Работа № 12 Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа

Цель работы:

1) определение изменения температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры;

2) вычисление по результатам опытов коэффициентов 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 коэффициенотом

[1]

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 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.

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; - его молярная масса. Молярные объемы газа, его давления и отнесенные к молю внутренние энергии газа в сечениях I и II обозначим соответственно , , и , , .

Для того чтобы ввести в трубку объем , над газом нужно совершить работу . Проходя через сечение II, газ сам совершает работу . Так как через боковые стенки не происходит ни обмена теплом, ни передача механической энергии, то

[2]

В уравнении [2] учтено изменение как внутренней, так и кинетической энергии газа. Перегруппировывая члены, получаем

[3]

Процесс Джоуля-Томсона в чистом виде осуществляется лишь в том случае, если изменение энтальпии 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.

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 3 с пористой перегородкой 4, через которую пропускается исследуемый газ. Трубка сделана из материала, обладающего малой теплопроводностью. Пористая перегородка 4 расположена в конце трубки и представляет собой стеклянную пористую пробку со 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 теплообменника 5, в котором нагревается до температуры воды в термостате. Температура воды измеряется термопарой 11 и отображается на индикаторе 12, разность температур до и после перегородки измеряется дифференциальной термопарой 15 и отображается на индикаторе 13.

Газ поступает в систему из баллона 9 через редуктор 8, который позволяет регулировать давление газа в магистрали 6. Кран 7 позволяет перекрыть поток газа, давление контролируется манометром 16.

Термостат 12 управляется с пульта 14. 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 8 настолько, чтобы избыточное давление составило 8¸10 атм. Запишите показания манометра. Откройте кран 7.

4. Через несколько минут после подачи давления, когда полностью затухнут переходные процессы, запишите показания дифференциального термометра.

5. При помощи вентиля 8 установите давление на 1 атм. меньше первоначального. Через несколько минут, когда установятся давление и разность температур, вновь запишите показания манометра и дифференциального термометра.

Результаты измерений занести в таблицу:

Физ. величина	Т	Р1	Р2	DР	DТ	m	a	b	ТИНВ	ТКР
Ед. измерений Номер опыта	оС	Па	Па	Па	оС				К	К
…
n

6. Проведите измерения для нескольких (5-7) значений давления при комнатной температуре.

7. Отложив полученные точки на графике , по наклону графика определите коэффициент Джоуля-Томсона для выбранной вами температуры.

8. Окончив измерения при комнатной температуре, закройте кран 7 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 ( ) и экспериментальные данные, полученные при трех значениях температуры, определите постоянные a и b для углекислого газа по двум парам температур.

Найдите и для углекислого газа при помощи формул

12. Сравните полученные значения с табличными (табличные данные соответствуют измерению при критической температуре).

Что можно сказать на основании ваших измерений о точности уравнения Ван-дер-Ваальса? Т_ИНВ Т_КР