Характеристика Кемеровской области.
По дисциплине: Физика (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану) Тема: Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа.
Выполнил: студент гр. ЭРС-11-1 ___________ / Михайлов С. С./ (подпись) (Ф.И.О.)
ОЦЕНКА: _____________
Дата: __________________
ПРОВЕРИЛ:
Доцент: ____________ / Фицак В.В./ (подпись) (Ф.И.О.)
Санкт - Петербург
Цель работы – а) определить изменение температуры углекислого газа при протекании через малопроницаемую перегородку при разных начальных значениях давления и температуры; б) вычислить, по результатам опытов, коэффициенты Ван-дер-Ваальса "a" и "b". Явление, лежащее в основе эксперимента – Эффект Джоуля-Томсона Основные определения и понятия: Идеальный газ — газ, в котором взаимодействие между молекулами сводится к парным столкновениям, причём время межмолекулярного столкновения много меньше среднего времени между столкновениями. Идеальный газ является простейшим модельным объектом молекулярной физики. Уравнением состояния идеального газа является уравнение Менделеева-Клайперона. Реальный газ — газ, в котором учитывается взаимодействие между молекулами. Уравнение состояния реального газа часто строится методами теории возмущений, при этом отличие от уравнения состояния идеального газа описывается набором вириальных коэффициентов. Теплота - принципиально иная форма передачи энергии, чем работа, передача осуществляется при теплообмене. Теплообмен - микроскопическая, т.е неупорядоченная форма передачи энергии хаотически двигающими частицами. Направление передачи теплота определяется температурой. И теплота, и температура не являются свойствами системы. Передача теплоты или совершение работы осуществляется при взаимоотношении системы с внешней средой или другой системы. Условимся положительной считать теплоту, полученную системой от окружающей среды, а работу, произведенную системой. Закон: Первый закон термодинамики - изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами: ΔU = Q – A. Q = ΔU + A, где ΔU - изменение внутренней энергии Q - количество теплоты A - работа Схема установки
Схема установки для исследования эффекта Джоуля-Томсона в углекислом газе представлена на рисунке. Основным элементом установки является трубка 1 с пористой перегородкой 2, через которую пропускается исследуемый газ. Трубка сделана из материала, обладающего малой теплопроводностью. Пористая перегородка 2 расположена в конце трубки и представляет собой стеклянную пористую пробку с множеством узких и длинных каналов. Пористость и толщина пробки подобраны так, чтобы обеспечить оптимальный поток газа при перепаде давлений до 10 атм.; при этом в результате эффекта Джоуля-Томсона создается достаточная разность температур. Газ поступает в трубку из термостатистического объёма 8, в котором нагревается змеевик 9 до температуры воды в термостате. Температура воды измеряется термопарой 11 и отображается на индикаторе 7, разность температур до и после перегородки измеряется дифференциальной термопарой 4 и отображается на индикаторе 6. Газ поступает в систему из баллона 13 через редуктор 12, который позволяет регулировать давление газа в магистрали. Кран 10 позволяет перекрыть поток газа, давление контролируется манометром 11. ТЭН управляется с пульта 7. Пульт содержит задатчик температуры (в °С), переключатели "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Переключатель "НАГРЕВ" включает режим поддержания температуры воды внутри термостата равной заданной, при выключенном переключателе "НАГРЕВ" температура воды устанавливается равной комнатной. Индикацией включения нагрева является окрашивание в красный цвет изображения ТЭНа внутри термостата. Переключатель "ЦИРК" включает или выключает циркуляцию воды через водяную рубашку трубы 1. Индикацией включения циркуляции является вращение крыльчатки насоса внутри термостата. Расчетные формулы Коэффициент теплопроводности:
где , R – газовая постоянная постоянные a и b для углекислого газа, m - молярная масса газа;
Коэффициенты Ван-Дер-Ваальса:
Температура инверсии:
Критическая температура:
Таблица 1
График Погрешность прямых измерений: Термометр: Дифференциальный манометр: Дифференциальный термометр: Примеры вычислений:
Погрешности косвенных измерений:
Окончательный результат.
