениям вычисляются изменения энтропии в основных процессах?
10. Почему на построенных графиках изохорного процесса расчетная изохора не совпадает с экспериментальной?