Коэффициент теплового расширения газа µ

ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №12

Исследование эффекта Джоуля-Томсона при адиабатическом истечении газа.

 

Физика

По дисциплине __________________________________________________________

________

^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

 

 

ИВМ-12

Задорожная И.Д.

Автор: студент гр. ________ ____________________ /________________/

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

 

 

ОЦЕНКА: _____________

 

Дата: ___________________

 

ПРОВЕРИЛ

Смирнова Н.Н.

доцент

Преподаватель ___________ ________________ /________________/

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

 

Санкт-Петербург

2012 год

Цель работы – исследовать эффект Джоуля-Томсона при протекании углекислого газа через пористую перегородку, определить возникающую при этом разность температур при различных начальных значениях давления и температуры;

Вычислить по результатам опытов значение коэффициентов уравнения Ван-дер-Ваальса, значение температуры инверсии и критической температуры для углекислого газа.

Краткое теоретическое содержание:

Исследуемое явление: изменение температуры реального газа при медленном его течении по трубке с пористой перегородкой (дросселе) под действием постоянного перепада давления, без теплообмена с окружающей средой.

Реальный газ – газ свойства, которого существенно зависят от взаимодействия его частиц (молекул, атомов).

Уравнение Ван-дер-Ваальса - уравнение для количественного описания свойств реальных газов.

Для одного моля газа объемом V при температуре Т и давлении р, уравнение Ван-дер-Ваальса имеет вид:

(p+a/V_m ²)(V_m - b) = RT,

где: R — газовая постоянная, R=8,31

a ( и b( — экспериментальные константы, учитывающие отклонение свойств реального газа от свойств идеального газа.

Член a/V² имеет размерность давления и учитывает притяжение между молекулами газа, которое приводит к появлению дополнительного давления на газ, называемого внутренним давлением. По вычислениям Ван-дер-Ваальса, внутреннее давление обратно пропорционально квадрату молярного объема.

р_вн = a/V_m²

b является поправкой на собственный объем молекул газа и учитывает отталкивание молекул на близких расстояниях.

Адиабатический процесс -термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством.

Температура инверсии – температура, при которой коэффициент Джоуля –Томсона меняет знак, проходя через нулевое значение.

Tинв = ;

 

 

Эффект Джоуля – Томсона - явление изменения температуры реального газа при его медленном адиабатическом течении по трубке с пористой перегородкой.

Величина эффекта Джоуля-Томсона определяется по разности температуры газа до, и после перегородки. Физическая причина изменения температуры – «трение» газа в дросселе, следовательно, изменение температуры справедливо только для реальных газов, молекулы которого взаимодействуют между собой. Эффект Джоуля-Томсона демонстрирует отличие исследуемого газа от идеального

 

Коэффициент Джоуля-Томсона – величина, показывающая, на сколько градусов меняется температура данного газа при его медленном теченеии под действием постоянного перепада давления в 1МПа.

 

Если при протекании газа через пористую перегородку температура возрастает (µ<0), то эффект называют отрицательным, и наоборот, если температура убывает (µ>0), то процесс называют положительным. Температура, при которой µ меняет знак, называется температурой инверсии.

В данной работе по экспериментальным результатам оценивается коэффициент теплового расширения, постоянные в уравнении Ван-дер-Ваальса и температура инверсии углекислого газа.

 

 

Схема установки

 

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.

Расчетные формулы:

Коэффициент теплового расширения газа µ

µ = ;

где:ΔТ- разность температур до и после перегородки,ΔР- разность давления газа до и после перегородки.

;

где: R - газовая постоянная, a и b - экспериментальные константы, учитывающие отклонение свойств реального газа от свойств идеального газа, Ср – молярная теплоемкость газа.

 

Экспериментальные константы уравнения Ван-дер-Ваальса - a и b

a = ;

b = ;

где:µ₁- коэффициент теплового расширения газа, рассчитанный для температуры t₁, µ₂- коэффициент теплового расширения газа, рассчитанный для температуры t₂,