Главная страница
Анализ
Анкета
архив
Биография
Бюллетень
Викторина
Глава
Диплом
Доклад
Документация
Задача

L-micro (лабораторные работы и демонстрации)



НазваниеL-micro (лабораторные работы и демонстрации)
страница6/11
Дата18.04.2016
Размер0.72 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
1. /L-micro.docL-micro (лабораторные работы и демонстрации)

Изобарный процесс



Эксперимент по изобарному процессу требует поддержания на постоянном уровне давления исследуемого газа при изменении его температуры. Это может быть сделано путем принудительного изменения объема в соответствии с показаниями датчика давления в ручном или в автоматическом режиме (поддержание давления на постоянном уровне), или с помощью резервуара, упругие свойства стенок которого позволят ему в определенных пределах изменять свой объем под действием небольшой разницы давлений внутри и снаружи. Реализация первого варианта представляется достаточно сложной хотя бы из-за необходимости одновременно контролировать все параметры газа (температура, объем, давление) и не дает желаемой наглядности эксперимента.

В силу указанных причин прибор «Изобара» сконструирован на основе полиэтиленового резервуара с гофрированными стенками, который деформируется под действием разности давлений 1 – 2 кПа, что не превышает 2% от давления исследуемого газа, и деформация происходит вдоль одного направления (сжатие и расширение гофрированной поверхности, приводящее к изменению длины цилиндра). Это позволяет легко регистрировать изменение объема газа, при этом свойства резервуара гарантируют поддержание давления внутри постоянным с погрешностью, не превышающей 2%. Применяемый резервуар допускает нагрев до температуры 60–70 градусов в сосуде с горячей водой.

Таким образом, с помощью данной установки можно продемонстрировать зависимость объема данной массы газа от температуры при p=const (закон Гей-Люссака).

При проведении измерений необходимо, чтобы температура газа была одинаковой по всему объему резервуара и чтобы датчик температуры, который сам обладает определенной теплоемкостью, успевал приходить в равновесие с окружающим его газом. Для этого изменение температуры газа должно осуществляться достаточно медленно.

Нагрев исследуемого газа проводится с помощью горячей воды. Погружение резервуара с исследуемым газом в горячую воду приводит к быстрому нагреву стенок резервуара. Установление однородного распределения температуры газа внутри резервуара происходит значительно медленнее. Для того, чтобы избежать искажений результатов эксперимента, обусловленных конечной скоростью выравнивания температуры газа и изменения температуры самого датчика, следует проводить запись данных во время остывания резервуара с газом на воздухе.

Оборудование:

  • Прибор «Изобара» с встроенными датчиками температуры и объема газа

  • Датчик абсолютного давления

  • Зажим для трубок

  • Шланг вакуумный (25 см)

  • Штатив

  • Сосуд для воды

Описание установки

Установка для демонстрации изобарного процесса представляет собой (рис. 1) герметичный резервуар 1 (полупрозрачный цилиндр из пластика с гофрированной боковой поверхностью), составляющий единую конструкцию с датчиком изменения объема 2. Элементы установки размещены на кронштейне, выполненном в виде узкой пластины. Конструкция установки обеспечивает перемещение подвижного основания цилиндра с горловиной вдоль его продольной оси. Это основание цилиндра жестко связано с подвижной частью датчика изменения объема, и таким образом, осуществляется регистрация объема цилиндра с гофрированными стенками.

Горловина цилиндра закрыта пробкой, через которую внутрь вводится кабель датчика температуры 3 и при необходимости осуществляется контроль давления газа внутри цилиндра (датчик давления 4). Датчик температуры расположен на оси цилиндра в его центральной части. Кабель датчика объема выводится в верхней части его корпуса. Сигналы, поступающие от чувствительных элементов датчиков, преобразуются в электронном блоке, и по единому кабелю передаются в измерительную систему.



Конструкция установки ограничивает деформацию цилиндра с гофрированными стенками. Предельные положения подвижного основания цилиндра соответствуют внутреннему объему в 300 и 720 мл соответственно.

В течение эксперимента установку следует размещать вертикально, так чтобы гофрированный цилиндр находился внизу.

Подготовка к эксперименту

  1. Подогрейте воду до температуры не более 70С.

  2. Закрепите установку для демонстрации изобарного процесса с встроенным датчиком объема газа в штативе.

  3. Подключите кабель прибора (кабель, выходящий из электронного блока) к разъему 1 измерительного блока.

  4. На оливку установки для демонстрации изобарного процесса наденьте вакуумный шланг длиной 30 см.