Вывод: В этой лабораторной работе произведены измерения и вычисления, в результате которых были рассчитаны коэффициенты Ван-дер-Ваальса «a» и «b». Полученные значения составили: 10.07 и -0,12.Например, для углекислого газа данные коэффициенты равны 0,36088 и 42,840, что в сотни раз отчается от полученных в данной работе результатов. Так как величина «b» рассчитана с большой погрешностью, расчёт критической температуры и температуры инверсии так же не удался, так как эти температуры зависят от коэффициент «b». Значит данный способ не позволяет измерить коэффициенты Ван-Дер-Ваальса.
Характеристика Кемеровской области. А) Кемеровская область расположена на юго-востоке Западной Сибири и находится почти на равном расстоянии от западных и восточных границ Российской Федерации. Кузбасс географически занимает срединное положение между Москвой и Владивостоком. Входит в шестой часовой пояс. Кемеровская область находится в умеренных широтах между 52°08' и 56°54' северной широты, и 84°33' и 89°28' восточной долготы, что соответствует широтам Челябинской, Московской, Калининградской и Камчатской областей в России; в Западной Европе - это соответствует таким городам и государствам, как Варшава, Берлин, Нижняя Саксония, Дания, Гаага, Уэльс и Ирландия. В современных границах область была образована 26 января 1943 года. Площадь области - 95,5 тыс. кв. км, что составляет 4% территории Западной Сибири и 0,56% территории России. По площади Кемеровская область - самая маленькая в Западной Сибири. Так, площадь Тюменской области составляет 1361,9 тыс., а Омской - 139,7 тыс. кв. км. В то же время область по площади значительно больше, чем любая из республик Закавказья или Балтии. Она превосходит по территории ряд стран Западной Европы (площадь Венгрии - 93 тыс. кв. км, площадь Португалии - 92тыс. кв. км, Австрии - 83,8 тыс., Ирландии - 70 тыс., Швейцарии - 41 тыс., Бельгии - 30,5 тыс. кв. км.). Административные границы Кемеровской области сухопутны. На севере она граничит с Томской областью, на востоке с Красноярским краем и республикой Хакассия. На юге границы проходят по главным хребтам Горной Шории и Салаирского кряжа с республикой Горный Алтай и Алтайским краем, на западе - по равнинной местности с Новосибирской областью. Протяженность Кемеровской области с севера на юг почти 500 км, с запада на восток - 300 км. Важной особенностью географического положения Кемеровской области является то, что она находится в глубине огромной части суши, вблизи центра материка Евразия, на стыке Западной и Восточной Сибири, значительно удалена от морей и океанов. Расстояние до ближайшего холодного северного моря -- Карского - почти 2000 км, до ближайшего теплого моря - Черного - более 4500 км. Б)Территория области расположена на стыке Западно-Сибирской равнины и гор Южной Сибири. Большая часть занята Кузнецкой котловиной, огромные угольные запасы которой определили второе название области - "Кузбасс". Рельеф Кузнецкой котловины в основном равнинный, хотя местами сюда простираются западные отроги Кузнецкого Алатау. Южнее города Белова рельеф Кузнецкой котловины очень неровный, хотя резких возвышенностей и значительных вершин здесь нет. Сказывается, надо полагать, влияние вековой эрозии, преимущественно водной, что выразилось в образовании углубленных долин и размыве холмов. Кузнецкая котловина местами сильно изрезана оврагами. Они большей частью примыкают к коренным берегам рек, куда стекают талые и паводковые воды с водосборной территории. В ряде мест рельеф котловины ровный, как стол, в частности, в западной части Ленинск-Кузнецкого, Промышленновского и Беловского районов. Своей северной частью котловина как бы вливается в широкие просторы Западно-Сибирской низменности. В отдаленном геологическом прошлом, когда Западносибирская низменность была покрыта морем, территория Кузнецкой котловины представляла его залив. В северной части области преобладает равнинный рельеф. Здесь в ряде мест, особенно по северо-восточным отрогам Алатау, горы обрываются тоже внезапно, и у подножия их начинается удивительно плоская равнина. Кузнецкий Алатау - самая большая горная система нашей области. Он состоит из собственно Кузнецкого Алатау и