Сухе повітря при тисках, близьких до атмосферного з достатнім ступенем точності може вважатися ідеальним газом. В ідеальних газах відсутні сили взаємного притягання і відштовхування між молекулами, а обсяг самих молекул пренебрежимо малий у порівнянні з об'ємом газу. Зв'язок між параметрами в двох станах 1 і 2 рівноважного ізотермічного процесу ідеального газу характеризуються рівнянням Бойля-Маріотта
(2.1)
або для m кг газу
, (2.2)
де ідеальний обсяг газу,; V = m-обсяг газу,.
Експериментальна робота зміни об'єму газу в ізотермічному процесі між станами 1 і 2 визначається за формулою (для 1 кг газу)
, Дж/кг (2.3)
або для m кг газу
, Дж (2.4)
де m (кг) маса робочого тіла в кожному досвіді в бюретці 6, кг. Її можна знайти за рівнянням стану ідеального газу:
m =, кг (2.5)
де R = 287 Дж/(кг В· К) - газова стала повітря.
Внутрішня енергія і ентальпія газу в ізотермічному процесі не змінюється, тому з першого закону термодинаміки () робота зміни обсягу і кількість теплоти, отримане тілом, рівні між собою.
, Дж. (2.6)
Зміна експериментальної ентропії в ізотермічному процесі, тобто різниця ентропії, відповідних станам 1та 2 обчислюється таким чином
Дж/К. (2.7)
Формула (2.7) може бути приведена до іншого виду. З рівняння стану ідеального газу маємо
= PV/T. (2.8)
З урахуванням цього співвідношення (2.6) набуває вигляду
Дж/К. (2.9)
Теплоємність в ізотермічному процесі
. (2.10)
Показник політропи n будь-якого політропного процесу 1-2 (з рівняння політропного процесу)
, (2.11)
розраховується за формулою
. (2.12)
2.4 Методика проведення роботи і опис експериментальної установки
Ізотермічний процес практично може бути здійснено за рахунок організації інтенсивного теплообміну термодинамічної системи з середовищем, що має постійну температуру. При цьому протікає процес можна розглядати як квазіравномерний, якщо температура у всіх точках системи в кожен момент часу буде однаковою. Тому ізотермічний процес технічно може бути здійснити, строго кажучи, ряд дискретних рівноважних станів термодинамічної системи, що має однакову температуру. p> Рівноважний ізотермічний процес стиснення повітря реалізується на експериментальній установці, схема якої показана на рис 2.1, шляхом дискретного перекладу робочого тіла (повітря) зі стану рівноваги з навколишнім середовищем В«1В» в задані стан В«2В» через ряд проміжних рівноважних станів при кімнатній температурі Т =
Досліджувана речовина (атмосферне повітря) знаходиться в тонкостінної скляній трубці 6, розташованої в посудині 4, верхній кінець якої герметично закритий, і нижній - відкритий - кінець занурений в рідину (трансформаторне масло) 8. Посудина 4 з'єднаний з манометром 7 і вакуум-насосом 1. p> Зміна тиску повітря в трубці 6 виробляється ручним вакуум-насосом 1 і краном 3 і вимірюється манометром 7. Зміна тиску повітря в бюретці 6 викликає відповідну зміну обсягу, яке фіксується за рівнем рідини в бюретці (трубці) 6 за допомогою шкали 5. br/>В
- вакуум-насос, 2 - гумові трубки, 3 - кран (затискач); 4 - скляна посудина, 5 - шкала; 6 - бюретка (робоча трубка); 7 - манометр, 8 - рідина.
Малюнок 2.1-Схема експериментальної установки.
2.5 Порядок проведення роботи та обробка результатів експерименту
Досвід полягає у вимірюванні тисків і об'ємів повітря, відповідних ряд рівноважних станів при однаковій температурі.
На початку досвіду фіксується температура повітря в приміщенні по ртутному термометру. Після цього при відкритому крані 3 треба записати тиск в першому рівноважному стані за показниками манометра 7 (або барометра) і об'єм повітря в умовних одиницях () шкали 5. Далі вакуум-насосом 1 накачати повітря в посудину 4 до заданого викладачем значення надлишкового тиску, фіксуючи за манометром 7 і шкалою 5 тиск і об'єм повітря в бюретці 6 в п'яти-шести проміжних між В«1В» і В«2В» рівноважних станах робочого тіла. При цьому слід зафіксувати ряд рівноважних станів (не менше 5 ... 6) до максимального тиску (приблизно до 0,5 кгс /). Необхідно враховувати, що при стисненні температура повітря дещо підвищується, тому після кожного зміни тиску потрібно почекати деякий час (1 ... 2 хвилини) для того, щоб температура повітря знову стала рівною температурі в посудині 4. У цей час тиск і об'єм повітря мало змінюються. Тому вимірювати тиск і об'єм треба після того, як ці величини встановляться. p> У стані В«1В» абсолютний тиск робочого тіла одно барометричному, а в інших станах
, Па (2.13)
де - надлишковий тиск робочого тіла, що фіксується манометром в кожному досвіді; - абсолютний т...
