Целью настоящей работы является определение отношения удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и при постоянном объеме. 1. Теория вопроса Термодинамической системой называется некоторая совокупность тел, обменивающихся энергией как между собой, так и с другими телами, внешними по отношению к этой системе. Состояние системы определяется значениями всех величии, характеризующих физические свойства системы и называемых ее термодинамическими параметрами. Важнейшими параметрами состояния химически однородной системы являются объем , давление и температура . Между этими тремя основными параметрами состояния существует связь, называемая уравнением состояния: . Зная уравнение состояния вещества и используя закон термодинамики, можно изучать свойства веществ в различных агрегатных состояниях. Простейшей системой газообразного состояния является идеальный газ. Идеальным называется газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия. Молекулы такого газа ведут себя как абсолютно упругие шарики. Их размерами можно пренебречь, а взаимодействие между ними сводится к случайным упругим столкновениям. Многочисленные опыты показали, что реальные газы при не слишком вязких температурах и достаточно малых давлениях по своим свойствам близки к идеальным газам. Так, например, водород и гелий уже при атмосферном давлении и комнатной температуре ведут себя практически как идеальные газы. Процессы, которые происходят в газах, подчиняются одному из основных законов природы - закону сохранения и превращения энергии. Выражением этого закона является первое начало термодинамики. В достаточно общей форме оно может быть сформулировано так: изменение полной энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме совершенной над системой работы и сообщенного ей количества теплоты: . Если вместо совершенной над системой работы ввести равную ей по величине, но противоположную по знаку работу , совершаемую системой над внешними телами (), и положить, что , то получим: , (1) где изменение внутренней энергии системы. Отсюда вытекает следующая формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил. Количеством теплоты называется энергия, передаваемая от одного тела к другому в процессе теплообмена. Очень важным является случай, когда газ или пар в результате некоторого процесса возвращается в первоначальное состояние, то есть , а это значит, что . (2) Работа равна подведенному извне количеству теплоты. Тогда можно сформулировать первый закон термодинамики следующим образом: нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы работу без подвода энергии извне или совершал бы работу, большую, чем количество сообщенной ему извне энергии (вечный двигатель первого рода невозможен). Среди процессов, которые могут происходить в газах, наиболее часто приходится иметь дело с изопроцессами. Так называют процессы в газах при которых один из трех параметров состояния сохраняется постоянным. Такими процессами могут быть: изобарический, изохорический, изотермический. Изохорическим процессом называется такой процесс, когда система переходит из одного состояния в другое при неизменном объеме () (рис. 14.1). Изобарическим называется процесс, когда система переходит из одного состояния в другое при постоянном давлении (). Изотермическим называется процесс, когда система, переходит из одного состояния в другое при постоянной температуре (). Адиабатическим называется такой процесс, когда ; система переходит из одного состояния в другое без теплообмена с внешними по отношению к этой системе телами. Практически адиабатный процесс всегда происходит при достаточно быстром расширении или сжатии газа. Условие адиабатичности будет выполнено, если процесс протекает так быстро, что теплообмен между газом и внешней средой не успевает произойти. Из рис. 14.1 видно, что адиабата идет круче, чем изотерма. Объясняется это тем, что при адиабатном сжатии, увеличение давления газа обусловленное только уменьшением его объема, как при изотермическом сжатии, но и повышением температуры. При адиабатном расширении газа его температура понижается, и поэтому давление газа падает быстрее, чем при изотермическом расширении. Адиабатический процесс происходит при полной термодинамической изолированности системы, то есть этот процесс протекает за счет изменения внутренней энергии системы. Внутренней энергией газа в первом приближении можно назвать кинетическую и потенциальную энергию его молекул. Известно, что средняя кинетическая энергия молекулы идеального газа: , (3) где - число степеней свободы молекулы; - постоянная Больцмана; - абсолютная температура. Рис. 14.1 Числом степеней свободы тела называется число независимых координат, которые необходимо задать для того, чтобы полностью определить положение тела в пространстве. Так, например, материальная точка, произвольно движущаяся в пространстве, обладает тремя степенями свободы (координаты , , ). Молекулы одноатомного газа можно рассматривать как материальные точки на том основании, что масса такой частицы (атома) сосредоточена в ядре, размеры которого очень малы (). Поэтому молекула одноатомного газа может иметь лишь три степени свободы поступательного движения. Молекулы, состоящие из двух, трех и большего числа атомов, не могут быть уподоблены материальным точкам. Молекула двухатомного газа в первом приближении представляет собой два жестко связанных атома, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (рис. 14.2). Рис. 14.2 Такая молекула, помимо трех степеней свободы поступательного движения, имеет еще две степени свободы вращательного движения вокруг осей и . Вращение вокруг третьей оси рассматривать не следует, так как момент инерции атомов относительно этой оси ничтожно мал, а следовательно, ничтожно мала и кинетическая энергия молекулы, связанная с этим вращением. Молекулы трех - и многоатомных газов (рис. 14.3) подобно абсолютно твердому телу обладают тремя степенями свободы поступательного движения и тремя степенями свободы вращательного движения. От числа степеней свободы, которыми могут обладать молекулы газа, зависит их теплоемкость. Опыт показывает, что на каждую степень свободы поступательного движения молекулы газа приходится одинаковая кинетическая энергия, равная . (4) В идеальном газе нет сил взаимодействия между молекулами, а следовательно, равна нулю их потенциальная энергия. Поэтому для одного моля идеального газа внутренняя энергия будет равна сумме кинетических энергий молекул: , (5) где абсолютная температура газа; - универсальная газовая постоянная; - число Авогадро. Рис. 14.3. Теплоемкостью называется величина, равная количеству теплоты, которое нужно сообщить веществу, чтобы повысить его температуру на один кельвин. Удельной теплоемкостью называется физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое надо сообщить единице массы этого вещества для увеличения ее температуры на один кельвин. Кроме того, часто пользуются молярной (мольной) теплоемкостью, которая в отличие от удельной теплоемкости отнесена не к одн
Лабораторная работа 14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ГАЗОВ
/ / Лабораторная работа 14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ГАЗОВ
Хотите учиться бесплатно в вузах Чехии?
UCHU.SU - Физика - Лабораторная работа - Лабораторная работа 14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ГАЗОВ
Комментариев нет:
Отправить комментарий