Абаканского кряжа, начинающегося несколько севернее Телецкого озера. Общая протяженность главного хребта в меридианальном направлении превышает 500 километров. Высота Алатау значительно меньше, по сравнению с Алтаем и Саянами. Самая высокая вершина - Амзас-таскыл (Верхний Зуб) - имеет 2178 метров над уровнем моря. По главному хребту и некоторым отрогам есть несколько десятков гранитных гор-гольцов высотою от 1500 до 2000 м с вечными (многолетними) снежниками на северных склонах, с участками горной тундры и альпийской растительности. В горах, особенно по главному хребту и на ближних к нему отрогах, сохранились обширные леса, преимущественно темнохвойные, но теперь здесь уже имеются большие массивы и лиственных. В отдельных местах над синью горной тайги поднимаются, как острова, вершины-гольцы с высокогорными ландшафтами и снежниками. Можно проследить целую цепь этих вершин: Небесные Зубья (2178), Большой Каным (1870), Большой Таскыл (1448), Церковная (1450), Чемодан (1858), Крестовая (1648), Бобровая (1673), Пух-таскыл (1818), Челбак-таскыл, Медвежий голец, Сундук, Кугу-ту, Белая и др. Больше всего высоких вершин-гольцов сосредоточено в центральной части горной системы, в районе между 88°-89° восточной долготы и 55°-53° северной широты. Эта самая высокая часть Кузнецкого Алатау известна под местным названием Белогорья. Севернее Большого Таскыла горы понижаются. По главному хребту они имеют высоту уже ниже 1000 метров. В северной части горная система приобретает веерообразный вид и переходит в гряды холмов, тянущихся до Транссибирской железнодорожной магистрали. Горные вершины в Алатау имеют разные формы. Наиболее распространенным, можно сказать классическим, является купол с небольшими террасами и гладкой верхушкой. Это обычно гранит, отполированный ветрами, а с заветренной стороны покрытый накипными лишайниками. Таковы куполы на Большом Таскыле. У других вершина уже выровнялась, превратилась в площадку, покрытую сравнительно некрупными обломками горных пород. Подобная картина наблюдается на Большом Калыме и Мустаге. Вершины иных гольцов превратились в груду крупных глыб, как на Алатаге и соседней с Большим Таскылом горе. Здесь огромные глыбы гранита смахивают на руины крепости или циклопические постройки. А на Церковной ветер за тысячелетия так обработал одну вершину, что она приобрела форму гранитного столба, напоминающего колокольню (отсюда и название горы). В Алатау много горных каровых озер снежно-ледникового происхождения, фирновых снежников, горных болот. Вот почему много там рек, речек, родников, ручьев. Левобережные притоки Чулыма, Томь и все ее правобережные притоки, а в верхнем течении и некоторые левобережные, берут начало в Кузнецком Алатау. Кузнецкий Алатау - не только водораздел речных систем Томи и Чулыма, Оби и Енисея, это и резервуар, питающий эти реки. Отдельные массивы, как Амзас- таскыл, Большой Каным, Чемодан и другие, являются колыбелью нескольких рек, текущих с этих вершин в разных направлениях. Салаирский кряж - древние горы, ограничивающие Кузнецкую котловину с запада. Протяженность их с юга на север около 300 километров, ширина 15-40 километров. Кряж сильно сглажен, средняя высота его несколько меньше 400 метров от уровня моря. Наиболее значительные из них Кивда (618), Барсук (566), Гусек (589), Тягун (562), Мохнатая (555), Синюха (536), Копна (509) и другие. Если взглянуть с большой высоты, кряж похож на зеленый остров, приподнятый с одной стороны над Кузнецкой котловиной, с другой - над Обской равниной. Кряж начинается в верховьях Нени, правого притока Вии, и Антропа, левобережного притока Кондомы, заканчивается же Буготакскими сопками в Новосибирской области с высшей отметкой 379 метров. Направление главного хребта Салаира почти параллельно Кузнецкому Алатау. В северной части он принимает также северо-северозападное направление, как и Алатау. В значительной своей части, особенно в отрогах, предгорьях, кряж сильно сглажен, возвышенности больше похожи на невысокие холмы и увалы, к тому же и распаханные. Главный хребет и отроги наиболее ярко выражены в центральной части кряжа. Есть интересная особенность Салаирского кряжа: его северо-восточный склон в отдельных