Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Контрольная работа

По дисциплине: Физика

Тема Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа

Выполнил:

Брыков Д.С.

Санкт- Петербург 2014

1. Основные определения физических величин, явлений, процессов

Адиабатическое расширение - расширение газа без теплообмена с окружающей средой. (Q=0)

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.

2. 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

Q - количество теплоты, Дж

U - внутренняя энергия, Дж

A - работы, Дж

Уравнение Менделеева-Клапейрона (идеального газа) - формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа, имеющая вид:

P - давление, Па

V - объём, м³

R - универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/(моль•К)

T - температура, К

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:

Поправка a (в формуле ) - поправка, учитывающая силы притяжения между молекулами (давление на стенку уменьшается, т.к. есть силы, втягивающие молекулы приграничного слоя внутрь).

Поправка b -- поправка, учитывающая силы отталкивания (из общего объёма вычитается объём, занимаемый молекулами).

Рисунок 1

Коэффициенты в уравнении Ван-дер-Ваальса (для углекислого газа):

3. Экспериментальная установка

1-теплоизоляционная защита, 2-каналы пористой перегородки, 3-трубка с пористой перегородкой, 4-пористая перегородка, 5-теплообменник, 6-магистраль, 7-кран, перекрывающий поток газа, 8-редуктор, регулирующий давление газа, 9-баллон с газом, 10-индикатор, отображающий температуру воды, 11-термопара, 12-термостат, 13-индикатор, отображающий дифференциальную температуру, 14-пульт, 15-дифференциальный термометр, 16-манометр, контролирующий давление газа.

Расчётные формулы:

1. Перепад давлений в теплоизолированной трубке:

,

где - разность давлений, = Па;

начальное давление, = Па;

атмосферное давление = Па.

2. Коэффициент Джоуля-Томсона:

,

Где коэффициент Джоуля -Томсона, = ;

- разность температур, = ;

- постоянная Ван-дер-Ваальса, = ;

- универсальная газовая постоянная, ;

- температура газа, = К;

- постоянная Ван-дер-Ваальса, = ;

- теплоёмкость при постоянном давлении, = 41 .

3. Температура инверсии:

,

Где - температура инверсии, = .

4. Температура критическая:

,

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;

абсолютная погрешность измерений температуры инверсии;

- температура инверсии, = .

4. Относительная погрешность измерения коэффициента Джоуля-Томсона:

,

Где абсолютная погрешность измерений коэффициента Джоуля-Томсона, ;

коэффициент Джоуля -Томсона, = .

Погрешность прямых измерений:

Погрешность дифференциальной температуры, 0,01

Погрешность давления, 0,05MПа

Таблица 1. Результаты измерений

Исходные данные:

P₂ - атмосферное давление P₂ = 1 атм 10⁵ Па;

- универсальная газовая постоянная, ;

- теплоёмкость при постоянном давлении, = 41 .

Используя формулу () и экспериментальные данные, полученные при трех значениях температуры, определяем постоянные a и b для углекислого газа по двум парам температур.

и - пары температур.

Погрешности косвенных измерений:

Рисунок 2

Окончательный результат:

Вывод

физический температура газ давление

В ходе проведенной работы было определено изменение температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры; по результатам опытов определены коэффициенты Ван-дер-Ваальса. Полученные в результате эксперимента коэффициенты Ван-дер-Ваальса отличаются от табличных коэффициентов:

1). Коэффициент :

Табличное значение

Экспериментальное значение

Погрешность - 2%

2). Коэффициент :

Табличное значение

Экспериментальное значение ,

Погрешность - 5%.

Размещено на Allbest.ru