Термодинамика, теплопередача, тепло и массообмен: Методические указания к лабораторным работам

Работа №1 Газовые законы. Тарировка газового термометра

Цель работы:

1) экспериментальная проверка уравнений состояния идеального газа;

2) демонстрация принципа работы газового термометра.

            Идеальным называется газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия и возможно пренебрежение размерами молекул газа. Реальные газы с достаточной степенью точности можно считать тогда, когда они находятся в состояниях, далеких от областей фазовых превращений.

            Состояние идеального газа характеризуется переменными ,  и , называемыми параметрами состояния. Процессы в газе также характеризуются величинами  и , определяющими энергетические процессы в системе газ-окружающая среда.

            В общем случае состояние идеального газа описывается уравнением Менделеева‑Клапейрона:

                                                                                                                     [1]

где:      - давление газа, Па;

             - объем, занимаемый газом, м³;

             - масса газа, кг;

             - молярная масса газа, кг/моль;

             - газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль×град;

             - температура, град. К.

            В частных случаях вместо уравнения Менделеева-Клапейрона можно использовать законы:

а) Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс):  при неизменных температуре и массе произведение численных значений давления и объема газа постоянно:

                                                                                                                         [2]

б) Закон Гей-Люссака (изобарный процесс): при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:

                                                                                                            [3]

где    - объем газа при температуре =273,15°К,  

       - коэффициент объемного расширения.

в) Закон Шарля (изохорный процесс): при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:

                                                                                                                            [4]

где    - давление газа при температуре =273,15°К.

Экспериментальная установка

            Схема установки изображена на рисунке ниже:

Назначение и характеристика основных элементов установки:

а) Термостатированный резервуар (1), с заключенным в нем цилиндром (2) с поршнем (3). Посредством штока (4) и реверсивного шагового привода (5) поршень может перемещаться в цилиндре. Управляется шаговый привод пультом (28), отображающим текущий объем под поршнем.

            Параметры:

            - объем под поршнем (геометрический):              V_min = 0 л,  V_max = 5 л;

            - допустимое давление:                                          p_max = 10 атм = 10⁶ Па;

            - теплоемкость резервуара                                7000 Дж/°С.

б) Термостаты. Термостатирование объема осуществляется прокачиваемой водой, температура которой поддерживается термостатами (13) и (14). Выбор термостата, вода из которого в данный момент подается в объем (1), осуществляется краном (12). Каждый термостат имеет собственный пульт управления: (29) и (30). Термостаты расположены ниже уровня цилиндра и при отключении циркуляционного насоса вода из рубашки цилиндра стекает в соответствующий термостат. Термостат может находиться в трех состояниях:

  1) "ВЫКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [выключено], если в этом состоянии термостат подключен к системе краном (12), то в него стекает вода из рубашки цилиндра;