местах резко, подобно стене, поднимается над равниной. Так, между селениями Беково и Рождественское на многие километры тянется высокая, в ряде пунктов резко обрывистая, гряда Тырган ("гора ветров"). Ее можно видеть, проезжая Белово. А у Прокопьевска она выглядит еще более рельефно. Подобная же гряда начинается у Гурьевска и тянется в северо-западном направлении к селениям Урок, Горскино. Это явление считается следствием геологически молодых (четвертичного времени) движений земной коры. Салаирский кряж невысок и не имеет снежников и горных озер, с него берет начало несколько рек, текущих на восток - в Иню и на запад - в Бердь и Чумыш. Да и сам Чумыш начинается на Салаире. Едва ли не все водотоки здесь родникового происхождения. Горная Шория занимает южную часть Кемеровской области, где сходятся в сложный узел хребты Северо-Восточного Алтая, Кузнецкого Алатау и Салаирского Кряжа. Горный массив Горной Шории вытянулся с севера на юг на 170 километров, с запада на восток - на 100 километров и составляет 13,5 тысячи квадратных километров (14,1% всей территории Кемеровской области). В рельефе Горной Шории наблюдается сочетание северных отрогов Алтая и юго-западных отрогов Абаканского кряжа. Пейзаж южной половины Горной Шории так же красив, как и Кузнецкого Алатау. Над морем хвойной тайги поднимаются убеленные снежниками горные группы Мустага (Ледяной горы) с наибольшей высотой над уровнем моря 1570 метров и Патына (1596), а на границе с Алтаем - Улутага (1411 м), Кубеза (1554 м). Бурные реки прорезали глубокие русла - ущелья в межгорьях и украсили берега живописными скалами. Северная часть Шории представляет возвышенное плато, расчлененное глубокими руслами множества рек и речек. В этой части Горной Шории есть также хорошо выраженные вершины: Улутаг (706) и небольшая, но получившая широкую известность Темиртау ("железная гора"), с которой соседствует Одрабаш. Едва ли где еще в Горной Шории встретишь такой сюрприз природы, хотя Шория и славится разнообразием, неожиданными природными броскими красотами. Устремившись ввысь, гордо стоит пик "Дворцов". Словно какие-то сказочные великаны потрудились здесь: аккуратно, одну на другую уложили громадные плиты, создав надежную защиту для скал-собратьев от злых метелей и ветров, сделав "Дворцы" неприступными. Но человека всегда влечет "неприступное". Так и здесь. На самой вершине надписи, надписи, навечно выдолбленные в камне, фамилии тех, кто побывал здесь, даты. Некоторые из дат уходят в далекое прошлое, являются ровесницами прииска Спасска. А ему уже более 140 лет! Слева, далеко-далеко в синеватой дымке, высится Абаканский хребет, справа - Бийская грива. А прямо, на территории Шории, на юге ее, чернотой отливает гора Кайбынь, что в переводе с шорского значит Медная гора. С "Дворцов" хорошо видна и еще одна из наиболее высоких гор Шории - Шаныш-Таг, или Черная гора. Впрочем, разнохарактерных вершин, больших и малых, с интересными шорскими именами и до сих пор безымянных, с голыми каменистыми макушками или спрятанными в таежных чащобах, здесь великое множество. "Дворцы" неповторимы. Сколько раз ни приходил бы к ним, - они всегда встречают тебя по-новому. В ясную погоду "Дворцы" сверкают на солнце, отражая ослепительные блики. Только в пещерах, которых на "Дворцах" несколько, стоит глубокая тишина, мрак, и ни единый лучик не проникает сюда. А когда небо заволакивают тучи, "Дворцы" выглядят по-иному. Пик то наденет лохматую шапку, то прорвет тучу и взметнется ввысь, то весь нарядится в голубовато-серебристое облачное платье, напоминая красавицу великаншу. В ветреную погоду лучше быть подальше от "Дворцов". Под резкими порывами ветра пик начинает медленно-медленно раскачиваться, маленькая сосенка, которая каким-то чудом укрепилась на камне, низко склоняется от порывов ветра, мелкие камни катятся вниз, подхватывая по пути более крупные, увлекая их за собой... Эта гранитная семья доступна лишь с севера. Южная часть "Дворцов" практически неприступна: никому еще не удалось преодолеть отвесную гладкую скалу высотой метров полтораста. С запада и востока на "Дворцы" также невозможно попасть без специальных средств. С этих сторон гора покрыта густым пихтачом и