Obiectiv: să se familiarizeze cu procesul de încălzire izobarică a aerului, pentru a determina capacitatea molară de căldură a aerului în încălzirea izobarică.
Echipamente. încălzitor, compresor, termocuplu cu multimetru, sursă de alimentare, ampermetru și voltmetru.
Capacitatea de căldură este un parametru termofizic al substanțelor, definit ca cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o anumită masă de materie pe un Kelvin. Dacă masa unei substanțe este de un kilogram, căldura specifică se numește căldura specifică, dacă masa este de 1 mol, apoi capacitatea de căldură molară. Prin definiție, capacitatea de căldură molară este
aici # 957; = - cantitatea de substanță în moli, m - masa, M - masa unui mol, dQ - cantitatea de căldură suficientă pentru creșterea temperaturii cu grade dT.
Pentru gaze, spre deosebire de corpurile solide și lichide, capacitatea de căldură depinde de tipul de încălzire termodinamic care are loc cu gazul. Acest lucru se datorează faptului că, în conformitate cu prima lege a termodinamicii
căldura nu este utilizată numai pentru a crește energia internă dU, adică la creșterea temperaturii, dar, de asemenea, la locul de muncă a schimba volumul de gaz. Spre deosebire de corpurile solide și lichide, modificarea volumului de gaz poate fi relativ mare și depinde de tipul de proces termodinamic. Prin urmare, valoarea forței presiunii de lucru și cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea gazului este, de asemenea, depinde de tipul de proces.
Să luăm în considerare încălzirea unui gaz ideal. Gazul ideal este un gaz al cărui volum de molecule este neglijabil în comparație cu volumul vasului și energia potențială a interacțiunii moleculelor este absentă. Aerul în condiții normale poate fi considerat un gaz ideal.
Nu există nici o schimbare în volumul gazului, nici o schimbare a volumului gazului, nu se face nici o lucrare, iar căldura merge numai pentru a crește energia internă, dQ = dU. Pentru un gaz ideal, conform teoriei cinetice moleculare, energia internă este energia cinetică a moleculelor. De unde este capacitatea de căldură molară pentru încălzirea izochorică a unui gaz ideal.
Încălzirea priizobarică a unui gaz în condiții de presiune constantă, în plus, o parte a căldurii este cheltuită pentru lucrarea de schimbare a volumului. Prin urmare, cantitatea de căldură, (dQ = dU + dA) obținută prin încălzirea izobarică pe Kelvin va fi egală. Se substituie în formula (1).
Aici, în formulele de capacitate termică, R este constanta gazului universal, i este numărul de grade de libertate a moleculei de gaze. Acesta este numărul de coordonate independente necesare pentru a determina poziția moleculei în spațiu. Sau este numărul de componente energetice pe care le are o moleculă. De exemplu, pentru o serie de molecule monoatomice sunt componente de energie cinetică în timpul mișcării de translație în raport cu cele trei axe de coordonate, i = 3. Pentru o moleculă diatomice adăugată o altă energie cinetică a mișcării de rotație în jurul a două axe, ca aproximativ o treime trece prin doi atomi, momentul de inerție și energia disponibilă. Ca rezultat, molecula diatomica are 5 grade de libertate. În mod similar, aerul, constând în principal din molecule diatomice de oxigen și azot.
Măsurarea experimentală a capacității de încălzire molară a aerului se efectuează folosind un calorimetru. În calorimetru, aerul este încălzit la o presiune constantă egală cu presiunea atmosferică. Temperatura este măsurată cu ajutorul unui termocuplu conectat la multimetru. Pentru a crește precizia măsurătorilor, trebuie încălzită o mare cantitate de aer. Prin urmare, cu ajutorul unui compresor, aerul trece continuu printr-un jet continuu printr-un calorimetru (Figura 1).
Încălzitorul de calorimetru este conectat la sursa de alimentare. Consumul de energie este determinată de voltmetru și ampermetru N = J U. Când instalarea are loc după echilibru și aer termic temperatura care iese din calorimetrului nu se mai schimbă introduse de la ieșirea încălzitorului electric de încălzire N este consumată pe încălzirea aerului care intră în calorimetrului și parțial prin pierderea de căldură q prin pereții calorimetrului. Prin urmare, ecuația echilibrului termic are forma
Aici m este al doilea flux de aer prin calorimetru, DT este creșterea temperaturii aerului după trecerea prin calorimetru.
