Материал: 3874

31

9. Воздух – это смесь в основном трех газов: азота N2 (78 % по объему),

кислорода O2 (21 %) и углекислого газа CO2 (0,03 %), молекулы которых имеют одинаковое число степеней свободы i = 5 (смотрите с. 25). Учитывая это, по формуле (7) рассчитайте теоретическое значение γтеор.

10. Сделайте вывод о совпадении теории с экспериментом, сопоставив теоретическое значение отношения теплоемкостей γ теор и экспериментальный

доверительный интервал γ =γэксп ± γ .

11. Рассчитайте, насколько уменьшается температура воздуха в баллоне в результате адиабатического расширения. Это можно сделать двумя способами, рассматривая адиабатический процесс 1 → 2 или изохорический процесс 2 → 3 (рис. 2). В первом случае необходимо использовать связь давления и темпера-

Комнатную температуру измерьте с помощью термометра в лаборатории и переведите полученный результат в абсолютную температуру. Атмосферное

давление примите равным ратм =105 Па. Плотность манометрической жидкости (воды) ρ =1000 кг/м3; g =9,8 м/с2. В качестве величин h1 и h2 (в метрах) используйте результаты измерения, например, первого опыта. Значение γ примите равным экспериментальному значению γэксп .

32

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сформулируйте первый закон термодинамики.

2.Что такое: a) теплоемкость тела; б) удельная теплоемкость; в) молярная теплоемкость?

3.Что такое: a) теплоемкость при постоянном объеме; б) теплоемкость при постоянном давлении? Какая из них больше и почему?

4.Что такое число степеней свободы молекулы? Чему равно число степеней свободы для молекул азота N2 , кислорода O2 , углекислого газа CO2 ?

5.Что такое адиабатический процесс? Почему в данной работе процесс расширения газа при открывании крана можно считать адиабатическим?

6.Как и почему меняется температура газа при адиабатическом расшире-

нии?

7.Чему равен показатель адиабаты γ в уравнении Пуассона (6)?

8.Поясните, что характеризует объем V1 на рисунках 2 и 3.

9.Поясните причину повышения давления в баллоне сразу после адиабатического расширения газа и закрывания крана.

Библиографический список

1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. §§ 42, 50–55.

34

протекают лишь такие процессы, при которых энтропия возрастает, нетрудно убедиться, что с возрастанием вероятности увеличивается и энтропия:

где k =1,38 10−23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Законы (начала) термодинамики

Первый закон термодинамики: внутреннюю энергию U термодинамической системы можно увеличить двумя способами: произведя работу δA = −p dV над ней внешними силами (сжать), или сообщить системе некоторое количество теплоты δQ , то есть.

Здесь р – давление в системе, dV – изменение объема системы.

Второй закон термодинамики: в замкнутой (термодинамически изолированной) системе наиболее вероятными являются процессы, сопровождающиеся возрастанием энтропии. Эта формулировка непосредственно следует из соотношения (3).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе определяется изменение энтропии S при нагревании и плавлении металлического образца (олово, индий, кадмий, свинец или др.).

Нагрев и плавление образца осуществляется на установке, схема которой приведена на рис. 1. На замкнутый железный сердечник 1, набранный из тонких электрически изолированных друг от друга пластин, надеты катушка индуктивности 2 и керамическое кольцо 3, в углублении которого размещается исследуемый образец 4 в виде замкнутого витка. На катушку индуктивности подается переменное напряжение, регулируемое автотрансформатором 5. При протекании по катушке индуктивности переменного тока в образце возникает индукционный ток и выделяется джоулево тепло, за счет которого происходит разогрев образца. Непосредственно в образце находится спай термопары 6, которая подключена к милливольтметру 7.

Температура образца определяется по измеренным значениям термоЭДС Е и градуировочной таблице термопары. Значения термо-ЭДС, приведенные в этой таблице, измерены для случая, когда температура «холодного спая» термопары равна 0˚С. В наших условиях величина Е измеряется отно-

35

сительно комнатной температуры tк . Поэтому абсолютная температура об-

вочной таблице с использованием измеренных значений термо-ЭДС Е.

Расчет изменения энтропии S производится следующим образом. Считая процессы нагревания и плавления обратимыми, с учетом соотношения (1) найдем

где первое слагаемое в правой части представляет собой изменение энтропии образца, вызванное его нагревом от комнатной температуры Тк до температуры плавления Тпл , второе – изменение энтропии при плавлении образца, а третье – изменение энтропии при нагревании жидкой фазы образца от Тпл до Ттах . Во втором слагаемом температура Тпл вынесена за знак интеграла, поскольку при неизменном давлении плавление происходит при постоянной