Описание экспериментальной установки. Общий вид установки показан на рис

Общий вид установки показан на рис. 2.1. Воздух прокачивается компрессором 1 через трубку 2, размещенную в теплоизолирующей оболочке 3. Измерение расхода воздуха производится по перепаду давлений на капилляре 4, который вместе с трубкой 2 образует единую проточную магистраль. Протекая через трубку, воздух нагревается электрической печью 5. Разность температур на входе и на выходе трубки определяется с помощью дифференциальной термопары 6. Э.д.с. термопары измеряется милливольтметром, подключенным к ней через разъем 7 (кнопка “ “). Электрический нагреватель 5 питается постоянным током от блока питания, подключенным к нагревателю через соответствующий разъем 8. Напряжение на нагревателе измеряется вольтметром, соединенным с ним через разъем 7 (кнопка “ ”).

Ток в нагревателе определяется с помощью измеряемого милливольтметром напряжения U_R на образцовом сопротивлении R₀ (кнопка “ ”):

. (2.5)

Для измерения удельной теплоемкости воздуха он прокачивается через трубку 2 с размещенным на ней нагревателем 5, которые находятся в теплоизолирующей оболочке – сосуде Дьюара. Измеряется количество тепла, отдаваемое нагревателем воздуху в единицу времени:

, (2.6)

а также массовый расход воздуха через трубку , разность температур воздуха на выходе и входе сосуда Дьюара . Величина удельной теплоемкости определяется из соотношения:

. (2.7)

В данном методе измерения не учитываются тепловые потери в экспериментальной установке, т.к. они малы по сравнению с количеством теплоты, получаемым воздухом в результате нагревания.

3. Выполнение упражнений и обработка результатов измерений

1. Соединить источник питания с экспериментальной установкой через разъём 8.

2. Включить электропитание стенда, компрессор, вольтметр и милливольтметр. (На выходе источника питания должно отсутствовать напряжение, регулятор напряжения должен находиться в крайнем левом положении).

3. Записать в рабочую тетрадь данные, определяющие условия проведения эксперимента и параметры экспериментальной установки:

радиус капилляра = (0,5 ± 0,1) мм

длина капилляра = (65,0 ± 0,5) мм

образцовое сопротивление = (0,10 ± 0,01) Ом

коэффициент внутреннего трения воздуха

(динамическая вязкость при t=20⁰ С) = (18,2 ± 0,1)10^-6 Па∙с

плотность воды (t=20^о С) = 998,2 кг/м³

плотность воздуха (t=20^о С) = 1,20 кг/м³

ускорение свободного падения = 9,81 м/с²

температура воздуха в лаборатории = К

4. Нарисовать таблицу 2.1.

Таблица 2.1

№	, В	, мВ	, мВ	, А	, Дж/с	, К	,	, К

5. Нажать кнопку “ ”. Регулятором напряжения установить заданное значение напряжения на нагревателе , соответствующее номеру опыта.

6. Включить кнопку “ “. Наблюдать за показаниями милливольтметра, измеряющего э.д.с. термопары , до тех пор, пока прибор не будет регистрировать постоянное значение э.д.с. (примерно через 10 мин.).

7. Определить значение с помощью милливольтметра. Записать его в таблицу.

8. Измерить милливольтметром напряжение на образцовом сопротивлении _, подключив его к соответствующему разъему кнопкой “ ”. Значение напряжения занести в таблицу.

9. Пункты 3–8 повторить для следующих четырех значений напряжения на нагревателе . Измерение для каждого значения проводить через 10 мин. после того, как будет установлено новое значение .

10. Произвести отсчет разности уровней воды в U-образном манометре расходомера и определить перепад давлений на концах капилляра:

. (2.8)

11. Определить расход воздуха в установке, используя соотношение Пуазейля:

, (2.9)

где , – объём воздуха, прошедшего через нагреватель за время проведения опыта.

12. Массовый расход воздуха определяется по формуле:

(2.10)

и является постоянным в течение всего опыта ( ).

13. На основании формул (2.5) и (2.6) рассчитать значения и .

14. Используя градуировочную прямую для термопары «хромель–копель», определить разность температур для каждого . Полученные данные занести в таблицу.

15. По формуле (2.7) найти для каждого опыта искомое значение и определить погрешность измерения. Сравнить полученные результаты с табличным значением.

16. Для каждого опыта определить среднюю температуру воздуха в нагревателе по формуле .

17. Построить график зависимости удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении от средней температуры воздуха в нагревателе: . Сделать вывод.

4. Контрольные вопросы

1. Что называют числом степеней свободы тела?

2. Сколько и какие степени свободы имеют одно-, двух-, трех-, четырехатомные молекулы?

3. Какой газ называют идеальным?

4. Что такое внутренняя энергия идеального газа и как она зависит от числа степеней свободы молекул, составляющих газ?

5. В чем заключается различие понятий внутренней энергии, теплоты и работы?

6. Сформулируйте первой начало термодинамики. Содержит ли первый закон термодинамики возможность построения вечного двигателя? Ответ поясните.

7. Дайте определение изохорному и изобарному процессам. Изобразите графические зависимости между термодинамическими параметрами для этих процессов.

8. Что такое теплоемкость? Как она зависит от способа нагревания газа?

9. Выведите формулы для определения молярной теплоемкости при изохорном и изобарном процессах.

10. Дайте определение молярной и удельной теплоемкостям, укажите связь между ними.

11. Объясните методику измерения теплоемкости воздуха при постоянном давлении методом протока.