Программный лабораторный комплекс общей физики: раздел "Термодинамика"

Программный продукт предназначен для имитационного выполнения лабораторных работ по основным разделам термодинамики: внутренняя энергия, законы газов, перенос тепла, тепловое расширение, термодинамические циклы. В состав программного комплекса входят 13 имитационных лабораторных работ:

 

  1. Внутренняя энергия и механическая работа
  2. Внутренняя энергия и работа электрического тока
  3. Закон Бойля-Мариотта
  4. Закон Гей-Люссака
  5. Показатель адиабаты воздуха
  6. Реальные газы и точка фазового перехода
  7. Куб Лесли
  8. Теплопроводность
  9. Тепловое расширение твердых тел
  10. Аномалия воды
  11. Двигатель Стирлинга модели D
  12. Двигатель Стирлинга модели G
  13. Тепловые насосы

 

Лабораторные установки выполнены в соответствии с их реальными аналогами. Каждая лабораторная работа включает краткие методические указания и справочные сведения, необходимые для обработки экспериментальных данных.

  

Виртуальный лабораторный практикум реализован в виде комплекса кроссплатформенных графических приложений, поставляемых под различные операционные системы: Microsoft Windows, Linux, MacOS, iOS, Android. По желанию заказчика возможна браузерная реализация программных продуктов на основе технологии HTML5. Графическая составляющая программного обеспечения использует программный интерфейс и компонентную базу OpenGL. Язык интерфейса программ: русский/английский.

Минимальные системные требования:

  • процессор: Intel/AMD, не менее 1,6 ГГц;
  • ОЗУ: не менее 1 Гб;
  • видеопамять: не менее 512 Мб;
  • разрешение экрана: не менее 1024x768x32;
  • ОС: Microsoft Windows, Linux, MacOS, iOS, Android;
  • поддержка OpenGL версии 2.0;
  • стандартная клавиатура и компьютерная мышь с колесом прокрутки;
  • средства воспроизведения звука (аудиоколонки или наушники).

Примечания:

 

В операционных системах Windows 7 и выше программу необходимо запускать от имени администратора! Настроить запуск от имени администратора Вы можете в свойствах ярлыка программы.

 

При работе с веб-версиями программного продукта рекомендуется использовать веб-браузер Microsoft Edge, входящий в состав операционной системы Win10.

 

Программный продукт может поставляться с установкой на одно рабочее место (пользовательская лицензия с выдачей регистрационных ключей) и с установкой на неограниченное количество рабочих мест (корпоративная лицензия на организацию).


1. Внутренняя энергия и механическая работа

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Проверка первого закона термодинамики. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Исследуется увеличение внутренней энергии металлического тела под действием трения. Данное увеличение можно наблюдать, измеряя повышение температуры тела, которое пропорционально совершенной работе при отсутствии изменения агрегатного состояния тела и каких-либо химических реакций. Чтобы в максимально возможной степени исключить теплообмен между металлическим телом и окружающей средой, серия измерений начинается при температуре несколько ниже комнатной, а заканчивается при температуре несколько выше комнатной. Разница между температурами ниже и выше комнатной до начала измерений и в момент их завершения и собственно комнатной температурой должна быть примерно одинакова.


2. Внутренняя энергия и работа электрического тока

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Увеличение внутренней энергии тела за счет работы электрического тока. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: В этом опыте исследуется, как внутреннюю энергию медного и алюминиевого калориметров можно увеличить за счет работы электрического тока. Если агрегатное состояние не меняется и не протекает никаких химических реакций, можно определить увеличение внутренней энергии по повышению температуры, которому она пропорциональна. Чтобы предотвратить передачу тепла от калориметров в окружающую среду, серию измерений следует начать при температуре несколько ниже температуры окружающей среды, а закончить при температуре, которая лишь немного выше температуры окружающей среды.


3. Закон Бойля-Мариотта

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Измерение параметров воздуха как идеального газа при комнатной температуре. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: В этом опыте проверяется закон Бойля-Мариотта для идеальных газов при комнатной температуре, при этом в качестве идеального газа берется воздух. Объем цилиндрического сосуда изменяется за счет движения поршня, одновременно осуществляется измерение давления находящегося в нем воздуха.


4. Закон Гей-Люссака

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Подтверждение линейной зависимости между давлением и температурой идеального газа. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Действенность закона Гей-Люссака для идеального газа демонстрируется с использованием обычного воздуха. Чтобы продемонстрировать это, порция замкнутого в полой металлической сфере воздуха нагревается в водяной бане при одновременном измерении температуры и давления.


5. Показатель адиабаты воздуха

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Определение показателя адиабаты Cp/Cv для воздуха методом Рейхардта. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: В этом опыте алюминиевый поршень внутри изготовленной с высокой точностью стеклянной трубки, выходящей вертикально из верхней части стеклянного сосуда, совершает простое гармоническое колебательное движение на воздушной подушке, образованной воздухом, который находится в трубке. По периоду колебаний поршня можно рассчитать показатель адиабаты воздуха.


