Кафедра общей и технической физики
(лаборатория виртуальных экспериментов)
ФИЗИКА
Исследование эффекта Джоуля-Томпсона
При адиабатическом истечении газа
Методические указания к лабораторной работе № 12
Для студентов всех специальностей
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2017
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование традиционных форм и методов обучения, а также внедрение инноваций в учебный процесс, позволят подготовить специалистов нового типа, наборы компетенции которых, будут соответствовать жизненно важным конкурентным потребностям горного производства.
Современные образовательные технологии включают методику проведения занятий с использованием компьютерных технологий, в частности виртуальный лабораторный практикум.
Использование компьютерной поддержки в различных видах учебных занятий служит одним из способов формирования мотивационной сферы вфизическом образовании высшей школы.
В виртуальной лабораторной работе реальную установку имитирует системный блок компьютера. Пультом управления является клавиатура. Монитор совмещает функцию цифрового индикатора измерительных приборов и экрана для наблюдения за работой установки и изучаемыми процессами.
Элементы виртуальной установки реагируют на действия пользователя, которые регламентируются методическими указаниями.
Использование виртуальных аналогов лабораторных работ позволяют существенно расширить круг задач, решаемых при выполнении реальных экспериментальных работ и реализовать такие физические эксперименты, постановка которых невозможна или затруднительна в учебной лаборатории.
Применение виртуальных работ обеспечивает наглядную визуализацию лабораторных установок и динамики их работы в реальном или компьютерном масштабе времени.
Для исследования процессов происходящих в реальных газах предлагается виртуальная лабораторная работа в основе которой лежит эффект Джоуля-Томпсона.
Программное обеспечение работы позволяет исследовать поведение реального газа, в частности: изменение температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры.
Предлагаемые базовые задания позволяют студентам, выполняя эвристические предписания методологического характера (подробные инструкции), определить коэффициент Джоуля-Томсона для выбранной температуры, постоянные Ван-дер-Ваальса a и b для углекислого газа по двум парам температур, температуру инверсии Тинв и критическую температуру Ткр для углекислого газа.
Выполнение заданий частично-поискового и поискового характера потребует от студента проявить большую самостоятельность, опираясь на имеющиеся теоретические знания, инструктивную и справочную литературу.
Методика проведения измерений, обработки экспериментальных данных, оценки погрешностей прямых и косвенных измерений, а также процедура подготовки студентов к выполнению работ и защиты отчётов производится в таком же порядке, как и при выполнении работ реального физического практикума в соответствии с требованиями кафедры Общей и технической физики.
РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
Силы межмолекулярного взаимодействия
Свойства не сильно разреженных газов отличаются от свойств идеальных газов, подчиняющихся уравнению Менделеева-Клапейрона.
Реальным называется газ, между молекулами которого действуют силы межмолекулярного взаимодействия, состоящие из сил притяжения и сил отталкивания. Эти силы по-разному зависят от расстояния между молекулами. На расстояниях, сравнимых с линейными размерами атомов (10–10м), преобладают силы отталкивания 
; на расстояниях порядка 10–9м – силы взаимного притяжения 
(рисунок 1). Результирующая сила
(1)
где и – силы отталкивания и силы притяжения между молекулами.
При 
, 
;
при 
, 
;
при 
, 
,
где 
– радиус молекулярного действия, соответствует равновесному состоянию между молекулами, на котором они находились бы, если бы не было теплового движения.