Основные теоретические сведения. Цель работы − изучить термодинамические процессы, познакомиться с термодинамическим методом исследования

ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ВОЗДУХА МЕТОДОМ КЛЕМАНА-ДЕЗОРМА

Лабораторная работа № 12

Цель работы − изучить термодинамические процессы, познакомиться с термодинамическим методом исследования, освоить классический метод измерения теплоемкостей.

Оборудование: баллон с распределительным краном, U-образный жидкостный манометр, насос.

Одним из основных законов физики является закон сохранения энергии. В молекулярной физике он формулируется в виде первого начала термодинамики: количество теплоты (Q), сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии DU и на совершение системой механической работы (A) против внешних сил:

(1)

Внутренней энергией () тела называется суммарная энергия движения и взаимодействия молекул тела. Для идеального газа полагают, что молекулы между собой не взаимодействуют, следовательно, его внутренняя энергия определяется только кинетической энергией движущихся молекул.

Единицей измерения внутренней энергии в СИ является 1 Дж (джоуль).

Количество теплоты (Q) – это физическая величина, характеризующая энергию переданную или отданную телу в результате теплообмена.

Единица измерения количества теплоты в СИ: 1 Дж (джоуль)

Теплообменом называется процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения механической работы. Различают три вида теплообмена:

1. теплопроводность (энергия передаётся от одного тела к другому при непосредственном контакте);

2. конвекция (энергия передаётся от одного тела к другому движущимися потоками жидкости или газа);

3. излучение (энергия передаётся от одного тела к другому в виде электромагнитных волн).

Теплоемкостью (С) называется количество теплоты, поглощаемое или отданное телом при изменении его температуры на 1 градус (1 °С или 1 К):

(1)

Единицей измерения теплоемкости в СИ является 1 Дж/К (джоуль на кельвин).

Количество теплоты, поглощаемое или отданное телом единичной массы при изменении его температуры на 1 градус (1 °Сили 1 К) называется удельной теплоемкостью (c) (теплоемкость единицы массы вещества). Удельная теплоемкость определяется соотношением:

(2)

Количество теплоты, поглощаемое или отданное одним молем вещества при изменении его температуры на 1 градус (1°С или 1К) называется молярной (мольной) теплоемкостью (C_μ). Молярная теплоемкость связана с удельной соотношением

, (3)

где m - молярная масса вещества.

Количество теплоты, поглощаемое или отданное телом единичного объёма при изменении его температуры на 1 градус (1°С или 1К) называется объёмной теплоемкостью (c_об) (теплоемкость единицы объёма вещества). Объёмная теплоемкость определяется соотношением:

(4)

Единицей измерения удельной теплоемкости в СИ является 1 Дж/(кг∙К) (джоуль на килограмм-кельвин), объёмной 1 Дж/(м³∙К) (джоуль на кубический метр-кельвин), молярной 1 Дж/(моль∙К) (джоуль на моль-кельвин).

Количество теплоты, поглощенное или отданное телом при изменении его состояния, зависит не только от начальной и конечной температур, но и от способа перехода из одного состояния в другое.

Обычно выделяют теплоемкость при постоянном давлении (С_р), если в процессе изменения температуры тела поддерживалось постоянным давление и теплоемкость при постоянном объеме (С_V) (не путать с объёмной теплоёмкостью!), если в процессе изменения температуры тела поддерживался постоянный объем.

Молярные теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объёме определяются следующими соотношениями:

; (5)

, (6)

где – число степеней свободы (число независимых координат, полностью определяющих положение молекулы в пространстве).

Связь между этими величинами выражается уравнением Майера:

C_pμ = C_Vμ + R. (7)

Оно показывает, что всегда больше на величину молярной (универсальной) газовой постоянной R (прил. 1).

Значение теплоёмкости при постоянном давлении (C_p) сравнительно просто может быть определено из опыта, а теплоёмкость при постоянном объёме (C_V) экспериментальному измерению поддается с трудом. Поэтому чаще всего сначала опытным путем находят отношение C_p/C_V, а из него рассчитывают значения теплоемкостей при постоянном давлении и объеме (C_p и C_V). Отношение теплоемкостей представляет собой характерную для каждого газа величину и входит в уравнение Пуассонадляадиабатического процесса,поэтому получило название постоянной адиабаты (γ):

g = C_p/C_V. (8)

Эту постоянную также часто называют показателем адиабаты или коэффициентом Пуассона.

Адиабатическим процессом (адиабатным) называется процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой (Q = 0).

Уравнение, связывающее термодинамические параметры газа при адиабатическом процессе, называется уравнением адиабаты, или уравнением Пуассона, в честь ученого, который впервые произвел его вывод. Это уравнение можно записать в трех видах:

pV^g = const; (9)

TV^g-1 = const; (10)

p^1-gT^g = const. (11)

Из формулы (8) с учетом (5) и (6) следует:

(12)

Эта формула показывает, что показатель адиабаты, как и теплоемкости, определяется числом степеней свободы молекул идеального газа.

Дата добавления: 2014-12-08