|
|
Экспериментальная установка.Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет) Кафедра Общей и технической физики (лаборатория виртуальных экспериментов) Исследование Эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа Методические указания к лабораторной работе № 12 для студентов всех специальностей
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2010 УДК 531/534 (075.83)
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА: Лабораторный практикум курса общей физики. Смирнова Н.Н., Фицак В.В. Чернобай В.И. / Санкт-Петербургский горный институт. С-Пб, 2010, 14 с.
Лабораторный практикум курса общей физики по статистической физике и термодинамике предназначен для студентов всех специальностей Санкт-Петербургского горного института. С помощью учебного пособия студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ. Выполнение лабораторных работ практикума проводится студентом индивидуально по графику.
Табл. 3. Ил. 2. Библиогр.: 5 назв.
Научный редактор доц. Н.Н. Смирнова
Цель работы: 1) определить изменение температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры; 2) вычислить, по результатам опытов, коэффициенты Ван-дер-Ваальса "a" и "b".
В работе используются: трубка с пористой перегородкой; труба-теплообменник; термостат; термометр; дифференциальная термопара; баллон с газом (СО2); манометр.
Эффектом Джоуля-Томсона называется изменение температуры газа, медленно протекающего из области высокого в область низкого давления в условиях хорошей тепловой изоляции. В разреженных газах, которые приближаются по своим свойствам к идеальному газу, при таком течении температура газа не меняется. Эффект Джоуля-Томсона демонстрирует отличие исследуемого газа от идеального. Количественно эффект Джоуля-Томсона определяется коэффициентом
В работе исследуется изменение температуры углекислого газа при медленном его течении по трубке с пористой перегородкой (рисунок 1). Трубка 1 хорошо теплоизолирована. Газ из области повышенного давления Рассмотрим стационарный поток газа в трубке до перегородки и после нее (сечения I и II). Пусть, для определенности, через трубку прошел 1 моль углекислого газа; m - его молярная масса. Молярные объемы газа, его давления и отнесенные к молю внутренние энергии газа в сечениях I и II обозначим соответственно V1, P1, U1 и V2, P2,U2. Для того чтобы ввести в трубку объем V1, над газом нужно совершить работу
В уравнении [2] учтено изменение как внутренней, так и кинетической энергии газа. Перегруппировывая члены, получаем
Процесс Джоуля-Томсона в чистом виде осуществляется лишь в том случае, если изменение энтальпии В данной лабораторной работе исследуется коэффициент дифференциального эффекта Джоуля-Томсона для углекислого газа. По экспериментальным результатам оценивается коэффициент теплового расширения, постоянные в уравнении Ван-дер-Ваальса и температура инверсии углекислого газа. Начальная температура газа задается термостатом. Измерения проводятся при нескольких температурах.
Экспериментальная установка. Схема установки для исследования эффекта Джоуля-Томсона в углекислом газе представлена на рисунке. Основным элементом установки является трубка 1 с пористой перегородкой 2, через которую пропускается исследуемый газ. Трубка сделана из материала, обладающего малой теплопроводностью. Пористая перегородка 2 расположена в конце трубки и представляет собой стеклянную пористую пробку с множеством узких и длинных каналов. Пористость и толщина пробки подобраны так, чтобы обеспечить оптимальный поток газа при перепаде давлений до 10 атм.; при этом в результате эффекта Джоуля-Томсона создается достаточная разность температур. Газ поступает в трубку из термочстатичсесчкого объёма 8, в котором нагревается змеевик 9 до температуры воды в термостате. Температура воды измеряется термопарой 11 и отображается на индикаторе 7, разность температур до и после перегородки измеряется дифференциальной термопарой 4 и отображается на индикаторе 6.
ТЭН управляется с пульта 7. Пульт содержит задатчик температуры (в °С), переключатели "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Переключатель "НАГРЕВ" включает режим поддержания температуры воды внутри термостата равной заданной, при выключенном переключателе "НАГРЕВ" температура воды устанавливается равной комнатной. Индикацией включения нагрева является окрашивание в красный цвет изображения ТЭНа внутри термостата. Переключатель "ЦИРК" включает или выключает циркуляцию воды через водяную рубашку трубы 1. Индикацией включения циркуляции является вращение крыльчатки насоса внутри термостата. В процессе протекания через пористую перегородку газ испытывает существенное трение, приводящее к ее нагреву. Потери энергии на нагрев трубки в начале процесса могут быть очень существенными и сильно искажают ход явления. После того как температура трубки установится и газ станет уносить с собой все выделенное им в перегородке тепло, формула [1] становится точной, если, конечно, теплоизоляция трубки достаточно хороша и не происходит утечек тепла наружу через ее стенки. ЗАДАНИЕ 1. Запустите работу. 2. Установите на пульте термостата температуру регулирования 20 °С, включите термостат в режим "НАГРЕВ" и "ЦИРК". 3. Откройте регулирующий вентиль 12 настолько, чтобы избыточное давление составило 8¸10 атм. Запишите показания манометра dР. Откройте кран 10. 4. Через несколько минут после подачи давления, когда полностью затухнут переходные процессы, запишите показания дифференциального термометра dТ. 5. При помощи вентиля 12 установите давление на 1 атм. меньше первоначального. Через несколько минут, когда установятся давление и разность температур, вновь запишите показания манометра и дифференциального термометра 6. Результаты измерений занести в таблицу:
6. Проведите измерения для нескольких (5-7) значений давления при комнатной температуре. 7. Отложив полученные точки на графике 8. Окончив измерения при комнатной температуре, закройте кран 10 и установите на термостате температуру 40¸50 °C. 9. Когда температура установится и установка войдет в стационарный режим, повторите измерения, как указано в пунктах 3-7. 10. Окончив измерения, проделайте такие же измерения, как указано в пунктах 3—7, для температуры 70¸80 °C. 11. Используя формулу Найдите температуру инверсии ТИНВ и критическую температуру ТКР для углекислого газа при помощи формул:
12. Сравните полученные значения с табличными (табличные данные соответствуют измерению при критической температуре).
Контрольные вопросы 1. Что можно сказать на основании ваших измерений ТИНВ и ТКР о точности уравнения Ван-дер-Ваальса?
библиографический список учебной литературы
1. Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1 2. Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2. 3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000. 4. Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006. 5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
[1]
проходит через каналы пористой перегородки 2 в область с атмосферным давлением 
. Перепад давления 
из-за большого сопротивления каналов может быть заметным даже при малой скорости течения газа в трубке. Величина эффекта Джоуля-Томсона определяется по разности температуры газа до, и после перегородки.
. Проходя через сечение II, газ сам совершает работу 
. Так как через боковые стенки не происходит ни обмена теплом, ни передача механической энергии, то
[2]
[3]
равно нулю. Для этого необходимо, чтобы правой частью можно было бы пренебречь, т. е. чтобы изменение скорости течения газа в трубке было достаточно мало. Учитывая, что изменение температуры при дросселировании составляет несколько градусов, это условие выполняется.
Газ поступает в систему из баллона 13 через редуктор 12, который позволяет регулировать давление газа в магистрали. Кран 10 позволяет перекрыть поток газа, давление контролируется манометром 11.
, по наклону графика определите коэффициент Джоуля-Томсона для выбранной вами температуры.
( 
, R – газовая постоянная) и экспериментальные данные, полученные при трех значениях температуры, определите постоянные a и b для углекислого газа по двум парам температур.
