Вивчення явища термічного розширення повітря

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Установити коефіцієнт об’ємного розширення повітря за нормального атмосферного тиску.
  2. Оцінити температуру, за якої повітря набуватиме мінімального об’єму.

Обладнання:

Цифровий термопарний термометр, цифрові терези, магнітна мішалка, штатив, скляна колба з корком та краном, додаткові склянки.

Теоретична частина

Рис. 1. Обладнання для вивчення явища термічного розширення повітря

Теплове розширення – зміна геометричних розмірів (об’єму) тіла внаслідок зміни його температури. Ця властивість характерна для всіх речовин. Коли речовина нагрівається, її частинки починають інтенсивніше рухатися, що приводить до збільшення середніх відстаней між ними.

У загальному випадку газу, рідини чи твердого тіла коефіцієнт об’ємного теплового розширення має вигляд

 

(1)

Індекс p означає, що тиск залишається сталим під час розширення, а індекс V підкреслює, що це об’ємне (нелінійне) розширення. У випадку газу факт сталості тиску є важливим, тому що об’єм газу суттєво залежить від тиску, а також від температури.

Для ідеального газу коефіцієнт об’ємного теплового розширення (тобто відносна зміна об’єму від зміни температури) залежить від типу процесу, за якого відбувається зміна температури. У більшості випадків розглядають один з двох традиційних процесів: ізобарний, за якого тиск залишається сталим, або адіабатний, за якого не виконується робота, і ніяких змін в ентропії не відбувається.

В ізобарних процесах коефіцієнт об’ємного теплового розширення, який позначимо  , записується для ідеального газу так:

 

(2)

Експериментально визначивши значення термічного коефіцієнту розширення газу, визначимо і значення температури, за якого об’єм газу прямуватиме до нуля. Повітря є сумішшю газів, яку при першому наближенні вважають ідеальним газом.

Для експериментального визначення термічного коефіцієнту розширення повітря необхідно мати хоча б два значення об’ємів повітря та температур, що їм відповідають.

При виконанні роботи деяку кількість повітря розігрівають у колбі з відкритим краном до температури T2, після чого кран перекривають і, зануривши відвід у воду та відкривши кран, охолоджують колбу до температури T1. Колба частково заповнюється водою. За об’ємом води, що потрапив у колбу, визначається зміна об’єму повітря при охолодженні. Розрахувавши об’єм повітря на початку і в кінці експерименту та прийнявши кінцевий об’єм повітря за V, розраховують термічний коефіцієнт розширення повітря за виразом (1), а за ним і мінімальну температуру, за якої об’єм повітря прямуватиме до нуля (2).

Хід роботи

  1. Зважте порожню колбу з корком та краном на електронних терезах. Результат зважування – m0 – занесіть до таблиці.
  2. Відкрийте корок та заповніть колбу водою вщерть. Закрийте корок та знову зважте її на терезах. Результат зважування – m1 – занесіть до таблиці.
  3. За різницею показів терезів визначте масу води, що вміщується в колбі, а за масою води розрахуйте об’єм води і, відповідно, повітря у колбі V2. Результат занесіть до таблиці.
  4. Закріпивши колбу з корком і відкритим краном у лапці штативу, помістіть колбу у склянку з водою, розміщену на магнітній мішалці.
  5. Увімкніть цифровий термометр і помістіть термопару у воду.
  6. Увімкніть перемішування та нагрів.
  7. Здійснюйте нагрівання повітря в колбі до температури t2 = 50 °С. Контроль здійснюйте за цифровим термометром.
  8. Після досягнення зазначеної температури вимкніть нагрів та перемішування води.
  9. Закрийте кран, витягніть колбу з води, помістіть відвід крана у склянку з холодною водою та закріпіть колбу у штативі.
  10. Відкрийте кран, накрийте мокрою ганчіркою колбу та покладіть на поверхню колби під ганчірку термопару.
  11. Кілька разів зволожуючи ганчірку, охолодіть максимально повітря в колбі.
  12. Зафіксуйте значення досягнутої температури t1 та занесіть його до таблиці.
  13. Закрийте кран, обітріть колбу від крапель води та зважте її на терезах. Результат зважування – m3 – занесіть до таблиці.
  14. Розрахуйте масу води, що потрапила в колбу, а за нею – об’єм повітря, що залишився, V1. Результат занесіть до таблиці.

Аналіз даних

  1. Обравши початковим об’єм повітря V1, розрахуйте за формулою (1) коефіцієнт об’ємного теплового розширення повітря.
  2. Розрахуйте за формулою (2) температуру, за якої повітря набуватиме мінімального об’єму, Tmin.

 

Таблиця результатів

m0, кг m1, кг m2, кг V1, м3 V2, м3 t1, °C t2, °C α, K-1 Tmin, K