1
(21)4705185/12
(22) 14.06.89
(46) 23.11.91. Бюл. №43
(71)Харьковский политехнический институт им.В.И.Ленина
(72)В.А.Базакуца, Н.И.Гнидаш, Л.Г.Петренко, В.В.Ушаков, В.С.Савина и Ю.М.Счастливей ко
(53)681.121(088.8)
(56)Авторское свидетельство СССР № 1430981, кл. G 09 В 23/12, 1987.
(54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ
(57)Изобретение относится к устройствам для практического освоения термодинамических циклов и может быть использовано на лабораторных занятиях и в качестве лекционной демонстрации. Целью изобретения является упрощение конструкции при расширении дидактических возможностей. Отличия заключаются в выполнении герметичного сосуда в виде двух сильфонов 1 и 2 одинакового сечения, причем сильфон 1 через шток 10 обеспечивает отслеживание по шкале 12 угла поворота стержня 7 с рейтером 8, соответствующего уменьшению потенциальной энергии системы из стержня 7 с рейтером 8. Сильфон 2 с регулятором 3 начального объема обеспечивают необходимую для индивидуальных занятий вариацию начального объема. 2 ил.
Ё
HI
Os
ю со
(
ю
Изобретение относится к устройствам для практического освоения термодинамических циклов и может быть использовано на лабораторных занятиях и в качестве лекционной демонстрации.
Целью изобретения является упрощение конструкции при расширении дидактических возможностей.
На фиг,1 представлена схематическая конструкция прибора; на фиг.2 - диаграмма, поясняющая расчет показателя адиабаты по измеренным давлениям.
Прибор состоит из основного сильфона 1, вспомогательного сильфона 2, регулятора 3 начального объематаза асильфонах 1 и 2, образующих совместно герметичный сосуд, манометра 4, измеряющего избыточное давление в сильфонах, вентиля 5 для впуска исследуемого газа, например атмосферного воздуха, шарнира 6, на котором укреплен стержень 7, несущий тело-рейтер 8, которое закрепляется на стержне 7 винтом 9, штока 10, защелки 11 для укрепления рычага 7 в начальном положении, вертикальной шкалы 12, проградуированной по углу отклонения стержня рычага 7 от горизонтали, а также подвижного фиксатора 13 свободного конца стержня рычага 7,
При отклонении горизонтального стержня рычага 7 на угол (р потенциальная энергия системы сжатия уменьшается на величину
AW ( mx)g sin p,(1)
где М - масса стержня;
m - масса тела-рейтера;
L-длина стержня;
х - расстояние тела-рейтера до шарнира 6.
При остановке стержня в крайнем нижнем положении убыль AW потенциальной энергии равна сумме потенциальной энергии, приобретенной основным сильфоном 1, и работе А, затраченной на сжатие газа (трением в шарнире пренебрегаем):
AW AWC+ A;(2)
vЈ ,(3)
Va
где Р - давление; Va, Ve - соответственно начальный и конечный обьемы газа в основном 1 и дополнительном 2 сильфонах.
Корреляция с углом поворота (р устанавливается путем предварительной градуировки. Если не требуется высокая точность, энергией AWC можно вообще пренебречь по сравнению с работой А.
Прибор работает следующим образом.
Перед проведением опытов фиксируют стержень 7 в горизонтальном положении
((р 0°) при помощи защелки 11, открывают вентиль 5, устанавливают при помощи регулятора 3 объема начальный объем ,
где S - площадь сечения сильфонов 1 и 2;
« ha - начальная высота (фиг.1), наполняют сильфоны 1 и 2 газом, например атмосферным воздухом, закрывают вентиль 5, закрепляют при помощи винта 9 тело-рейтер 8 на стержне рычага 7 на расстоянии х от шарнира 6, опускают фиксатор 13 в крайнее нижнее положение.
Для выполнения опытов по изучению адиабатического процесса и определения
показателя адиабаты исследуемого газа отпускают стержень 7 защелкой 11. Шток 10 начнет опускаться .сжимая газ в сильфонах, 1 и 2 от атмосферного давления Ј0 до конечного давления Ре (фиг.2). Из-за быстрого
опускания тела-рейтера 8 процесс сжатия газа близок к адиабатическому, при этом скорость движения указателя стержня 7 по вертикальной шкале 12 вначале возрастет, а после достижения объема V1 (фиг.2) начинает убывать и становится равной нулю, когда указатель стержня опустится в крайнее нижнее положение. В этот момент выполняется соотношение (2) и всю систему сжатия стопорят при помощи подвижного фиксатора 13. Для удобства измерений желательно определить угол рмжс в предварительном опыте, не применяя фиксатор 13, а в контрольном опыте установить фиксатор на деление макс шкалы 12. Полученное изменение объема газа определяется по формуле
V6 - Va Sx sin рмакс.(4)
Изменение давления (Ре-Ро) регистрируется манометром 4. После адиабатического сжатия (фиг.2, переход а - б) газ изохорически охлаждается до комнатной температуры и его давление становится равным Рс (фиг.2, переход б - с). Состояния а и с соответствуют одинаковой темпе5 pjrrype, поэтому
PaV| P6Va ;
PaVa PCV6 ,(5)
где у-показатель адиабаты.
Поскольку начальное давление Ра рав- 0 но атмосферному Р0, из (5) получим
v 9 Рб - lg Ро 7 lg PC - lg Ро
(6)
Таким образом, для определения показателя адиабаты достаточно измерить только два избыточных давления.
Конечное давление газа в адиабатическом процессе существенно зависит от расстояния х тела-рейтера до шарнира 6 (соотношение (1) и фиг. 1). Увеличивая х и выполняя для каждого х описанные операции, получают экспериментальную адиабату. Отсюда легко определить показатель увто- рым методом, используя уравнение Пуассона для адиабаты
PiVi P2V2(7)
и любую пару точек на диаграмме.
Для построения диаграммы давление - объем в изотермическом процессе фиксатором 13 не пользуются. Для каждого xi регистрируют показания PI манометра 4 и угол fl после того, как прекратятся колебания стержня 7 и газ в сильфонах окажется в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Изменение объема определяют по формуле (4). Экспериментальные изотермы и адиабаты (фиг.2) позволяют про- верить важные термодинамические соотношения (1)- (3).
Прибор обладает расширенными дидактическими возможностями, поскольку позволяет варьировать начальный объем га- за и исследовать зависимость давления от объема в изотермическом процессе, сопоставлять работу в изотермическом и адиабатическом процессах при заданном начальном объеме, исследовать процесс превращения механической энергии во внутреннюю (тепловую) энергию газа. Формула изобретения Учебный прибор по термодинамике, содержащий вертикально расположенный герметичный сосуд для исследуемого газа с подвижным элементом и двумя камерами, одна из которых связана с системой сжатия исследуемого газа, индикаторы избыточного давления и степени сжатия исследуемого газа, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции при расширении дидактических возможностей, камеры герметичного сосуда выполнены в виде взаимосвязанных сильфонов, причем с системой сжатия через подвижный элемент соединен первый сильфон, а система сжатия выполнена в виде шарнирно закрепленного с возможностью вращения в вертикальной плоскости стержня, на котором установлен рейтер с возможностью перемещения и фиксации, а индикатор степени сжатия выполнен в виде вертикальной шкалы, снабженной фиксатором, установленным с возможностью перемещения по ней.