Pentru a exclude puterea necunoscută a pierderilor de căldură q, este necesar să se efectueze experimente cu un consum diferit de aer, dar cu aceeași creștere a temperaturii. În acest caz, puterea pierderilor de căldură va fi aceeași, deoarece transferul de căldură prin pereți este proporțional cu diferența de temperatură. Conform ecuației (3), energia termică furnizată calorimetrului, cu o creștere constantă a temperaturii aerului # 916; T. depinde liniar de debitul de aer pe secundă și, prin urmare, graficul este o linie dreaptă. Coeficientul unghiular al liniei este. Se poate determina experimental în funcție de grafic ca raportul picioarelor unui triunghi dreptunghiular construit pe linia experimentală. Din coordonatele vârfurilor A și B, obținem valoarea medie a capacității de căldură molară pentru încălzirea izobarică
1. Măsurați temperatura aerului în laborator prin pornirea multimetrului termocuplului.
2. Porniți alimentarea cu energie electrică la rețeaua de 220 V. Setați rezistența variabilă a compresorului la o rată relativ ridicată a debitului de aer. Setați rezistența variabilă a puterii încălzitorului, astfel încât, după stabilirea echilibrului termic (3 min) temperatura aerului care iese din calorimetrului va crește cu 30-50 K. Pentru măsurarea temperaturii aerului, pentru a determina amploarea rezistorului debitului de aer al compresorului. Înregistrează valorile creșterii temperaturii, debitului de aer, ampermetrului și voltmetrului în tabele.
3. Reduceți debitul de aer cu aproximativ o cincime din scară și reduceți sincron puterea încălzitorului astfel încât temperatura aerului la ieșirea din calorimetru să rămână aceeași. Această parte a lucrării necesită răbdare, ajustare netedă. Rezultatele măsurării debitului de aer, a amperajului și a tensiunii ar trebui înregistrate în tabel. Experiența trebuie efectuată de cel puțin cinci ori în întreaga gamă de fluxuri de aer.
Creșterea temperaturii D T. K
Opriți instalarea. Opriți sursa de alimentare cu multimetru prin setarea comutatoarelor pe oprit.
4. Faceți calcule în sistemul SI. Determinați puterea consumată de încălzitorul electric, N = I U. Scrieți tabelul.
5. Construiți un grafic al dependenței consumului de energie de debitul de aer N (m). Dimensiunea graficului nu este mai mică decât jumătate din pagină. Lângă puncte trageți o linie dreaptă, astfel încât suma punctelor de abatere să fie minimă.
6. Construiți un triunghi dreptunghiular pe linia experimentală ca pe hypotenuse (figura 2). Determinați coordonatele vârfurilor A și B ale triunghiului. Folosind formula (4), se calculează valoarea medie a capacității de căldură molară
7. Estimați eroarea aleatorie în măsurarea capacității de căldură molară prin metoda grafică. Pentru a face acest lucru, desenați două linii paralele de-a lungul liniei experimentale paralele cu linia experimentală, astfel încât toate punctele, cu excepția celor care nu se găsesc, se află între ele. Determinați distanța dintre linii # 963; N. Calculați eroarea aleatorie prin formula
Comparați cu valoarea teoretică calculată prin formula la R = 8,31 J / mol K, i = 5.
1. Dați definiția capacității de căldură molară a substanței.
2. Formulează prima lege a termodinamicii. Notați formulele pentru căldură, muncă, energia internă a unui gaz ideal.
3. Se deduc formulele pentru capacitatea de căldură molară a unui gaz ideal sub încălzirea izochorică și izobarică.
4. Înregistrați ecuația de echilibru termic pentru calorimetru.
5. Explicați de ce pierderea de căldură prin pereții calorimetrului nu afectează măsurarea capacității termice.
6. Explicați de ce în instalație aerul trebuie să curgă continuu prin calorimetru.