Теория метода и описание установки. 6.2.1 Приборы и материалы: баллон с кранами, манометр, насос

6.2.1 Приборы и материалы: баллон с кранами, манометр, насос.

Для определения отношения теплоемкостей в данной работе используется метод, предложенный Клеманом и Дезормом.

Установка для выполнения работы этим методом состоит из стеклянного баллона А (рисунок 6.1) емкостью 15 ¸ 20 литров, соединенного с манометром В и с насосом (на рисунке не показан). Через кран С баллон А соединяется с атмосферой. С помощью крана Д баллон сообщается с насосом. При открытом кране С баллон заполнен воздухом массой m ₀ при атмосферном давлении P ₀ и комнатной температуре T ₀ (состояние 1). На диаграмме P – V (рисунок 6.2) представлена последовательность процессов при выполнении работы. Кран С закрывают и насосом накачивают дополнительную порцию воздуха m.

Давление в баллоне повышается до Р, так как масса газа увеличивается , состояние 2 (PTV ₁) (рисунок 6.2).

Температура воздуха увеличивается до T, потому что внешние силы совершают работу по сжатию газа массы m₀ при накачивании воздуха . Вследствие теплообмена воздуха с окружающей средой через некоторое время (2 ¸3 мин.) температура воздуха, находящегося в баллоне, сравняется с температурой внешней среды T ₀. При этом по манометру можно отметить уменьшение давление воздуха. Когда температура воздуха в баллоне будет равна комнатной (показания манометра перестанут меняться), давление в баллоне станет равным

, (6.31)

где r× g × h ₁ – избыточное давление воздуха в баллоне,
r – плотность жидкости в манометре,
h ₁ – разность уровней жидкости в манометре.

Это состояние 3 с параметрами (P ₁ V₁T ₀), где V ₁ – объем массы газа m ₀.

Затем кран С открывается на короткое время, при этом часть воздуха выходит из баллона, и давление сравнивается с атмосферным P ₀. Оставшаяся часть адиабатически расширяется, совершая работу против атмосферного давления; внутренняя энергия газа уменьшается, и температура понижается до T ₁ < T ₀, состояние 4 (P ₀ V₂T ₁). Затем кран С быстро закрывают, и воздух в баллоне начинает медленно нагреваться до температуры окружающей среды T ₀ – состояние 5 (P ₂ V₂T ₀), давление при этом увеличивается до P ₂.

Понятие адиабатического процесса является идеализацией, так как невозможно полностью исключить обмен теплом между газом и окружающей средой. Но процесс теплообмена идет довольно медленно, поэтому быстрое расширение газа можно рассматривать приближенно адиабатическим.

Давление в баллоне станет равным P ₂:

, (6.32)

где r × g × h ₂ – избыточное давление после расширения и установления температуры T ₀,
h ₂ – разность уровней жидкости в манометре после нагревания до температуры T ₀.

По величине измеренных на опыте давлений P ₀, P ₁ и P ₂ можно определить соотношение теплоемкостей:

.

Для этого мысленно выделим внутри баллона произвольную массу воздуха m ₀, ограниченную замкнутой поверхностью, которая играет роль «оболочки». На рисунке 6.1 «оболочка» изображена пунктирной линией. В рассмотренных выше процессах воздух внутри нее будет расширяться и сжиматься, совершая работу против давления окружающего воздуха и обмениваясь с ним теплом.

Рисунок 6.2

Запишем параметры для различных состояний воздуха внутри «оболочки».

Первое состояние – после накачки воздуха и выравнивания температур; на диаграмме P – V это точка (3) (рисунок 6.2):

I состояние – параметры – P ₁, V ₁, T ₀.

Второе состояние точка (4) – после адиабатического расширения:

I II состояние – параметры – P ₀, V ₂, T ₁.

Третье состояние – после закрытия крана и выравнивания температуры до T ₀ – точка (5):

III состояние– параметры – P ₂, V ₂, T ₀.

Разность давлений P ₁– P ₀ и P ₂– P ₁ в сотни и тысячи раз меньше атмосферного P ₀, поэтому для упрощения вычислений с этими разностями можно обращаться как с бесконечно малыми величинами. То же относится и к соответствующим изменениям объема выделенной массы газа.

Переход газа из состояния I (3 – P ₁ V ₁ T ₀) в состояние II (4 – P ₀ V ₂ T ₁) происходит адиабатически:

. См. (6.27)

Учитывая, что в условиях опыта изменения объемов и давлений газа малы, уравнение адиабаты (6.27) можно записать:

. (6.33)

В состояниях I (точка 3) и III (точка 5) на диаграмме P – V воздух имеет одинаковую температуру T ₀, поэтому применяем закон Бойля-Мариотта (PV = const), запишем его в дифференциальной форме:

или

. (6.34)

Решая совместно (6.33) и (6.34), имеем:

. (6.35)

Подставим в это соотношение и получим:

. (6.37)

Так как в рабочей формуле (6.37) g выражена через отношение избыточных давлений, то измерять его можно в любых единицах. Удобнее всего выразить его в миллиметрах водяного столба по манометру.

Для определения отношения опытным путем необходимо измерить разности уровней h ₁ и h ₂ и, пользуясь формулой (6.37), произвести вычисления.