| 620 |
kaklik |
1 |
\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article}
|
|
|
2 |
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
|
|
|
3 |
\usepackage[utf8]{inputenc}
|
|
|
4 |
\usepackage[czech]{babel}
|
|
|
5 |
\usepackage{graphicx}
|
|
|
6 |
\textwidth 16cm \textheight 24.6cm
|
|
|
7 |
\topmargin -1.3cm
|
|
|
8 |
\oddsidemargin 0cm
|
|
|
9 |
\pagestyle{empty}
|
|
|
10 |
\begin{document}
|
|
|
11 |
\title{Určení Poissonovy konstanty vzduchu}
|
|
|
12 |
\author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz}
|
|
|
13 |
\date{30.11.2009}
|
|
|
14 |
\maketitle
|
|
|
15 |
\thispagestyle{empty}
|
|
|
16 |
\begin{abstract}
|
|
|
17 |
|
|
|
18 |
\end{abstract}
|
|
|
19 |
|
|
|
20 |
\section{Úvod}
|
|
|
21 |
\begin{enumerate}
|
|
|
22 |
\item Změřte kompresí plynu objem baňky systému s kmitajícím pístkem.
|
|
|
23 |
\item Změřte Poissonovu konstantu metodou adiabatické expanze a současně metodou kmitajícího pístku.
|
|
|
24 |
\item Oba výsledky porovnejte. Výsledek metody kmitajícího pístku považujte za tabulkovou hodnotu Poissonovy konstanty.
|
|
|
25 |
\end{enumerate}
|
|
|
26 |
|
|
|
27 |
\section{Úvod}
|
|
|
28 |
\subsection{Modul pružnosti v tahu}
|
|
|
29 |
Poissonova konstanta $\kappa $ je poměr měrného tepla $C_{P}$ při stálém tlaku ke měrnému teplu $C_{V}$ při stálém objemu
|
|
|
30 |
\begin{displaymath} \kappa = \frac{C_P }{C_V }. \end{displaymath}
|
|
|
31 |
|
|
|
32 |
$\kappa $ má ve všech soustavách stejnou číselnou hodnotu. Pro všechny plyny je poměr specifických tepel $\kappa $ větší než 1 a závisí na počtu atomů v molekule plynu. Hodnotu $\kappa $ můžeme určit ze změny tlaku při adiabatickém ději, který je popsán Poissonovou rovnicí
|
|
|
33 |
|
|
|
34 |
\begin{displaymath} pV^\kappa = konst. \end{displaymath}
|
|
|
35 |
|
|
|
36 |
kde $p$, $V$ jsou tlak a objem plynu.
|
|
|
37 |
|
|
|
38 |
Pro měření Poissonovy konstanty vzduchu jsme mimo jiné použili Clémentovu-Désormesovu metodu. Jejíž princip spočívá ve stlačení vzduchu ve velké báni, aby měl proti vnějšímu barometrickému tlaku $b$ přetlak $h$. Ten odečteme jako výškový rozdíl hladin otevřeného manometru, který je k báni připojen. Tlak vzduchu v báni je pak
|
|
|
39 |
\begin{displaymath} p_1 = b + h. \end{displaymath}
|
|
|
40 |
|
|
|
41 |
Příslušný objem vzduchu před adiabatickou expanzí je $V_{1}$, po adiabatické expanzi $V_{2}$. Teplotu plynu, která by měla být shodná s teplotou okolí báně rozumíme $T_{1}$. Vnitřek báně je od vnějšího vzduchu oddělen membránovým závěrem. Otevřeme-li jej dostatečně ale na velmi krátkou dobu, vyrovnají se tlaky uvnitř a vně na hodnotu barometrického tlaku $b$.
