«Определение удельной теплоёмкости воздуха при постоянном давлении методом протока»
Цель работы: освоить методику измерения удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении методом протока.
Оборудование: сосуд Дьюара, вольфрамовая спираль, копель-хромелевая термопара, добавочный резистор, резиновые шланги, манометрическая трубка, измерительная шкала, универсальный комплект лабораторного оборудования по молекулярной физике ЛАБЭКС.
Вопросы к допуску:
Теория метода.
Методика проведения эксперимента (устройство и принцип действия экспериментальной установки, ход работы)
Контрольные вопросы:
Что называется теплоёмкостью тела?
Что называется удельной и молярной теплоёмкостью тела?
Процесс нагревания газа при постоянном объёме.
Процесс нагревания газа при постоянном давлении.
Уравнение Пуассона.
и
,
связь между ними.Показатель адиабаты.
Теоретические сведения.
Под теплоёмкостью тела понимают то количество теплоты, которое необходимо сообщить телу массой m, чтобы изменить его температуру на один градус:
,
где
– количество теплоты, сообщаемое телу
при изменении его температуры на
градусов. Единицей измерения теплоёмкости
тела является Дж/К.
В физике чаще используются понятия удельной и молярной теплоёмкостей. Под удельной теплоёмкостью c понимают то количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы данного вещества, чтобы изменить его температуру на один градус:
,
где
m
– масса тела. Единицей измерения удельной
теплоёмкости является
.
Под молярной теплоёмкостью C понимают такое количество теплоты, которое необходимо сообщить одному молю вещества, чтобы изменить его температуру на один градус:
,
(1)
где
– количество теплоты, сообщаемое одному
молю вещества при изменении его
температуры на
градусов. Единицей измерения молярной
теплоёмкости является
.
Между удельной и молярной теплоёмкостями существует простая связь:
,
(2)
где μ – молекулярный вес данного вещества.
Данные здесь определения одинаково справедливы для любых трех агрегатных состояний вещества. Однако, с газами дело обстоит несколько сложнее, чем с жидкостями и твёрдыми телами. Дело в том, что величина теплоёмкости газа сильно зависит от его состояния в период передачи газу тепла. Теплоёмкость газа, нагреваемого при постоянном объёме, часто называют изохорной теплоёмкостью. Её величина определяется выражением:
,
(3)
где i – сумма числа степеней свободы поступательного, вращательного и удвоенного числа степеней свободы колебательного движения молекул газа.
Теплоёмкость газа, нагреваемого при постоянном давлении, называется изобарной теплоемкостью. Её величина определяется выражениями:
,
(4)
или
.
(5)
Из формул (3) и (4) следует, что обе теплоёмкости зависят только от числа i степеней свободы молекул газа, т.е. от количества атомов, входящих в состав молекулы. Кроме того, согласно формуле (5) изобарная теплоёмкость больше изохорной на величину универсальной газовой постоянной. Это означает, что газ при постоянном давлении нагреть труднее, чем тот же газ при постоянном объёме (на тоже, разумеется, количество градусов). Объясняется это тем, что нагревание газа при постоянном давлении должно сопровождаться возрастанием объёма газа. При этом подводимое тепло расходуется не только на изменение внутренней энергии газа, но и на совершение им работы по преодолению внешних сил, т.е. на расширение газа. При изохорном же нагревании таких затрат тепловой энергии не происходит и всё тепло идёт только на возрастание внутренней энергии газа.
Весьма важной величиной любого идеального газа является отношение изобарной теплоёмкости к изохорной:
.
(6)
Величину γ часто называют показателем адиабаты.