You cannot select more than 25 topics Topics must start with a letter or number, can include dashes ('-') and can be up to 35 characters long.
This repo is archived. You can view files and clone it, but cannot push or open issues/pull-requests.
mipt_lab/2.4.1/lab2.4.1.tex

164 lines
8.9 KiB
TeX

This file contains ambiguous Unicode characters!

This file contains ambiguous Unicode characters that may be confused with others in your current locale. If your use case is intentional and legitimate, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to highlight these characters.

\documentclass[a4paper,12pt]{article}
\usepackage{cmap}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[warn]{mathtext}
\usepackage{epsf,amsmath,amsfonts,amssymb,amsbsy}
\usepackage[mathscr]{eucal}
\usepackage[english, russian]{babel}
\author{Гришаев Григорий С01-119}
\title{Отчёт о выполнении лабораторной работы 2.4.1}
\usepackage[left=2cm,right=2cm,top=2cm,bottom=2cm]{geometry}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{indentfirst}
\graphicspath{{images/}}
\DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.png,.jpg}
\usepackage{pgfplots}
\usepackage{gnuplottex}
\begin{document}
\maketitle
\begin{center}
{\Large Определение теплоты испарения жидкости}
\end{center}
\paragraph*{Цель работы:} 1) измерение давления насыщенного пара жидкости при разной температуре; 2) вычисление по полученным данным теплоты испарения с помощью уравнения Клапейрона–Клаузиуса.
\paragraph*{В работе используются:} термостат; герметический сосуд, заполненный исследуемой жидкостью; отсчетный микроскоп.
\section{Теоретические сведения}
Теплоту парообразования жидкостей можно измерить непосредственно при помощи калориметра. Такой метод, однако, не позволяет получить точных результатов из-за неконтролируемых потерь тепла, которые трудно сделать малыми. В настоящей работе для определения теплоты испарения применен
косвенный метод, основанный на формуле Клапейрона–Клаузиуса:
$$\frac{dP}{dT} = \frac{L}{T(V_2 - V_1)}\;(1).$$
Здесь $P$ — давление насыщенного пара жидкости при температуре $T$, $T$ — абсолютная температура жидкости и пара, $L$ — теплота испарения жидкости, $V_2$ — объем пара, $V_1$ — объем жидкости.
Найдя из опыта $\frac{dP}{dT},\; T,\; V_2$ и $V_1$, можно определить $L$ путем расчета. Величины $L, \;V_2$ и $V_1$ в формуле (1) должны относиться к одному и тому же количеству вещества; мы будем относить их к одному молю.
В нашем приборе измерения производятся при давлениях ниже атмосферного. В этом случае задача существенно упрощается.
С помощью уравнения Ван-дер-Ваальса можно получить зависимость $P(T)$, с помощью которой определить искомую величину:
$$(P+\frac{a}{V^2})(V-b)=RT \; (2)$$
В таблице ниже приведены все значения параметров различных жидкостей уранения Ван-дер-Ваальса в условиях данного опыта.
\begin{figure}[h]
\center{\includegraphics[scale=1]{tabl}}
\end{figure}
Откуда видно, что $\frac{V_1}{V_2} < 0.005$, a $\frac{a}{PV^2}<0.03$, ошибка метода измерений равна 4\%, тогда записав уравнение Клапейрона-Менделеева для насыщенного пара, получим:
$V=\frac{RT}{P}\;.$
Пренебрегая $V_1$ (который не превосходит $0,5\%$ от $V_2$), запишем:
$$L=\frac{RT^2}{P} \frac{dP}{dT} = -R\frac{d(lnP)}{d(1/T)}\;(3).$$
Эта формула является окончательной.
\section{Экспериментальная установка:}
Схема установки изображена на рисунке 1. Установка включает термостат
\begin{figure}[h]
\center{\includegraphics[scale=0.5]{2}}
\caption{Схема установки для определения теплоты испарения}
\end{figure}
\section{Ход работы}
\begin{enumerate}
