ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный минерально-сырьевой университет «горный» Отчёт по лабораторной работе № 12. По дисциплине:____________________Физика___________________________
(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)
Тема: Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа
Выполнил: студент группы ГС-12-2 __________ /Лебедихин Г.А./
(подпись) (Ф.И.О.)
Проверил: доцент ______________ /Левин К.Л./
(подпись) (Ф.И.О.)
Санкт-Петербург
2013 г.
Цель работы – 1. определить изменение температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры;
2. вычислить, по результатам опытов, коэффициенты Ван-дер-Ваальса "a" и "b".
Явление, лежащее в основе эксперимента – Эффект Джоуля-Томсона
Основные определения и понятия:
Идеальный газ — газ, в котором взаимодействие между молекулами сводится к парным столкновениям, причём время межмолекулярного столкновения много меньше среднего времени между столкновениями. Идеальный газ является простейшим модельным объектом молекулярной физики.
Уравнением состояния идеального газа является уравнение Менделеева-Клайперона.
Реальный газ — газ, в котором учитывается взаимодействие между молекулами. Уравнение состояния реального газа часто строится методами теории возмущений, при этом отличие от уравнения состояния идеального газа описывается набором вириальных коэффициентов.
Теплота - принципиально иная форма передачи энергии, чем работа, передача осуществляется при теплообмене. Теплообмен - микроскопическая, т.е неупорядоченная форма передачи энергии хаотически двигающими частицами. Направление передачи теплота определяется температурой. И теплота, и температура не являются свойствами системы. Передача теплоты или совершение работы осуществляется при взаимоотношении системы с внешней средой или другой системы. Условимся положительной считать теплоту, полученную системой от окружающей среды, а работу, произведенную системой.
Законы:
Изменение температуры реального газа в результате его адиабатического расширения, или, как говорят, адиабатического дросселирования — медленного прохождения газа под действием перепада давления сквозь дроссель (например, пористую перегородку), называется эффектом Джоуля—Томсона. Эффект Джоуля — Томсона принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (T<0), и отрицательным, если газ нагревается (T > 0).
В зависимости от условий дросселирования для одного и того же газа эффект Джоуля — Томсона может быть как положительным, так и отрицательным. Температура, при которой (для данного давления) происходит изменение знака эффекта Джоуля — Томсона, называется температурой инверсии:
,
Где a и b – коэффициенты Ван-дер-Ваальса, R – газовая постоянная, V – объём.
Кривая, определяемая приведённым выше уравнением, — кривая инверсии — приведена на рис. Область выше этой кривой соответствует отрицательному эффекту Джоуля — Томсона, ниже — положительному. Отметим, что при больших перепадах давления на дросселе температура газа изменяется значительно. Так, при дросселировании от 20 да 0,1 МПа и начальной температуре 17°С воздух охлаждается на 35° С.
Эффект Джоуля — Томсона обусловлен отклонением газа от идеальности.
При расширении газов наблюдается эффект их охлаждения, причиной является то что расширение связано с работой против сил взаимодействия между частицами.
Схема установки
Схема установки для исследования эффекта Джоуля-Томсона в углекислом газе представлена на рисунке. Основным элементом установки является трубка 1 с пористой перегородкой 2, через которую пропускается исследуемый газ. Трубка сделана из материала, обладающего малой теплопроводностью. Пористая перегородка 2 расположена в конце трубки и представляет собой стеклянную пористую пробку с 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 термочстатичсесчкого объёма 8, в котором нагревается змеевик 9 до температуры воды в термостате. Температура воды измеряется термопарой 11 и отображается на индикаторе 7, разность температур до и после перегородки измеряется дифференциальной термопарой 4 и отображается на индикаторе 6.
Газ поступает в систему из баллона 13 через редуктор 12, который позволяет регулировать давление газа в магистрали. Кран 10 позволяет перекрыть поток газа, давление контролируется манометром 11.
ТЭН управляется с пульта 7. 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.