  5. Слегка надавливая на подвижное основание цилиндра с гофрированными стенками, установите объем цилиндра близкий к минимальному (400-500 мл). Желательно, чтобы положение основания цилиндра соответствовало 15 – 30% полного рабочего хода установки). Пережмите шланг с помощью зажима.

  6. Убедитесь в герметичном подсоединении пробки резервуара (при попытке растянуть или сжать цилиндр резервуара он не должен заметным образом изменять свою длину и возвращаться в исходное состояние сразу после снятия нагрузки).

Предварительные измерения

Для того чтобы учащиеся могли убедиться в том, что процесс изменения состояния газа в резервуаре действительно изобарный, предлагается провести следующий опыт.


  1. Подключите датчик абсолютного давления к разъему 2 измерительного блока.

  2. Запустите программу L-micro, нажмите на кнопку «Молекулярная физика», выберите раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров», а в нем - эксперимент «Изобарный процесс». Запустите сценарий «Изобарный процесс ─ предварительные измерения». Войдите в режим проведения измерений.

  3. Погрузите в нагретую воду цилиндр с гофрированными стенками и продемонстрируйте, что при изменении объема резервуара давление воздуха остается практически неизменным, т.е. процесс действительно изобарный.

  4. Выйдите из эксперимента «Изобарный процесс ─ предварительные измерения».

Проведение измерений


  1. В списке сценариев эксперимента «Изобарный процесс» выберите нужный вариант регистрации данных при проведении эксперимента

  2. Снова установите на шланг зажим (желательно вплотную к тройнику) и отсоедините датчик давления от установки и от измерительного блока.

  3. Нажмите кнопку «Настройка оборудования». Измеряемые компьютерной измерительной системой объем и температура газа должны составить примерно 600 мл и 70С соответственно.

  4. Нажмите кнопку «Проведение измерений» и извлеките резервуар с газом из сосуда с нагретой водой. Начните измерения, нажав на кнопку «пуск». Газ в резервуаре начнет остывать, при этом будут изменяться его параметры. Кривые и цифровые индикаторы на экране покажут эти изменения.

  5. После того, как температура перестанет заметно изменяться (для достижения термического равновесия со средой потребуется 10─15 мин), остановите измерения, нажав кнопку «стоп».

  6. Проведите выбор точек для передачи в программу обработки. Для этого наведите указатель мышки на одну из точек графика и щелкните левой клавишей. На экране появится красная точка большого размера. Если на экране несколько кривых (регистрировалась зависимость параметров газа от времени), то автоматически выделяются все точки с одинаковой абсциссой. Повторное наведение указателя мыши на уже выделенную точку и нажатие левой клавиши приводит к снятию выделения. Всего желательно выбрать 15 – 20 точек. Если по каким-либо причинам было выбрано менее трех точек, обработка происходит по всем точкам, которые были записаны в ходе проведения эксперимента (между нажатием кнопки «пуск» и кнопки «стоп»).

  7. Для перехода из экрана измерений в режим представления результатов нажмите клавишу «обработка».


Обработка данных

  1. На первом экране представлена зависимость V= V (t). Шкала температуры – в градусах Цельсия. Нажатие на кнопку «прямая» приводит к построению прямой, наилучшим образом аппроксимирующей экспериментальные результаты и выводу ее уравнения (Y=aX+b). Зависимость объема газа P от температуры t (в градусах Цельсия) выражается формулой V = V0(1 + t), где V0 – объем газа при температуре 0С, а - температурный коэффициент объемного расширения газа. Таким образом, коэффициент a в уравнении прямой равен a = V0, а b = V0. Проведя необходимые вычисления, вы на основе данных эксперимента получите значение температурного коэффициента объемного расширения газа и сможете сравнить его с теоретическим значением (1/273 0,0037).

Для перехода на следующий экран обработки нажмите кнопку «далее».

  1. Экспериментальные данные здесь представляются в координатах (T, V), где T - абсолютная температура, а начало координат соответствует точке (0 K, 0 см3). Нажатие на кнопку «прямая» выводит прямую линию и ее уравнение вида Y=кX. Уравнение изобарного процесса при использовании абсолютной шкалы температур имеет вид V = V0 T, и коэффициент к = V0 должен в рамках допустимой погрешности эксперимента совпадать со значением коэффициента a, полученного на предыдущем графике.

Для перехода на следующий экран обработки нажмите кнопку «далее» в нижней части экрана. Если в программу обработки были переданы все данные (без выбора точек), то при нажатии кнопки «далее» Вы возвращаетесь на первый шаг обработки.

  1. Следующий экран обработки представляет таблицу:
V, см3
t, оС
Т, К

1









2










Для возврата на первый экран обработки нажимается кнопка «далее». Для выхода из экранов обработки используется кнопка «» в верхнем правом углу экрана.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11