|
|
|
42 |
|
|
|
43 |
\begin{displaymath} p_2 = b. \end{displaymath}
|
|
|
44 |
|
|
|
45 |
Proběhne tedy adiabatická expanze vzduchu v báni z počátečních podmínek $V_{1}$, $T_{1}$, $p_{1}$ do stavu určeného veličinami $V_{2}$, $T_{2} \quad < T_{1}$, $p_{2}$ (kde $V_{2}$ je objem báně). Po dosti dlouhé době se teplota vzduchu v báni vyrovná na vnější teplotu $T_{1}$ a tlak přitom stoupne o přírůstek $ h'$, který změříme. Tato změna je izochorická. Celkový tlak je
|
|
|
46 |
\begin{displaymath} p_3 = b + h^I. \end{displaymath}
|
|
|
47 |
|
|
|
48 |
Pro první (adiabatickou) změnu stavu vzduchu dostaneme z Poissonovy rovnice za předpokladu, že vzduch můžeme považovat za ideální plyn,
|
|
|
49 |
\begin{displaymath} \frac{p_1 }{p_2 } = \left( {\frac{V_2 }{V_1 }} \right)^\kappa . \end{displaymath}
|
|
|
50 |
|
|
|
51 |
Změna ze stavu $V_{1}$, $T_{1}$, $p_{1}$ do stavu $V_{3}= V_{2}$, $T_{3} = T_{1}$, $p_{3}$ je izotermická a platí pro ni Boyle-Mariotteův zákon
|
|
|
52 |
\begin{displaymath} \frac{p_1 }{p_3 } = \frac{V_2 }{V_1 }. \end{displaymath}
|
|
|
53 |
|
|
|
54 |
Sloučíme-li předchozí rovnice dostaneme
|
|
|
55 |
\begin{displaymath} \kappa=\frac{log(b+h)-logb}{log(b+h)-log(b+h')} \end{displaymath}
|
|
|
56 |
|
|
|
57 |
Po odlogaritmování pak dostaneme výsledný vztah
|
|
|
58 |
|
|
|
59 |
\begin{displaymath} \kappa=\frac{h}{h-h'} \end{displaymath}
|
|
|
60 |
|
|
|
61 |
Který ovšem neuvažuje chybu způsobenou nenulovou dobou otevření ventilu. Z toho důvodu je přesnější vytvořit aparaturu pracující na analogickém principu a ale s definovanou dobou otevření ventilu.
|
|
|
62 |
Velice efektivním řešením tohoto problému je využít vlastností harmonických kmitů a uzávěr (píst) uvést do dynamické rovnováhy s protékajícím vzduchem.
|
|
|
63 |
Pro takto zkonstruovanou aparaturu založenou na kmitajícím pístu lze odvodit vztah pro Poissonovu konstantu jako
|
|
|
64 |
|
|
|
65 |
\begin{displaymath} \kappa=\frac{4mV}{T^2 pr^4} \end{displaymath}
|
|
|
66 |
|
|
|
67 |
\section{Postup měření}
|
|
|
68 |
|
|
|
69 |
Během měření Poissonovy konstanty Clement-Desormesovo metodou jsme se snažili o maximální zkrácení času otevření ventilu, po krátkém tréninku bylo jasné, že nemá smysl dobu otevření snižovat pod mez zhruba 70ms neboť se nestačí dostatečně vyrovnat tlak v aparatuře s atmosférickým tlakem.
