Методика измерений и описание установки

Для определения отношения С _p / C _v воздуха в данной лабораторной работе применен метод, предложенный Клеманом и Дезормом, в котором использовано охлаждение газа при его адиабатическом расширении.

Лабораторный стенд состоит из насоса и баллона, наполненного воздухом и соединенного с манометром (рис. 1).

Посредством крана баллон может сообщаться с атмосферой. В начале эксперимента давление воздуха в баллоне равно атмосферному, а его температура Т _ОКР равна температуре окружающей среды.

Идея метода состоит в том, что находящийся в сосуде газ заставляют совершать изопроцессы, в том числе и адиабатный; измеряя давление в начале и конце каждого процесса по отношению давлений определяют показатель адиабаты. При этом из всего газа, заполняющего сосуд, мысленно выделяют небольшую часть газа массой m, занимающую объём V. Предполагается, что все процессы (сжатие, нагревание или охлаждение) происходят именно с этой частью газа.

Открыв кран, с помощью насоса можно подкачать в баллон некоторое количество воздуха, в результате чего давление в баллоне повысится до некоторого значения p ₁. После подкачки следует подождать примерно минуту: за это время в результате теплообмена через стенки температура воздуха внутри баллона опять сравняется с температурой наружного воздуха. Рассматриваемая нами порция газа массой m займёт объём V ₁, то есть будет сжата остальной частью воздуха. Этому состоянию данной части газа соответствует точка 1 на рис. 2.

После того как давление газа в баллоне установилось, быстро выпускаем часть газа из сосуда, после чего сосуд закрываем. Давление в сосуде (и в выделенной порции газа) упадёт до р ₂.

В результате этой операции рассматриваемая нами порция газа расширится до объёма V ₂; само количество молекул газа в этой порции останется неизменным, так как предполагается, что из сосуда выходят другие части газа.

При адиабатическом расширении температура рассматриваемой части газа понижается (см. формулу (9): положительному dV в ней должно соответствовать отрицательное dT). На рис. 2 данный процесс представлен гиперболой 1-2; конечному состоянию газа соответствует точка 2.

С течением времени температура газа в баллоне повысится: из-за теплопроводности стенок температура воздуха внутри баллона вновь станет равной температуре Т _ОКР окружающей среды. Это состояние представлено точкой 3 на рис. 2.

Таким образом, процесс перехода выделенной нами части газа массой m из состояния 1 в состояние 2 происходит адиабатически, а из состояния 2 в состояние 3 изохорически. Точки 1 и 3 диаграммы лежат на одной изотерме. Измерив давление газа в точках 1, 2 и 3, можно вычислить показатель степени в уравнении Пуассона для адиабаты – отношение С _p / C _v.