Экспериментальная часть. Описание экспериментальной установки

Описание экспериментальной установки

Рис. 2-3.5. Схема лабораторной установки

Лабораторная установка, представленная на рис.2-3.5, состоит из сосуда 1 скраном 4 в верхней части которого находится пробка. В пробку вставляется капилляр 5, через который протекает газ. В данной работе изучаются газокинетические параметры воздуха, который протекает именно через этот капилляр. Разность давлений на концах капилляра измеряется водяным манометром 2.

Если открыть кран 4, то вследствие избыточного давления столба жидкости над краном rgh вода начнет вытекать из него непрерывной струей, при этом давление воздуха в сосуде понижается. Вскоре вода начнет вытекать каплями, что означает, что давлениестолба жидкости и воздуха в сосуде стало меньше атмосферного давления. Однако отрыв капли все же будет соответствовать моменту, когда давление столба жидкости и воздуха над ним на величину ΔР станет больше атмосферного. Со временем этот процесс станет стационарным. Разность уровней жидкости в коленах манометра перестанет расти, что говорит о том, что на концах капилляра устанавливается постоянная разность давлений ΔР. Эта разность давлений соответствует выражению (2-3.7). Скорость вытекания жидкости из сосуда лимитируется скоростью натекания воздуха через капилляр. Зная параметры капилляра и экспериментально определив скорость вытекания воды, можно рассчитать газокинетические параметры воздуха по формулам (2-3.4, 2-3.6, 2-3.7, 2-3.8).

Порядок выполнения работы

1. Подставив измерительный стакан 3 (рис.2-3.5), открыть кран 4 и дождаться, когда установится стационарный процесс (вода начнет вытекать каплями). В этот момент оценить разность уровней давлений в коленах манометра DР.

2. Подставить другой пустой мерный стаканчик под кран (масса которого предварительно определена) засечь времяt, за которое объем жидкости составит примерно 20 см³. Для точного определения объема жидкость рекомендуется взвесить. Температуру воздуха, атмосферное давление, плотность воды и воздуха при условиях эксперимента внести в табл.2-3.1.

Параметры установки и условия проведения опыта Таблица2-3.1

r, мм	,мм	T,К	P,кг/м3	r, кг/м3 (вода)	r, кг/м3 (воздух)

3. Рассчитать значения h, l, s по формулам (2-3.7, 2-3.8, 2-3.4). Опыт повторить три раза. Вычислить погрешности измерений при доверительной вероятности a= 0.95.

4. Вычислить скорость U_cp. скорость потока (среднюю по сечению капилляра):U_cp=(V/t)pr² ,гдеr-радиус капилляра,V-объем воздуха, прошедшего через капилляр, равный объему воды, вытекшей за времяt.

5. Рассчитать число Рейнольдса по формуле:R_е=rU_срr/h, где r- плотность воздуха в условиях опыта. Убедиться, что эксперимент проходил при ламинарном течении.

6. Записать окончательные результаты измеряемых величин η, λ,s. Оценить величины погрешностей измерения при a = 0.95.

Экспериментальные результаты Таблица 2

№	Dh, мм	V,мл	DP, Па	t,с	Uср., мл/с	h, Па с	l,м	s,м2

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение понятия «средняя длина свободного пробега» молекул. Получите математическое выражение длины свободного пробега молекул газа. Как зависит эта величина от давления и температуры газа?

2. Что понимается под эффективным сечением молекул газа. Зависит ли эта величина от температуры газа?

3. Чему равна средняя относительная скорость молекул газа? Дайте математический вывод этого соотношения.

4. В чем суть явления внутреннего трения в газах. Запишите закон Ньютона.

5. Как определяется величина коэффициента вязкости, в каких единицах он измеряется?

6. Запишите формулу Пуазейля и поясните ее смысл.

7. Что характеризует число Рейнольдса?

8. В чем суть экспериментального метода определения средней длины свободного пробега молекул газа?

9. Объясните условие отрыва капель от крана. Какую роль при этом играет уровень воды в сосуде?

 

Список литературы

1. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа,1987.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Наука, 1990. Т. 2,

3. Хайкин Э.С. Физические основы механики. М.: Наука, 1971.

4. Основы физики. Курс общей физики. Квантовая и статистическая физика / Под. ред. Ю.М. Ципенюка. М.: Физ.-мат. лит., 2001. Т.2.