Giáo trình thực hành cơ nhiệt đại cương

BÔÔ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐƠ  Ảnh GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH CƠ NHIỆT ĐẠI CƯƠNG LỚP: …………………… GV hướng dẫn: Sinh viên thực hiê Ôn: Đỗ Đăng Trình ………………………… Ngày sinh:……………… Mssv:…………………… SĐT:…………………… Nhóm……………… Tổ ……………… THÁNG 10 NĂM 2017 BÀI ĐO LƯỜNG CƠ BẢN Phần – Thước kẹp và Panme 1- Mục đích Đo chiều dài thước kẹp Panme 2-Dụng cụ 1- Thước kẹp có sai số đo 0,02mm 2- Panme có sai số đo 0,01mm 3- Mẫu vật đo: Hình hộp, hình trụ, hình trụ rỗng 3- Lý thuyết Nguyên tắc cấu tạo thước kẹp Thước kẹp hệ thước kép có hai hàm A,B (Hình 1) Hàm A đứng yên gắn liền với thước dài L1, hàm B (di động) gắn với que E thước nhỏ L2 gọi du xích Trên thước dài L1 chia milimét đánh số centimét (hoặc 10mm), du xích có 50 D L 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 d L2 E d B A d Hình khoảng chia đánh số từ đến 10 Khi hai hàm A,B cách khoảng d, d phần ló que E khoảng cách từ vạch thước dài L đến vạch du xích L2 Cách đọc kết thước kẹp Muốn đo kích thước vật ta đặt vật hai hàm AB khẻ đẩy hàm B cho hai hàm áp sát vào vật; muốn đo độ sâu lổ vật ta cho que E vào lổ đến que E chạm vào đáy, lúc ốc D thả lỏng Khoảng cách hai hàm A, B kích thước vật khoảng cách d vạch thước dài L vạch du xích L2 * Phần milimét đọc thước dài L 1: Vạch cần đọc vạch phía trái gần vạch khơng du xích * Phần thập phân (phần lẻ sau dấu phẩy) đọc du xích L 2: Vạch cần đọc vạch trùng với vạch khác thước thường L1 L2 Hình Ví dụ: Hình ta có phần ngun 9mm Phần thập phân đọc vạch 3,4 nên có giá trị 0,34 mm Vậy kết cuối d = 9,34mm Nguyên tắc cấu tạo Panme Panme gồm A hình trụ trịn gắn chặt với đầu đai sắt hình chử U Phần bên phải hệ phần tử di động gồm B gắn liền với hệ thước vòng L 2, ống D núm giảm lực E Khi ta xoay ống D núm E làm cho hệ di động chuyển động sang trái phải Khi ống D quay hết vịng hệ di động di chuyển khoảng 0,5mm Khi mép ống D (nơi có thước vịng L 2) trượt qua ngược lại thước thẳng L1 Khoảng cách hai mặt A B với khoảng cách từ vạch không thước L đến mép D C thướcA tròn L2 B E 25 L1 Đai hình chữ U 20 15 L2 Hình Thước thẳng L1 có chiều dài 25 mm chia theo 0,5 mm đánh số 5mm Các vạch 0mm; 1mm; … nằm phía đường kẻ dọc L1 Các vạch 0,5mm; 1,5mm; … nằm phía đường kẻ dọc L1 Cách đọc kết Panme Muốn đo kích thước vật ta đặt vật vào hai A, B Lúc đầu ta vặn ống D vào cho nhanh Khi B gần chạm vào vật, để bảo đảm cho hai dầu A, B kẹp chặt vật mà khơng làm biến dạng vật lúc ta khơng vặn hình trống D nửa mà chuyển sang vặn núm E Khi vật bị kẹp chặt dù núm E quay B không tiếp tục tiến vào