кедром, которые вплотную подходят к "Дворцам". На "Дворцах" происходит резкое колебание температуры. Если днем в ясную летнюю погоду здесь очень жарко, то ночью - по-настоящему холодно. Снизу теплый воздух поднимается к скалам, образуются ветровые вихри в расщелинах, они создают звук, напоминающий заунывный далекий вой собаки. С вершины "Дворцов" хорошо видны "Петушки" - скалы, расположенные западнее. Свое название они получили за сходство с петушиным гребнем. Создается впечатление, что до них рукой подать, хотя на самом деле потребуется не менее двух-трех часов, чтобы туда дойти. Путь к "Петушкам", пожалуй, даже сложней, чем к "Дворцам". Спасские "Дворцы", как и их собратья "Петушки", - хорошая школа не только для туристов, но и для начинающих альпинистов. Кстати, для последних мест для тренировок поблизости более чем достаточно: начинайте здесь, в Горной Шории, а потом, набравшись опыта, можете отправляться на штурм и более величественных вершин Кузнецкого Алатау. А для любителей походов поскромнее в окрестностях города Таштагола и поселка Спасска раздолье всюду, для ягодников и грибников, для рыболовов и охотников мест здесь не занимать. Современный рельеф Горной Шории образовался в результате длительного разрушения пород и постепенного поднятия всей ее территории. Главное влияние на выработку форм рельефа оказали текучие воды во взаимодействии с колебаниями температуры, химическими и физическими процессами выветривания, воздействием растительного покрова. Горы Шории сложены метаморфическими породами, прорванными интрузиями гранитов, сиенитов, с которыми связаны железорудные месторождения этого района. Таким образом, в географическом районе Кемеровской области имеются самые разнообразные формы рельефа, оказывающие определенное влияние на другие элементы физико-географической среды. В) Климат. Климат Кемеровской области формируется под большим влиянием континента, огромные пространства которого отделяют его от теплых морей и океанов. Тем не менее, сюда проникают воздушные массы с Атлантики, так что ее увлажнение почти целиком зависит от влаги, приносимой с запада. Большую роль в формировании климата всей Западной Сибири играют ее защищенность с запада и востока хребтами и возвышенностями и отсутствие такой защищенности с севера и юга. Это способствует свободному воздухообмену и осуществлению меридиональной циркуляции, которая вносит наиболее существенные нарушения в распределение давления и вызывает особенно резкие повышения или понижения температуры. В течение значительной части года (с сентября по апрель) Западная Сибирь находится под воздействием области высокого давления, а точнее под воздействием западного отрога азиатского максимума давления, проходящего в среднем под 50° с.ш. Кемеровская же область по местоположению ближе всего к центру этого антициклона, что сказывается на направлении господствующих ветров южного и юго-западного направлений, несущих холод и сухость. Антициклон отгораживает территорию района от Атлантического океана, в результате только летом сюда проникают морские воздушные массы со стороны Атлантики и то в трансформированном виде. Климат области характеризуется резкой континентальностью, большой изменчивостью погоды, суровой зимой с устойчивыми низкими отрицательными температурами воздуха, частыми ветрами значительных скоростей, активной ветрометелевой деятельностью, снегозаносами, интенсивной солнечной радиацией в оба сезона года и сравнительно жарким летом. Самый длительный и определяющий период года — зима. Она продолжается 5—5,5 мес. и по погодным условиям делится на три периода. Первый (ноябрь и половина декабря) характерен неустойчивой погодой со снегопадами, ветрами, кратковременными потеплениями. В это время осадков выпадает больше половины зимней нормы. Во второй период (с половины декабря до половины февраля) устанавливается холодная малооблачная погода с юго-западными ветрами, и третий — продолжается с половины февраля до начала апреля и очень напоминает первый, в это время отмечается гораздо больше солнечных дней. Погода зимнего периода резко разнится по годам. Весна устанавливается в начале апреля, когда наблюдается большой приток теплых воздушных масс