Россия, г.Санкт-Петербург
ГБОУ СОШ №447
Учитель физики
Некрасов Александр Григорьевич
Адиабатный процесс изучается в базовой школе наряду с другими изопроцессами. Для проведения лабораторных работ в 10 классе был предложен новый набор по молекулярной физике [1]. Однако лабораторной работы по изучению адиабатного процесса в нем нет. Встал вопрос, а нельзя ли его изучить на установке L- микро, предназначенной для демонстрации изотермического процесса (рис.1) [2]. Здесь 1 герметичный резервуар (полупрозрачный цилиндр из пластика), составляющий единую конструкцию с датчиком изменения объема 3. Объем резервуара изменяется при движении внутри него поршня 2, осуществляемого
вручную за счет вращения винта 4. С поршнем жестко связана подвижная часть датчика изменения объема. Давления газа измеряется датчиком абсолютного давления 5, который присоединяется к цилиндру с помощью вакуумного шланга 6. Хорошо известно, что адиабатным называется процесс, идущий без теплообмена с окружающей средой. При этом сосуд с газом теплоизолируется (укутывается в «шубу»). Если этот газ
Рис.1
будет расширяться и производить работу, затрачиваемую на увеличение интенсивности направленных механических движений, связанных с поршнем тел, то эта работа совершается за счет уменьшения своей внутренней энергии. И, соответственно, температура газа упадет. Уравнение адиабатного процесса имеет вид:
pVγ = const, (1)
где γ = Cp / Cv > 1.
Благодаря снижению температуры адиабата всегда будет круче изотермы. Адиабатный процесс можно осуществить и без применения теплоизолирующей «шубы». Пусть даже сосуд не теплоизолирован и при понижении температуры расширяющегося газа к нему идет через стенки поток тепла, пропорциональный перепаду температур ΔТ и времени теплообмена τ. Тогда общее количество тепла, полученное газом ΔQ = α ΔT τ, может быть сделано сколь угодно малым не только при коэффициенте теплообмена α = 0, но и при τ → 0, т.е. при практически мгновенном расширении газа. Качественно охлаждение газа можно увидеть по образованию тумана в сосуде, а количественно при регистрации температуры температурным датчиком. Именно второй способ мы и рекомендуем. Если при изучении изотермического процесса требуется после уменьшения объема газа выжидать 3-5 минут, чтобы газ (воздух) пришел в равновесное состояние, то быстро уменьшая объем газа (с интервалом 2-4 с), можно получить адиабатный процесс. На рис.2 приведена для примера индикаторная диаграмма адиабата. Поскольку любой
процесс изменения макроскопических параметров (V, T, p) можно представить как последовательность бесконечно малых изотермических участков, что хорошо заметно на рис.2 при увеличении и имеет важное значение для понимания квазистатического процесса. На рис.3 представлена одновременно изотерма и адиабата. При проведении опыта
Рис.2
действительно наблюдалось появление тумана в сосуде. Показатель
Рис.3 Рис.4
адиабаты γ определяется по формуле (1) с учетом изотермичности процесса 1 — 3 (p1V1 =
= p2V2) и изохорности процесса 2 — 3 (V3 = V2). Искомая формула равна:
γ = ln(p2 / p1) / ln(p3 / p1). (2)
По данным рис.3 можно определить γ. Наши оценки дают значения для γ близкие к 1,4.
Таким образом, можно рекомендовать установку лаборатории L-микро по молекулярной физике для исследования и демонстрации адиабатного процесса.
Литература