Đến lúc núm E phát tiếng kêu lách tách dừng lại d1 (phần nguyên) đọc thuớc thẳng L (tính theo mm): vạch cần đọc vạch phía trái gần mép hình trống C (có thể vạch phía vạch phía đường kẻ dọc) d2 (phần lẻ) đọc thước vịng L2 (tính theo 0,01mm): vạch cần đọc vạch trùng với đường kẻ dọc thước thẳng L Kết phép đo d = d1 + d2 Ví dụ: Như hình bên d = d1 + d2 = 8,5mm + (21 x 0,01 mm) = 8,71 mm 25 20 Hình 15 Hiệu chỉnh số không: Nếu hai đầu A, B khít vạch số khơng thước vòng L2 chưa tới đường kẻ dọc thước thẳng L1 kết đọc phải trừ số phần trăm mm tính từ vạch số khơng thước vòng L2 đến dường kẻ dọc Nếu hai đầu A, B khít vạch số khơng thước vòng L2 qua đường kẻ dọc thước thẳng L kết đọc phải cộng thêm số phần trăm mm tính từ vạch số khơng thước L2 đến đường kẻ dọc 4- Thí nghiệm Dùng thước kẹp đo kích thước mẫu hình hộp; chiều cao h1 đường kính d1 hình trụ đặc Đo độ cao h, đường kính ngịai D đường kính d ống hình trụ rỗng h2 d2 h2 Hình Đo lần lập bảng sau dùng cơng thức để tính thể tích vật ghi vào Bảng Bảng Hình hộp Lần Hình trụ h1(m m) d1(m m) Ống trụ L(mm) D(mm ) d(mm) TB Thể tích (mm3 ) 5- Câu hỏi 1) Tính thể tích hình hộp hình trụ theo cơng thức (1) (2) 2) Thiết lập cơng thức tính sai số đo thể tích hình hộp hình trụ (biết Δd = Δh = Δ i = δ độ xác dụng cụ đo) 3) Ghi kết dạng V = ± ΔV (mm3) 4) Tại ta phải hiệu chỉnh số không thước kẹp trước đo? Dùng Panme để đo Đo đường kính ba cầu kim loại đường kính que đồng nhiều lần lập Bảng Bảng Lần Que đồng Quả cầu d1 (mm) d2 (mm) d3 (mm) dC (mm) Lần Lần Lần Trung bình 5- Câu hỏi: 1) Thiết lập cơng thức tính sai số ΔV cầu, số vào để giá trị cụ thể 2) Biểu diễn kết có sai số dạng: V = (mm3) ± ΔV 3) Cân khối lượng tính khối lượng riêng cầu 4) Tại phải hiệu chỉnh số không panme trước đo? Phần – Khối lượng riêng và tỉ trọng 1- Mục đích Xác định khối lượng riêng vật rắn cân phân tích Xác định tỉ trọng chất lỏng tỉ phao kế (tỉ trọng kế) 2- Dụng cụ 1- Cân phân tích sai số 0.5 g 2- Tỉ phao kế 3- Các ống thủy tinh đựng chất lỏng cần đo tỉ trọng 4- Các mẫu vật đo khối lượng riêng gồm hình hộp, hình trụ, hình trụ rỗng (giống phần 1) 3- Lý thuyết Khối lượng riêng vật rắn khối lượng đơn vị thể tích vật rắn Đơn vị Khối lượng riêng kg/m3 Cơng thức tính : (1) M khối lượng V thể tích vật rắn Tỷ trọng chất lỏng tỷ số khơi lượng riêng chất lỏng với khối lượng riêng nước (thông thường lấy 1000 kg/m 3) điều kiện Lưu ý tỉ trọng khơng có đơn vị Cơng thức tính : (2) Dựa nguyên lý lực đẩy Archimede, người ta chế tạo tỷ trọng kế có dạng phao thả chất lỏng cần đo tỷ trọng thường gọi tỷ phao kế ( Hình 4) Đặc điểm loại gọn, nhẹ, đơn giản