\item Измерим разность уровней в ртутном U-образном манометре с помощью микроскопа и температуру по термометру. $H$ - высота высокого колена, $h$ -низкого. При этом будем настраивать микроскоп, так, чтобы каждый раз основание мениска было у метки прибора (в дальнейшем считаем, что высота мениска не меняется, не смотря на то что поверхностное натяжение ртути на самом деле зависит от температуры и высота немного должна меняется). Результаты представлены в таблицах 1 и 2. Под $P_0$ подразумевается давление 1 мм рт.ст.
Погрешность определения температуры возьмём учитывая точность прибора и тот факт, что во время измерений уровней температура могла немного изменяться $$\sigma_{T} = 0.2 \; K.$$ Соответсвенно $$\sigma_{\frac{1}{T}} = \frac{\sigma_T}{T^2} \; K^{-1}.$$
Исследуемая жидкость - вода.
\begin{center}
\begin{table}[h]
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
\hline
$h ,\; {мм}$ & 83.3 & 83.05 & 82.75 & 81.95 & 81.25 & 80.5 & 79.9 & 78.7 & 78.05 & 77.2 & 76.55 & 76.00 & 74.7 & 73.75 & 72.45 & 71.15& 70 & 68.7 & 67.85 \\
\hline
$H, \; {мм}$ & 109.1 & 109.35 & 110.2 & 110.8 & 111.65 & 112.4 & 113.5 & 114.2 & 115.3 & 116.0 & 117.1 & 117.7 & 118.8 & 120 & 121.35 & 122.45 & 123.7 & 125.15 & 126.4 \\
\hline
$t,\; ^\circ С$ & 22.04 & 23.01 & 24.00 & 25.04 & 26.00 & 27.03 & 28.02 & 29.05 & 30.03 & 31.04 & 32.00 & 33.04 & 34.03 & 35.03 & 36.05 & 37.04 & 38.03 & 39.04 & 40.02 \\
\hline
% $P, {кПа}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $\sigma_{P}, {Па}$ & \multicolumn{11}{|c|}{} \\
% \hline
% $\ln(\frac {P}{P_0})$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $\sigma_{\ln(\frac {P}{P_0})}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $T,\; {K}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $\sigma_{T},\; {K}$ &\multicolumn{11}{|c|}{} \\
% \hline
% $\frac{1}{T}$ $\cdot 10^{-3},{K}^{-1}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $\sigma_{\frac{1}{T}} \cdot 10^{-6},\; {K}^{-1}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
\end{tabular}
\caption{При нагреве}
\end{table}
\end{center}
\begin{center}
\begin{table}[h]
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
\hline
$h ,\; {мм}$ & 67.85 & 69.6 & 71.45 & 73.15 & 73.15 & 76.05 & 78 & & & & \\
\hline
$H, \; {мм}$ & 126.4 & 124.5 & 122.3& 119.9 & 119.9 & 117.8 & 115.45 & & & & \\
\hline
$t,\; ^\circ С$ & 40.02 & 38.04 & 36.05 & 34.04 & 32.03 & 30.03 & 28. & & & & \\
\hline
% $P, {кПа}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $\sigma_{P}, {Па}$ & \multicolumn{11}{|c|}{} \\
% \hline
% $\ln(\frac {P}{P_0})$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $\sigma_{\ln(\frac {P}{P_0})}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $T,\; {K}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $\sigma_{T},\; {K}$ &\multicolumn{11}{|c|}{} \\
% \hline
% $\frac{1}{T}$ $\cdot 10^{-3},{K}^{-1}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
% $\sigma_{\frac{1}{T}} \cdot 10^{-6},\; {K}^{-1}$ & & & & & & & & & & & \\
% \hline
\end{tabular}
\caption{При остывании}
\end{table}
\end{center}
\begin{figure}[h!]
\centering
\begin{gnuplot}[terminal=epslatex]
set grid
#set xlabel '$ N $, Вт'
#set ylabel '$ \Delta T $, C'
set multiplot
set yrange [20:65]
set xrange [22:50]
set key spacing 2
set key bottom right
set key off
set style line 1 lt 1 pt 7 ps 0.5 lc rgb "red"
set style line 2 lt 1 pt 7 ps 0.5 lc rgb "blue"
set style line 4 lc black
set key box linestyle 4
set key opaque Left
plot "PT.txt" using 1:2 notitle linestyle 1
plot "PT2.txt" using 1:2 notitle linestyle 2
#plot "2.1.1(q2).txt" using 1:2 notitle linestyle 2
#plot 3.68*x smooth csplines title "$ q_{1} $" linestyle 1, \
# 4.6*x smooth csplines title "$ q_{2} $" linestyle 2
\end{gnuplot}
\end{figure}
\end{enumerate}
\end{document}