Лабораторная
работа 3
Определение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении
Цель работы: ознакомление с одним из методов экспериментального определения
теплоемкости газа при постоянном давлении.
Экспериментальная установка
Установка
выполнена в виде двух блоков: функционального модуля и блока питания. На рис.
1 представлена блок-схема (б) и лицевая панель (а) функционального модуля.
Рис.
1
На передней панели модуля расположены U-образный водяной манометр
с измерительной линейкой, гнезда 2 и 3 для подключения источника питания
и вольтметра. Здесь же смонтирован кнопочный переключатель 4 для последовательного
подключения вольтметра к термопаре (<), балластному сопротивлению
(R0) и нагревателю (Rн). Клапан 5 служит для включения подачи воздуха
в установку, к штуцеру 6 подсоединяется пневмопровод от компрессора.
Нормальное положение клапана 5 — “открыто”.
Воздух
прокачивается компрессором через трубку 7 (см. рис. 1), размещенную в теплоизолирующей
оболочке 8 (сосуд Дюара). Расход воздуха измеряют по перепаду давления на капилляре
9, который вместе с трубкой 7 образует единую проточную магистраль. Протекая через
трубку, воздух нагревается электрической спиралью 10. Разность температур на входе
и на выходе трубки измеряется дифференциальной термопарой, имеющей два спая –
горячий 11 и холодный 12. ЭДС термопары измеряют милливольтметром, подключенным
к ней через разъемы 3 и переключатель 4. Электрический нагреватель 10 питается
постоянным током от блока питания, подключенного к нагревателю через разъемы 2.
Напряжение на нагревателе Uн измеряют вольтметром, подключенным к нему через разъемы
3 и переключатель 4. Ток в нагревателе определяется по измеренному милливольтметром
напряжению U0 на образцовом сопротивлении R0:
.
Для
измерений теплоемкости СР в данной лабораторной работе воздух прокачивают через
трубку 7 с размещенным в ней нагревателем 10, которые находятся в теплоизолирующей
оболочке — сосуде Дюара.
В процессе эксперимента измеряются: количество
тепла, отдаваемое нагревателем воздуху в единицу времени (Q = IP × Uн), массовый расход воздуха через трубку
m, разность температур воздуха на выходе и входе в сосуд Дюара T. Величина
теплоемкости СР определяется соотношением:
.
Данный
метод измерения СР не учитывает тепловые потери калориметра ввиду их малости по
сравнению с теплом, полученным воздухом.
Порядок выполнения работы
Выписать
данные установки и измерительных приборов.
Включить электропитание приборного
модуля, компрессор, вольтметр.
Убедиться в том, что на выходе источника
питания отсутствует напряжение. Регулятор напряжения должен быть повернут против
часовой стрелки до упора.
Выяснить у преподавателя, при каких значениях
напряжения на нагревателе необходимо провести измерения. Рекомендуемые значения
Uн = 2, 4, 6, 8, 10 В.
Клавишей Rн переключателя 4 подключить вольтметр
к нагревателю и регулятором напряжения источника питания установить первое из
заданных значений напряжений Uн. Записать в табл. 1 показание прибора.
Клавишей
(<) переключателя 4 подключить вольтметр к термопаре. Наблюдать за показаниями
прибора, измеряющего ЭДС термопары до тех пор, пока прибор не будет регистрировать
постоянное во времени значение ЭДС термопары. Записать в табл.1 показание милливольтметра.
Клавишей
R0 переключателя 4 подключить вольтметр к образцовому сопротивлению. Записать
показания прибора. Результат занести в табл. 1.
Произвести отсчет разности
уровней жидкости h в U-образном манометре и вычислить перепад давления на концах
капилляра по формуле:
P = gh,
где: r
— плотность жидкости, [кг × м—3];
h
— перепад уровней, [м].
Определить расход воздуха в установке, используя
соотношение Пуазейля
,
где:
rвозд — плотность воздуха, [кг ×
м—3];
r0 — радиус капилляра, [м];
l — длина капилляра, [м];
h
— коэффициент внутреннего трения воздуха при данной температуре.
Пункты
5 – 9 повторить для следующих четырех значений напряжения на нагревателе. Данные
занести в табл. 1.
Отключить компрессор, вольтметр, электропитание приборного
модуля.
Данные установки
Радиус капилляра r0 = 0.7 мм.
Длина
капилляра l = 58.5 мм.
Сопротивление образцового регистра R0 = 0.1 Ом.
Коэффициент
внутреннего трения
воздуха при температуре 20ºС h = 18.1 мкПа ∙ с
Таблица 1
| № п/п | UH, В | U0, мВ | Dei , мВ | Q, Дж/с | DТ,
К |
| 1 | | | | | |
| 2 | | | | | |
| … | | | | | |
Обработка результатов измерений
Определить
по ртутному термометру температуру воздуха в лаборатории и принять ее равной температуре
воздуха на входе в калориметр — Tвх.
По градуировочному графику хромель-копелевой
термопары определить термоэдс 0, соответствующую входной температуре Tвх.
Прибавляя
к каждому измеренному значению значение 0, определить
по градуировочному графику термопары температуру воздуха на выходе из калориметра
— Tвых.
Рассчитать разность температур воздуха на выходе и входе калориметра:
T = Tвых — Твх.
По полученным данным построить график зависимости
температурного перепада от мощности нагревателя:
Q = Iн ×
Uн = f(T).
Убедиться в линейности этой зависимости и вычислить
коэффициент наклона прямой 
(см. рис. 2).
Рис.
2
Рассчитать удельную теплоемкость воздуха при постоянном давлении:
.
Погрешность
результата CP оценить по формуле:
.
Конечный
результат представить в виде:
.
Определение
коэффициента вязкости жидкостей по методу Стокса Цель работы: экспериментальное
определение коэффициента вязкости жидкостей методом Стокса.
Измерение
коэффициента теплопроводности воздуха методом нагретой нити
Измерение
коэффициента внутреннего трения (вязкости) воздуха и средней длины свободного
пробега молекул воздуха Цель работы: экспериментальное исследование процесса
ламинарного течения газа в круглой трубе. Измерение вязкости воздуха и средней
длины свободного пробега молекул воздуха.
Экспериментальное
исследование распределения термоэлектронов по энергиям Цель работы заключается
в экспериментальном определении функции распределения термоэлектронов по энергиям
вблизи анода электронной лампы
Изучение
эффекта Джоуля-Томсона Цель работы: экспериментальное наблюдение эффекта Джоуля-Томсона,
изучение термодинамической теории этого явления.
Первое
начало термодинамики Определить изменение внутренней энергии моля идеального
одноатомного газа при изобарическом изменении объема от 10 до 20 л при давлении
5 атм.
ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ИНСТРУМЕНТАМИ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ВЕЛИЧИН. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА
ИЗУЧЕНИЕ
ЗАКОНОВ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА Цель работы: экспериментальная
проверка законов равномерного и равноускоренного движения, а также определение
ускорения свободного падения тел.
ПРОВЕРКА
ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА Цель работы:
экспериментальная проверка основного закона динамики вращательного движения твердого
тела относительно неподвижной оси и вычисление момента инерции системы тел.
