Файл: Министерство науки и высшего образования российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования санктпетербургский горный университет.doc
Добавлен: 07.12.2023
Просмотров: 27
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра общей и технической физики
Отчёт
по лабораторной работе №1
«Исследование эффекта Джоуля-Томсона при адиабатическом истечении газа»
Санкт-Петербург
2022 год
Цель работы:
Определение изменения температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры; вычисление по результатам опытов коэффициентов Ван-дер-Ваальса "a" и "b".
Краткое теоретическое содержание:
Явление, изучаемое в работе – эффект Джоуля-Томсона при адиабатическом истечении углекислого газа. Сущность явления: изменение температуры газа при адиабатическом расширении газа без совершения им полезной работы.
Определения:
Адиабатическое расширение – расширение газа без теплообмена с окружающей средой.
Идеальный газ – модель газа, в которой пренебрегаются размеры молекул по сравнению с расстоянием между ними, т.е. молекулы рассматриваются как материальные точки, также пренебрегаются силы взаимодействия между молекулами (за исключением моментов столкновения). Обычные газы при невысоких давлениях можно рассматривать, как идеальные.
Теплообмен – физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала.
Законы и соотношения:
Первый закон термодинамики – теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил.
Q=∆U+A (1)
Уравнение Менделеева-Клапейрона (идеального газа) – формула, устанавливающая зависимость между
давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа, имеющая вид:
(2)Уравнение Ван-дер-Ваальса (реального газа) – формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой реального газа при помощи коэффициентов Ван-дер-Ваальса, имеющая вид:
(3)Поправка a – поправка, учитывающая силы притяжения между молекулами (давление на стенку уменьшается, т.к. есть силы, втягивающие молекулы приграничного слоя внутрь).
П
оправка b — поправка, учитывающая силы отталкивания (из общего объёма вычитается объём, занимаемый молекулами).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 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, в котором нагревается до температуры воды в термостате. Температура воды измеряется термопарой 5 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.
Термостат управляется с пульта 7. Пульт содержит датчик 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 3. Индикацией включения циркуляции является вращение крыльчатки насоса внутри термостата.
В процессе протекания через пористую перегородку газ испытывает существенное трение, приводящее к ее нагреву. Потери энергии на нагрев трубки в начале процесса могут быть очень существенными и сильно искажают ход явления. После того как температура трубки установится и газ станет уносить с собой все выделенное им в перегородке тепло, формула
становится точной, если, конечно, теплоизоляция трубки достаточно хороша и не происходит утечек тепла наружу через ее стенки.Расчётные формулы.
1.Перепад давлений в теплоизолированной трубке:
(4)где
- разность давлений, 
= Па;
начальное давление, 
= Па;
атмосферное давление 
= Па.2.Коэффициент Джоуля-Томсона:
(5)где
коэффициент Джоуля -Томсона, 
= 
;
- разность температур, 
= 
;
- постоянная Ван-дер-Ваальса, 
= 
;
- универсальная газовая постоянная, R= 8,31441±0,00026
;
- температура газа, 
= К; 
- постоянная Ван-дер-Ваальса, 
= 
;
- теплоёмкость при постоянном давлении, = 41 .3.Температура инверсии:
(6)где
- температура инверсии, 
= 
.4.Температура критическая:
(7)где
- температура критическая.Формулы косвенных погрешностей:
1.Абсолютная погрешность измерений коэффициента Джоуля-Томсона:
,где
средняя арифметическая ошибка. 
= К;
приборная погрешность барометра, 
= Па;
результат изменения температур, 
= К;
результат изменения давлений, 
= Па;
коэффициент Джоуля -Томсона, 
= 
.2.Абсолютная погрешность измерений температуры инверсии:
,где
- температура инверсии, 
= 
.
погрешность измерения коэффициента 
, 
;
погрешность измерение коэффициента b, 
=
; - постоянная Ван-дер-Ваальса, 
= ;
- постоянная Ван-дер-Ваальса, 
= .3.Абсолютная погрешность измерения температуры критической:
,где
- температура критическая