|
|
|
70 |
|
|
|
71 |
Uvedené výsledky jsou proto nad touto hranicí. Průměr z naměřených hodnot je $1,40 \pm 0,02$
|
|
|
72 |
|
|
|
73 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
74 |
\caption{Naměřené hodnoty Poissonovy konstanty Clement-Desormesovo metodou}
|
|
|
75 |
\begin{center}
|
|
|
76 |
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
|
|
|
77 |
\hline
|
|
|
78 |
h1 [mm] & t[ms] & h2 [mm] & t[ms] & $ \kappa $ \\ \hline
|
|
|
79 |
31,5 & 88 & 9,10 & 88 & 1,41 \\ \hline
|
|
|
80 |
31,2 & 85 & 9,00 & 85 & 1,41 \\ \hline
|
|
|
81 |
31,4 & 103 & 9,20 & 103 & 1,41 \\ \hline
|
|
|
82 |
31,2 & 130 & 8,70 & 130 & 1,39 \\ \hline
|
|
|
83 |
31,4 & 138 & 8,50 & 138 & 1,37 \\ \hline
|
|
|
84 |
\end{tabular}
|
|
|
85 |
\end{center}
|
|
|
86 |
\label{Clement-Desormes}
|
|
|
87 |
\end{table}
|
|
|
88 |
|
|
|
89 |
V celém průběhu měření jsme paralelně měřili Poissonovu konstantu i pomocí kmitajícího pístu. A tabulka \ref{Kmit} udává naměřená i vypočtená data, jako objem baňky jsme zvolili asistentem doporučený objem $0,001067 m^3$ jelikož ho nebylo možné změřit žádným z v návodu \cite{objemy} popsaných postupů. Průměrnou změřenou hodnotou je $1,29 \pm 0,03 $. Ostatní konstanty potřebné pro výpočet jsou převzaté z návodu k úloze.
|
|
|
90 |
|
|
|
91 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
92 |
\caption{Pocty period pistu v petiminutovem mericim intervalu a vypoctena hodnota Poissovnovy konstanty}
|
|
|
93 |
\begin{center}
|
|
|
94 |
\begin{tabular}{|c|c|}
|
|
|
95 |
\hline
|
|
|
96 |
period & $\kappa$ \\ \hline
|
|
|
97 |
859 & 1,27 \\ \hline
|
|
|
98 |
862 & 1,28 \\ \hline
|
|
|
99 |
865 & 1,29 \\ \hline
|
|
|
100 |
863 & 1,29 \\ \hline
|
|
|
101 |
864 & 1,29 \\ \hline
|
|
|
102 |
865 & 1,29 \\ \hline
|
|
|
103 |
866 & 1,29 \\ \hline
|
|
|
104 |
867 & 1,30 \\ \hline
|
|
|
105 |
858 & 1,27 \\ \hline
|
|
|
106 |
862 & 1,28 \\ \hline
|
|
|
107 |
866 & 1,29 \\ \hline
|
|
|
108 |
870 & 1,31 \\ \hline
|
|
|
109 |
872 & 1,31 \\ \hline
|
|
|
110 |
\end{tabular}
|
|
|
111 |
\end{center}
|
|
|
112 |
\label{Kmit}
|
|
|
113 |
\end{table}
|
|
|
114 |
|
|
|
115 |
\section{Diskuse}
|
|
|
116 |
Z výsledků naměřených v chronologickém pořadí lze vypozorovat mírnou stabilní variaci v průběhu měření. Tento jev by mohl být způsoben buď změnou vlastností aparatury, nebo skutečně změnou složení vzduchu. Nejpravděpodobnější asi bude kombinace obou těchto jevů. Kdy při měření metodou kmitajícího pístu může docházet k mírným změnám v průtoku vzduchu a navíc i doby po které čítač počítá kmity válečku nemusí být úplně časově ekvidistantní. Zřejmé také je, že v místnosti, která není příliš větraná se pohybuje značné množství lidí kteří souhrnně obohacují vzduch o víceatomové molekuly..
|
|
|
117 |
|
|
|
118 |
\section{Závěr}
|
|
|
119 |
Závěrem lze říci že hodnota Poissonovy konstanty vzduchu za běžných podmínek leží někde okolo hodnoty 1,35. Což je v souladu s předpokladem, že vzduch obsahuje převážně dvou nebo více atomové plyny.
|
|
|
120 |
|
|
|
121 |
\begin{thebibliography}{99}
|
|
|
122 |
\bibitem{objemy}{Měření dutých objemů vážením a kompresí plynu} \href{http://praktika.fjfi.cvut.cz/objemy/}{http://praktika.fjfi.cvut.cz/objemy/}
|
|
|
123 |
\end{thebibliography}
|
|
|
124 |
\end{document}
|