việc chế tạo sử dụng Tuy nhiên thường có độ xác khơng cao Thực tế, tỉ phao kế phân làm hai loại loại đo chất lỏng có tỷ trọng nhỏ loại có tỷ trọng lớn 1(loại dùng) Tỉ trọng kế Để đo tỉ trọng chất lỏng, ta thả tỷ trọng kế vào ống trụ chứa chất lỏng, rót thêm chất lỏng vào đầy ống trụ Hình Đọc giá trị tỷ trọng bảng chia độ mực chất lỏng cắt ngang thang chia độ tỷ trọng kế Hình 4- Thực nghiệm Dùng cân phân tích dùng cân điện tử để xác định khối lượng hình hộp, hình trụ hình trụ rỗng từ dùng cơng thức (1) xác định khối lượng riêng vật trên, ghi kết qủa vào Bảng Bảng Hình hộp Hình trụ Ống trụ M(g) V(mm3) Đo tỉ trọng: Thả tỷ trọng kế vào ống trụ chứa chất lỏng cần đo tỉ trọng, rót thêm chất lỏng vào đầy ống trụ Đọc giá trị tỷ trọng bảng chia độ mực chất lỏng cắt tỉ trọng kế Thực thí nghiệm với ba lần khác ghi lại kết qủa vào Bảng Bảng Lần đo Tỉ trọng Sai số đo tỉ trọng 5- Câu hỏi 1- Trình bày cách tính sai số đo khối lượng riêng 2- Xác định khối lượng riêng chất lỏng bảng 4? 3- Tỉ trọng kế dùng đo tỉ trọng rượu không ? Tại sao? 4- Tỉ trọng nước muối hịa tan nào? Giải thích ? BÀI ĐO VẬN TỐC TRUYỀN ÂM TRONG KHÔNG KHÍ I Cơ sở lý thuyết Sóng âm từ nguồn (loa) truyền cột khơng khí bề dày d ống bị phản xạ ngược lại Sự giao thoa sóng tới sóng phản xạ tạo sóng dừng với nút bụng dao động có vị trí xác định Vì miệng ống coi bụng vị trí phản xạ (mặt pitton) coi nút nên sóng dừng xảy L thỏa: d=(2 k +1) λ với k = 0, 1, 2,… Có thể xác định vị trí nút micro gắn vào mặt pitton nối với dao động nghiệm, từ dạng tín hiệu quan sát dao động nghiệm biết khoảng cách d từ miệng ống tới micro thỏa tình trường hợp sau dễ dàng suy khoảng cách L hai nút liên tiếp (L = λ ) suy bước sóng vận tốc truyền âm khơng khí Vị trí Vị trí Vị trí Vị trí Micro Loa L = /2 L= Dạng tín hiệu quan sát dao động nghiệm Hình 1: Cách xác định bước sóng sóng âm truyền khơng khí II Trình tự thí nghiệm Dụng cụ: - Máy phát âm tần - Dao động nghiệm - Ống Kundt thủy tinh đặt giá đỡ - Loa phát âm micro gắn liền vô mặt pitton - Thước thằng dán trực tiếp lên ống thủy tinh Dao động nghiệm Máy phát âm tần Loa Kênh Pitton Kênh Ống Kundt Hình 2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm - Bố trí thí nghiệm sơ đồ hình - Cắm điện cho máy phát âm tần dao động nghiệm Bật công tắt để khởi động hai thiết bị - Chỉnh tần số máy phát khoảng 1400Hz cách đọc giá trị tần số đồng hồ đo Hz Chỉnh biên độ âm phát từ loa vừa đủ nghe - Di chuyển micro cho tớii hình dao động nghiệm tín hiệu có dạng đoạn thẳng xiên (/), ghi lại vị trí x1 micro thước Tiếp tục di chuyển micro tín hiệu có dạng (\), ghi vị trí x2 Khi khoảng