с юга и интенсивный рост солнечной радиации. В это время преобладает ясная сухая, но ветреная погода. Во второй период весны (май и часть июня) бывают частые возвраты холодов и поздние заморозки, резкие колебания погодных условий. Волны холода наиболее вероятны во второй половине мая, точно так же, как в это время наиболее вероятны и температуры воздуха до +30° и выше, суховеи и пыльные бури. Как правило, весенний период кратковременный по сравнению с европейской территорией Союза. Лето недолгое, но зато погода устойчива и мало отклоняется от среднемноголетних норм. Оно устанавливается в первой декаде июня, когда отмечается ясная малооблачная со слабыми ветрами и с высокой температурой погода. Жаркая погода июля характерна большим количеством осадков в виде ливневых дождей и гроз. Длительное ненастье нетипично. Дожди могут быть каждый день, но быстро проходят и сменяются солнечной тихой погодой. После знойного дня обычно наступает прохладный вечер; ночью выпадает роса, а в конце августа — иней. В августе ночью, особенно в низких местах возможны заморозки, хотя дневные температуры могут при этом быть достаточно высокими. Осень, как и весна, кратковременна. Уже в конце августа — начале сентября идет быстрое падение температуры, которое резко усиливается при переходе октября к ноябрю. В сентябре еще сравнительно высокие температуры воздуха и ясная солнечная погода, хотя и отмечаются постоянные ночные заморозки. Во второй, нередко и в третьей декаде сентября наблюдаются возвраты тепла, называемые «бабьим летом». Это самое лучшее время осени: от нескольких дней до двух и более недель стоит тихая ясная и теплая погода. Однако «бабье лето» быстро сменяется пасмурными, дождливыми и ветреными днями. В октябре температура воздуха понижается, осадки начинают выпадать в виде крупы и снега, а в начале ноября уже образуется устойчивый снежный покров; начинается зима. Среднегодовая температура составляет от +1,2° (Подкатунь-Грива) до —1,4 (Усть-Кабырза). Средняя температура января колеблется от —17 (Есаулка) до —19,5° (Крапивино, Междуреченск). Морозы могут достигать —45 (Подкатунь-Грива) и —57° (Крапивино). Расчетная температура самой холодной пятидневки от —35 (Центральный Рудник) до —42° (Усть-Кабырза). Средняя температура июля составляет от +16,2 (Шимзес, Темиртау) до 19,5° (Кузнецк). Летний максимум температуры воздуха равен от +35 (Междуреченск, Кузедеево, Подкатунь-Грива, Темиртау) до 38° (Кемерово, Крапивино, Кольчугино, Киселевск, Новокузнецк и др.). Средняя продолжительность безморозного периода колеблется от 93 (Амзас) до 128 дней (Есаулка, Подкатунь-Грива), а максимальная продолжительность— от 116 (Амзас) до 158 дней (Новокузнецк). Годовая сумма осадков на равнине 400—600 мм, в горах — от 600 до 1000 мм и более. Основная их масса выпадает летом (жидкие осадки). Средняя из наибольших высот снежного покрова колеблется от 16 (Тисуль) до 115 см (Кондома) и более. Среднемесячные скорости ветра не превышают 5—6 м/с, а годовые от 1,4 (Усть-Кабырза) до 4,9 м/с (Ижморск). В соответствии с климатическим районированием территории РФ для строительства Кемеровская область входит в 1-й климатический район (подрайон 1в), где природно-климатические факторы, определяющие общность типологических требований к зданиям и сооружениям, следующие: суровая и длительная зима, обусловливающая максимальную теплозащиту зданий и сооружений; большие объемы снегопереноса на отдельных территориях; необходимая защита зданий и сооружений от продувания сильными ветрами; большая продолжительность отопительного периода; низкие средние температуры наиболее холодных пятидневок и однодневок. Зимняя дискомфортность климата находит отражение в данных по заболеваемости населения Западной Сибири. Гипотермии и местные холодовые травмы представляют здесь типичную географическую патологию. По данным, заболеваемость, связанная с климатическими условиями внешней среды (бронхопневмония, бронхит острый, нефрит острый, круппозная пневмония, воспаление среднего уха и мастоидит, а также растяжение и разрывы связок суставов и прилегающих мышц, травмы головы), составляет 118—203% от аналогичных данных Центрального района европейской части РФ.
|