Файл: метод. (Восстановлен).doc

Политропные процессы

Политропными называются процессы, в которых изменяются все параметры состояния и имеет место теплообмен системы с внешней средой. Все эти процессы могут быть описаны общим уравнением вида:

, (25)

где n – показатель политропы, который может принимать любое значение в пределах от - до +, но для данного процесса остается постоянной величиной – индивидуальной характеристикой процесса.

Для политропных процессов характерны следующие соотношения между параметрами состояния:

(26)

Работа изменения объёма:

. (27)

Количество подведенной (отведенной) в процессе теплоты:

, (28)

где – теплоемкость идеального газа в политропном процессе. При постоянныхc_v, k, n теплоемкость с_n = const, поэтому политропные процессы ещё называют процессами при постоянной теплоемкости.

Изменение энтропии

. (29)

Все ранее рассмотренные термодинамические процессы по отношению к политропному являются его частными случаями и могут быть описаны уравнением политропы при характерных для этих процессов значениях показателя политропы n, представленных в таблице 1.

Таблица 1

На рис. 5 представлена диаграмма политропных процессов.

Рис. 5. Диаграмма политропных процессов

Все процессы начинаются в одной точке («в центре»). Изохора (n = ) делит все поле диаграммы на две области: процессы, находящиеся правее изохоры, характеризуются положительной работой, т.к. сопровождаются расширением рабочего тела. Для процессов, расположенных левее изохоры, характерна отрицательная работа.

Процессы, расположенные правее и выше адиабаты, идут с подводом теплоты к рабочему телу. Процессы, лежащие левее и ниже адиабаты, протекают с отводом теплоты.

Для процессов, расположенных над изотермой(n = 1), характерно увеличение внутренней энергии газа. Процессы, расположенные под изотермой, сопровождаются уменьшением внутренней энергии.

Процессы, расположенные между адиабатой и изотермой, имеют отрицательную теплоемкость, т.к. dq и du (а значит, и dT) имеют в этой области противоположные знаки. В таких процессах работа расширения больше, чем количество подводимой теплоты (l  q), и поэтому, чтобы выполнялся 1-й закон термодинамики, на её совершение затрачивается часть внутренней энергии системы. В случае сжатия газа в этих процессах работа сжатия больше, чем количество отводимой от системы теплоты, а значит, чтобы выполнялся 1-й закон термодинамики, избыточная часть энергии в форме работы затрачивается на увеличение внутренней энергии системы, следовательно, температура системы возрастает.

2. Описание лабораторного стенда

Схема лабораторного стенда представлена на рис. 6.

В качестве термодинамической системы принимается плотно закрытая стеклянная колба 1 с постоянным количеством воздуха (V = const), соединенная с U-образным водяным манометром 3. Колба помещена в емкость с водой 7, устанавливаемую на электрическую плитку 4. Температура воздуха в колбе в каждый момент времени измеряется жидкостным стеклянным термометром 2. Измерения должны выполняться при «квазистационарных» температурных режимах, т.е. при минимальном темпе нагрева воздуха в колбе, задаваемом с помощью регулятора напряжения 5. Для измерения мощности в цепь включен ваттметр 6.

Рис. 6. Схема лабораторного стенда: 1 – колба; 2 – термометр;

3 – U-образный манометр; 4 – электроплитка; 5 – регулятор напряжения;

6 – ваттметр; 7 – емкость с водрй

3. Порядок выполнения работы

1. Опустить колбу в емкость с водой, проверив, чтобы вода в ёмкости полностью закрывала стеклянную колбу.

2. Записать начальные значения параметров состояния воздуха в колбе и атмосферное давление. Для этого в лаборатории должен быть барометр.

3. Включить установку, с помощью регулятора напряжения установить мощность нагревателя электроплитки так, чтобы скорость нагрева не превышала 2 градуса в течение 5 минут.

4. Через каждые 2 градуса изменения температуры в протокол измерений (табл. 2) заносить показания термометра и манометра.

5. Измерения заканчиваются, когда столбик воды в трубке U-образного манометра начнет подходить к верхнему уровню.

6. После последнего замера быстро поднять колбу из емкости с водой.

7. Установить регулятор напряжения в начальное положение и выключить установку.

Таблица 2

4. Обработка результатов измерений

1. По экспериментальным данным построить зависимость р_эксп = f(Т), учитывая, что в качестве параметров состояния используются абсолютное давление и абсолютная температура.

2. На этом же графике построить теоретическую зависимость р_теор = f(Т), рассчитав по уравнению изохорного процесса значения давления системы при соответствующих значениях температуры. Расчеты первых 2-х значений привести в протоколе полностью, остальные результаты свести в таблицу.

3. Определить изменение внутренней энергии системы при условии, что теплоемкость системы постоянная (можно принять с_v = 0,71 ).

4. Определить изменение энтропии системы при постоянной теплоемкости.

5. На основе анализа полученных графиков определить максимальную относительную погрешность экспериментальных данных.

5. Контрольные вопросы

1. Что называется термодинамическим процессом?

2. Какие характеристики процесса определяются при типовой схеме его изучения?

3. Дать характеристику основным термодинамическим процессам в соответствии с типовой схемой.

4. Какие процессы называются политропными?

5. Какие процессы и почему называются частными случаями политропного процесса?

6. Дать физическую интерпретацию диаграммы политропных процессов.

Измерение теплоёмкости воздуха

Цель работы: определение изобарной теплоёмкости воздуха методом проточного калориметра.

Задания:

1. Экспериментально определить среднюю объёмную изобарную теплоемкость воздуха.

2. На основе полученных опытных данных рассчитать средние массовую и молярную изобарную теплоемкости и средние массовую, объёмную и молярную теплоемкости воздуха.

3. Определить показатель адиабаты для воздуха.

4. Сравнить полученные данные с табличными.

5. Дать оценку точности экспериментальных данных.

1. Основные положения

Теплоёмкость – свойство, показывающее, какое количество теплоты необходимо подвести к системе, чтобы изменить её температуру на один градус:

. (1)

В такой формулировке теплоемкость имеет смысл экстенсивного параметра, т.е. зависящего от количества вещества в системе.

В этом случае невозможно количественно оценивать тепловые свойства различных материалов, сравнивая их между собой. Для практического применения гораздо более информативным параметром является так называемая удельная теплоёмкость.