cách L = |x 1−x 2| =/2 - Lặp lại thí nghiệm với tần số 1600Hz, 1800Hz Tính giá trị vận tốc âm tương ứng III Câu hỏi kiểm tra Nêu định nghĩa sóng dừng Điều kiện để xuất sóng dừng 10 Trình bày tóm tắt lần cân để thực thí nghiệm đo L Viết cơng thức tính L sai số L 23 BÀI XÁC ĐỊNH TỶ SỐ NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CP/CV CỦA CHẤT KHÍ I Cơ sở lý thuyết Khái niệm nhiệt dung đẳng tích nhiệt dung đẳng áp chất khí Khi truyền cho khối khí có khối lượng m lượng nhiệt δQ, khối khí nóng lên, nhiệt độ tăng lượng dT Theo định nghĩa, nhiệt dung riêng c chất khí đại lượng đo lượng nhiệt cần truyền cho kilơgam chất khí để nhiệt độ tăng thêm độ Kelvin (viết tắt 1K): (1) Nếu khối lượng mol chất khí , nhiệt dung phân tử C chất khí là: (2) Đơn vị đo c J/kg.K, C J/mol.K kg/mol Nhiệt dung chất khí phụ thuộc vào điều kiện q trình nung nóng Để thấy rõ điều này, ta khảo sát biến đổi trạng thái mol khí lý tưởng, chẳng hạn mol khơng khí nhiệt độ phòng, áp suất thường Thực vậy, theo nguyên lý thứ nhiệt động lực học: biến thiên nội dU hệ nhiệt động q trình biến đổi trạng thái lượng nhiệt dQ công dA mà hệ nhận từ ngồi 24 vào q trình đó: dU = dA + dQ (3) đây: dA = - p dV với p áp suất dV độ biến thiên thể tích khối khí Rút dQ từ (3): dQ = dU + p.dV thay vào (1), ta nhận biểu thức nhiệt dung phân tử: (4) - Nếu q trình biến đổi đẳng tích (V = const) dV = nên dA = p.dV = Từ (4) suy nhiệt dung phân tử đẳng tích CV: hay - Nếu q trình (5) biến đổi đẳng áp (p = const) dp = Theo phương trình trạng thái mol chất khí: pV = RT (6) với R = 8,31 J/mol.K gọi số chất khí Lấy vi phân (6): pdV + Vdp = R dT (7) Thay (5), (7) vào (4) với dp = 0, ta suy nhiệt dung phân tử đẳng áp: (8) Ta nhận thấy nhiệt dung đẳng tích C V nhỏ nhiệt dung đẳng áp CP, tức tỷ số: 25 Quá trình đoạn nhiệt hệ số Pốt xơng Q trình đoạn nhiệt q trình biến đổi mà hệ khơng trao đổi nhiệt với bên ngoài: dQ = Khi (3) trở thành: dU = dA thay (5) vào: (9) Chia (7) cho (9) ý đến (8), ta tìm được: hay: với (10) Thực phép tích phân (10) , ta tìm phương trình Pốtxơng, mơ tả q trình đoạn nhiệt (11) Phương trình (11) cho thấy, trình dãn nở đoạn nhiệt, thể tích V tăng áp suất p giảm nhanh nhiều so với trình đẳng nhiệt ( pV = const ) γ tỷ số nhiệt dung phân tử chất khí hay gọi hệ số Pốtxơng Nghiên cứu q trình đoạn nhiệt có ý nghĩa quan trọng lý thuyết nhiệt động học, cho phép xây dựng nên chu trình hoạt động cho loại động nhiệt đặc biệt, có hiệu suất cao nhất, chu trình Cac nơ II Trình tự thí nghiệm Trong thí nghiệm này, ta xác định tỷ số nhiệt dung phân tử γ 26 khơng khí theo phương pháp dãn đoạn nhiệt nhờ dụng cụ bố trí hình Bình thủy tinh A chứa khơng khí nối thơng với áp kế cột nước M, đồng thời nối thông với bơm nén khí B qua van K1, thơng với khí bên qua van K2 Toàn dụng cụ lắp đặt hộp chân đế G P P1 (1) M P1= H0 + H K2 H P3 P2 A V1 K1 (3) P3=H0 B +h P2=H (2) o V0G V Hình 2: Giản đồ biến đổi trạng thái Hình khối khí m bình A Mơ tả dụng cụ đo tỷ số CP/CV Lúc đầu, đóng van K2, mở van K1 để nối thơng bình A với bơm B Dùng bơm B, bơm khơng khí vào bình A làm tăng dần áp suất bình, dừng bơm, đóng van K1, chờ cho áp suất bình đạt đến giá trị ổn định P1: P1 = H0 + H (12) với H0 áp suất khí quyển, H độ chênh áp suất khơng khí bình A so với áp suất khí quyển, đọc áp kế M Các đại lượng H0 H tính theo đơn vị milimét cột nước (mmH2O) Tiếp đó, mở van K2 để khơng khí nhanh ngồi áp suất khơng khí bình A giảm tới giá trị P = H0, đóng nhanh van K2 lại Sau đóng K2, ta thấy áp suất chất khí bình tăng lên từ từ đạt đến giá trị ổn định P = H0 + h Bằng việc ghi 27 lại giá trị H h người ta tính hệ số Pốt xơng γ Phân tích q trình: Sau bơm khơng khí vào bình A, đóng van K1, chờ khoảng 5’ cho hệ đạt tới trạng thái cân ổn định: khối lượng khơng khí bình m0, chiếm tồn thể tích V0 bình A, có áp suất P1 = H0 + H nhiệt độ T1 = T0 (bằng nhiệt độ phịng) Khi mở van K2: khí nhanh lượng Δm, khối lượng khí cịn lại bình là: m = m0 - Δm, m chiếm tồn thể tích cuả bình: V2 = V0 , có áp suất P2 = H0 < P1 Như vậy, suy trước mở van K2, khối lượng khí m bình A (ở áp suất P1 nhiệt độ T0) chiếm phần thể tích bình: V1 < V0 Trạng thái khối khí m mơ tả điểm (1) đồ thị hình Vì trình dãn nở khối lượng khí m bình từ trạng thái (1) có (P1 , V1, T0 ) sang trạng thái (2) có ( P = H0 ,V2 = V0 ) xảy nhanh, không kịp trao đổi nhiệt với ngồi (δQ = 0) nên coi gần trình dãn nở đoạn nhiệt, biểu diễn đường đoạn nhiệt 1-2 đồ thị hình Áp dụng phương trình Pốtxơng (11), cho q trình dãn nở đoạn nhiệt 1-2 ta có: P1 (V1)g = P2 (V0)g (13) Trong q trình này, khí bị lạnh nhiệt độ giảm từ nhiệt độ phòng T0 xuống đến nhiệt độ T2 < T0, đó, khối khí m bình thu nhiệt từ ngồi qua thành bình, thực hiên q trình biến đổi đẳng tích, để nhiệt độ tăng dần từ T đến T0, áp suất tăng từ P2 = H0 đến P3: P3 = H0 + h (14) Trên đồ thị hình 2, ta nhận thấy trạng thái thuộc 28 trình đẳng nhiệt T0, biểu diễn đường cong đứt nét 1-3 Áp dụng định luật Bôi-Mariôt (PV = const) cho khối khí m q trình biến đổi đẳng nhiệt từ trạng thái (P 1,V1, T0) đến trạng thái (P3, V2 = V0, T0), ta có: P1 V1= P3 V0 (15) Rút tỷ số từ (15) thay vào (13), thay giá trị áp suất P1, P2, P3 theo độ chênh milimét cột nước H0, H, h, đồng thời ý đến điều kiện h