Лабораторные работы Взаимодействие между молекулами Диффузия Молекулярная физика Структура твердых тел Кинетическая теория газа Измерение вакуума

Молекулярная физика и основы термодинамики Лабораторные работы

Измерение вакуума.

Под измерением вакуума понимают измерение давления разреженного газа. В зависимости от диапазонов измеряемых давлений применяют различные типы манометров. Основными из них являются жидкостные (ртутные), термоэлектрические, электроразрядные и магнитные.

В настоящей работе применяется термопарный манометр (рис. 3). Он состоит из двух частей: манометрической лампы ЛТ – 4М, подключаемой к вакуумной системе, и электрического измерительного прибора ВТ – 2А. Манометрическая лампа выполняет функцию датчика, а с помощью прибора устанавливается режим работы лампы и измеряется давление.

Манометрическая лампа состоит из металлического баллона 1, внутри которого помещена нить накала 2, в виде тонкой платиновой проволоки, и термопары 3 из хромеля и копеля. Термопара приварена к средней части нити накала, благодаря чему между ними осуществляется хороший тепловой контакт. Отросток 4 служит для подключения лампы к вакуумной системе.

Принцип действия манометра заключается в том, что при достаточно низком давлении, когда средняя длина свободного пробега молекул  ~ L, теплопроводность газа начинает зависеть от давления. Чем меньше давление, тем меньше теплоотдача с нити накала и поэтому выше температура горячего спая термопары, а следовательно, и ЭДС термопары при том же токе накала. Прибор ВТ–2А, измеряющий термо-ЭДС термопары, может быть проградуирован в милливольтах или непосредственно в единицах измеряемого давления.

Определение скорости откачки насоса.

Скорость откачки - объем газа, удаляемый насосом в единицу времени из разряжаемого сосуда при постоянном давлении:

.  (1)

С уменьшением давления скорость откачки понижается.

Скорость откачки может быть определена экспериментально. Пусть в некоторый момент времени t в сосуде объемом V давление данной массы газа равно р. При откачке за малый промежуток времени dt объем газа увеличивается на величину dV. Та же масса газа теперь занимает больший объем (V + dV). Давление внутри сосуда изменится на величину dp и станет равным (р + dp). (Очевидно, что величина dp отрицательна). Полагая, что процесс откачки происходит при постоянной температуре, согласно закону Бойля-Мариотта можно записать

PV = (p + dp)*(V + dV), (2)

или, раскрывая скобки и пренебрегая величиной второго порядка малости dp*dV, получим

.  (3)

 Поделив обе части последнего выражения на dt, согласно определению (1) имеем:

. (4)

  Учитывая, что: , (5)

(где р0 – давление в начальной момент времени и, следовательно, постоянная величина), получим:

.  (6)

 Формула (6) используется при экспериментальном определении скорости откачки насоса.

Описание установки

 Блок-схема лабораторной установки приведена на рис. 4, где приняты следующие условные обозначения: 2НВР-5ДМ – форвакуумный пластинчато-роторный насос; Б – откачиваемый баллон, ЛТ-4М манометрическая лампа, К – кран, соединяющий вакуумную систему с атмосферой.

 Предупреждения! К выполнению работ приступать только после ознакомления с описанием. При выполнении работы соблюдать следующие меры предосторожности:

  а) без разрешения преподавателя установку не включать;

 б) кран К открывать только при неработающем насосе;

в) при повороте рукоятки стеклянного вакуумного крана необходимо одной рукой поддерживать его за корпус, чтобы не сдвинуть с места крепления и не повредить;

г) во избежание перегорания нити нагревателя манометрической лампы нельзя устанавливать ток накала выше указанного значения на баллоне лампы.

Включение установки

1. Подготовьте к работе термопарный вакууметр, для чего переключатель "ДИАПАЗОН ИЗМЕРЕНИЙ" поставьте в положение "10-1¸10-3", а ручку реостата "РУГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА" – в крайнее левое положение.

2. Подключите вакууметр к щитку питания (220В) и включите тумблер "СЕТЬ", при этом загорится  сигнальная лампа.

3. Переключатель "ТОК НАКАЛА - ИЗМЕРЕНИЕ" поставьте в положение "ТОК НАКАЛА", реостатом "РЕГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА" установите по нижней шкале прибора рабочий ток манометрической лампы ЛТ-4М, указанный на ее баллончике, после чего переведите переключатель в положение "ИЗМЕРЕНИЕ". Вакууметр готов к работе.

4.Закрыв кран К, изолируйте вакуумную систему от атмосферы, подготовьте таблицу для записи показаний и поворотом рубильника на щитке питания включите форвакуумный насос.

Определение скорости откачки форвакуумного насоса.

 Вам предлагается проследить за изменением давления в вакуумной системе с течением времени и по результатам наблюдений определить скорость откачки форвакуумного насоса в определенный момент времени работы насоса. Для этого:

1) Включите секундомер в тот момент времени, когда давление составит р0=2·10-1 мм.рт.ст. Отсчет давления производится по верхней логарифмической шкале вакууметра. Однако для упрощения процесса измерения рекомендуется предварительно производить отсчет в делениях средней линейной шкалы. Затем полученные показания перевести в мм.рт.ст. по верхней шкале или по прилагаемому градуировочному графику милливольтметра.

Величину давления рекомендуется отсчитывать через каждые 15 секунд в течение первой минуты, а затем через каждую минуту в течение 7¸10 минут.

2) Результаты измерений занести в табл. 2.

 3) Представьте изменение давления с течением времени графически, откладывая по оси Х время в секундах, а по оси У - ln(р0/р) (р0 = 2·10-1 мм рт.ст. – давление в начальный момент времени). Примерный вид графика представлен на рис. 5.

4) Определите скорость откачки форвакуумного насоса в момент времени t2=15c после включения секундомера. Для этого проведите касательную к кривой ln(р0/р) в точке ln(р0/р2), соответствующей t2=15c.

Затем по графику найти ординату касательной ln(р0/р'2), соответствующей t2=30c (р'2 – давление, которое установилось бы к моменту времени t2=30c, если бы скорость откачки оставалась неизменной с момента t2=15c).

 Тогда, как видно из рис. 5,

.

  Зная объем всей вакуумной системы V и определив по графику разность ln(p0/p'2) – (ln(p0/p1), вычислите скорость откачки S при давлении р1 по формуле

.

  Численное значение V приведено на установке. (V = 3,45 л.)

Контрольные вопросы

Какое состояние газа называется вакуумом? Высоким вакуумом?

Какие физические свойства газа используются в процессе получения вакуума?

В чем заключается принцип работы форвакуумного насоса? Диффузионного насоса?

Чем отличаются вакуумные масла от обычных смазочных масел?

Что называется скоростью откачки насоса? Отчего она зависит?

Опишите принцип действия термопарного вакууметра.

Как получают сверхвысокий вакуум?

Литература

Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Школа, 1990, с.85.

Кортнев Т.В., Рублев Ю.В., Куценко А,Н, Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965, с. 172-184.


Определение коэффициента внутреннего трения жидкости