Исследуемые закономерности

Санкт-Петербургский государственный

Электротехнический университет

«ЛЭТИ»

Кафедра физики

ОТЧЕТ

по лабораторно-практической работе №11

Исследование процессов переноса в газах

Выполнил Минчев Н.В.

Факультет ИБС

 

Группа № 2582

 

Преподаватель Мазуренко В.С.

Оценка лабораторно-практического занятия
Выполнение ИДЗ	Подготовка к лабораторной работе	Отчет по лабораторной работе	Коллоквиум		Комплексная оценка

Санкт-Петербург, 2012

 

Лабораторная работа 11

Исследование процессов переноса в газах

Цель работы: изучение явлений переноса в газе. Определение коэффициента диффузии, вязкости газа, длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул.

Приборы и принадлежности: прибор для измерения объемной скорости газа.

Исследуемые закономерности

Явления переноса. Хаотическое движение молекул в газе приводит к тому, что в объеме газа поддерживается равновесное состояние, которое характеризуется постоянством параметров состояния газа и концентрации молекул во всем его объеме.

При нарушении равновесия в газе хаотическое движение молекул приводит к возникновению макроскопических потоков, стремящихся восстановить нарушенное равновесное состояние. Явления, возникающие при протекании этих процессов, называются явлениями переноса.

К явлениям переноса относят диффузию, внутреннее трение (вязкость), теплопроводность, В данной работе исследуются первые два явления.

Внутреннее трение - этоявление, обусловленное переносом импульса молекул. Пусть при течении газа его слои движутся параллельно друг другу в направлении оси x с различной скоростью v_x (z) (рис. 3.1, а).

z

Тогда в направлении, перпендикулярном скорости течения газа, будет происходить перенос импульса от молекул, находящихся в слоях, движущихся с большей скоростью, к молекулам, находящимся в слоях, движущихся с меньшей скоростью. Это проявляется как трение, возникающее между слоями газа. В результате скорости движения слоев газа выравниваются (рис. 3.1, б). Сила трения, возникающая между слоями газа, определяется как:

,

где h - коэффициент внутреннего трения (вязкости); v - скорость отдельных слоев газа; -градиент скорости слоев газа в направлении, перпендикулярном к поверхности, разделяющей слои (в направлении оси z перпендикулярной скорости слоев v); S -площадь соприкасающихся слоев.

Течение газа в узкой цилиндрической трубке. Пусть газ течет в трубке радиусом a длиной l (l >> a) под действием разности давлений D p на концах трубки (рис. 3.2).

В установившемся режиме (t > t ₃) распределение скорости течения газа по сечению трубки описывается параболической зависимостью

t 3

t 1 = 0

,

где r - расстояние, отсчитываемое от оси трубки, - средняя по сечению скорость течения газа (ось x направлена по направлению скорости слоев газа). Вблизи стенок трубки при r = a градиент скорости равен . Учитывая, что сила трения газа о стенки цилиндрической трубки F _тр , где площадь боковой поверхности трубки, уравновешивает внешнюю силу, действующую на газ в трубке, F = D p p a ², где ­ площадь сечения трубки, получим выражение для средней скорости слоев газа:

.

Это выражение называется формулой Пуазейля. В данной работе измеряется расход газа Q = D V / D t, определяемый какобъем D V газа, вытекающий из трубки за некоторый промежуток времени D t: Расход газа связан со средней скоростью соотношением Q = p a ² , так что средняя скорость слоев газа по сечению трубки

= D V / (D t p a ²).

Приравнивая полученные выражения для , получаем формулу для расчета коэффициента вязкости:

.

Диффузия - это явление, обусловленное переносом массы молекул. Если различные области занимаемого газом объема различаются концентрацией молекул, то в газе возникают макроскопические потоки молекул, стремящиеся выровнять их концентрацию. Процесс диффузии описывается законом Фика:

,

где m -масса газа, переносимая через площадь поверхности S в единицу времени; D -коэффициент диффузии; d r / dz -градиент плотности газа в направлении переноса массы газа (оси z, перпендикулярной скорости слоев v).

Молекулярно-кинетические соотношения. Кинетические коэффициенты D и h зависят от средней скорости теплового движения молекул = (8 RT / pm)^1/2 и средней длины свободного пробега молекул

; ; h = D r.

В формулах используются следующие обозначения: T -температура газа; R = 8,31 (Дж/К×моль) - универсальная газовая постоянная; r - плотность газа; m - молярная масса газа; d - газокинетический или эффективный диаметр молекул; n – концентрация молекул газа (, -число Авогадро).

Метод измерений. Прибор для измерения объемной скорости течения газа Q = D V / D t (рис. 3.3) состоит из сосуда 1 с исследуемым газом и сосуда 2, заполненного водой и присоединенного к сосуду 1 гибкой трубкой. Давление в сосуде 1 регулируется перемещением по вертикали открытого сосуда 2 и измеряется U - образным манометром 3 (1 мм вод. ст. » 10 Па). Сосуд 1 сообщается с атмосферой через кран 4 и узкую трубку 5. Положение уровня жидкости и изменение объема газа в сосуде 1 определяются по шкале 6 (1 деление соответствует 5 см³).

 

ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №____

НАЗВАНИЕ РАБОТЫ

Измеряемая величина	Номер наблюдения
	hнач
	hкон

 

 

L = мм – длина капилляра

2а = мм – диаметр капилляра

S = мм² – площадь колбы

h_o = см

 

 

Экспериментальный макет

 

 

Выполнил Минчев Н.В.

Факультет ИБС

 

Группа № 2582

 

Преподаватель: _________________