6. Реальные газы и точка фазового перехода

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Количественный анализ реального газа и определение его точки фазового перехода. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Точка фазового перехода реального газа характеризуется критической температурой, критическим давлением и критической плотностью. Ниже критической температуры вещество находится в газообразном состоянии при больших объемах и в жидком состоянии при маленьких объемах. При промежуточных объемах оно может существовать как смесь жидкости и газа, в которой изменение объема в изотермических условиях вызывает изменение агрегатного состояния: газообразная фракция увеличивается с увеличением объема, а давление смеси остается постоянным. Поскольку жидкость и пары имеют разные плотности, они разделяются в поле тяготения. По мере повышения температуры плотность жидкости уменьшается, а плотность газа возрастает, пока эти две плотности не станут равными одному и тому же значению критической плотности. Выше критической температуры газ невозможно перевести в жидкое состояние. Однако в изотермических условиях газ не подчиняется закону Бойля-Мариотта, пока его температура не поднялась значительно выше критической температуры.


7. Куб Лесли

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Измерение тепла, излучаемого кубом Лесли. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Излучение тепла телом зависит от его температуры и характера его поверхности. Точнее говоря, в соответствии с законом Кирхгофа, отношение излучающей и поглощающей способности одинаково для всех тел при данной температуре и соответствует излучающей способности черного тела при этой температуре. В этом опыте мы будем нагревать наполненный водой куб Лесли до температуры 100°C и определять интенсивность излучения путем косвенного измерения с помощью термоэлектрического элемента Молля.


8. Теплопроводность

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Измерение теплопроводности в металлических стержнях. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Теплопроводность предполагает перенос тепла из более горячей части тела в более холодную область посредством взаимодействия между соседними атомами или молекулами, при этом сами атомы остаются на своих местах. В цилиндрическом металлическом стержне, на концах которого поддерживаются разные температуры, через некоторое время возникает перепад температуры по его длине. Температура уменьшается равномерно от теплого конца к холодному, и в стержне возникает постоянный поток тепла. Характер перехода от динамического состояния к установившемуся состоянию наблюдается посредством многократных измерений с целью определения температур в различных точках. Металлические стержни нагреваются электрическим способом так, что поток тепла в установившемся состоянии можно определить по подаваемой электрической мощности.


9. Тепловое расширение твердых тел

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Определение коэффициентов расширения латуни, стали и стекла. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Как правило, твердые тела при нагревании расширяются в большей или меньшей степени. В этом опыте горячая вода протекает по трубкам, сделанным из латуни, стали и стекла. Увеличение их длин измеряется с помощью прибора с круговой шкалой. Затем рассчитываются коэффициенты линейного расширения трех указанных материалов по изменению их длин.


10. Аномалия воды

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Определение температуры, при которой вода достигает своей максимальной плотности. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Вода, в отличие от большинства других веществ, при повышении температур примерно до 4°C сначала сжимается и начинает расширяться только при более высоких температурах. Поскольку плотность обратно пропорциональна объему, вода достигает своей максимальной плотности при температуре примерно 4°C.


11. Двигатель Стирлинга модели D

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Приведение в действие функциональной модели двигателя Стирлинга в качестве тепловой машины. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Калорический двигатель является классическим примером тепловой машины. В ходе термодинамического цикла тепловая энергия поступает из резервуара высокой температуры, а затем частично превращается в используемую механическую энергию. Оставшаяся тепловая энергия после этого передается в резервуар при меньшей температуре.


12. Двигатель Стирлинга модели G

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Демонстрация работы двигателя Стирлинга гамма-модификации как теплового двигателя, теплового насоса и холодильной машины. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Циклические процессы в термодинамике можно представить графически в виде замкнутой кривой на p-V-диаграмме. Площадь, ограниченная этой кривой, соответствует механической работе, отбираемой из системы. Или же можно определить механическую мощность, связанную с полным циклом, а затем рассчитать механическую работу по ней, то есть взять интеграл по времени. Это будет исследовано в ходе опыта с использованием двигателя Стирлинга гамма-типа.


13. Тепловые насосы

ЦЕЛЬ ОПЫТА: Запись и анализ диаграммы «давление-энтальпия» компрессорного теплового насоса. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: Электроприводной компрессорный тепловой насос состоит из компрессора с электроприводом, конденсационного аппарата, расширительного клапана и испарителя. Его работа основывается на циклическом процессе с фазовым переходом, который претерпевает рабочее тело в насосе; в идеале этот процесс можно разделить на четыре этапа, а именно сжатие, сжижение, сброс давления и испарение. Теоретический коэффициент полезного действия идеального циклического процесса можно рассчитать исходя из значений удельной энтальпии h1, h2 и h3, снимаемых по диаграмме Молье. Определение энтальпий h2 и h3 идеального циклического процесса и количества тепла, поступающего в резервуар горячей воды за интервал времени Δt, дает возможность оценить массовый поток рабочего тела.


Видеодемонстрация программного комплекса:


Настольные версии приложения:

Shareware-версия программного продукта (пользовательская лицензия):

Download
Установочный дистрибутив (ОС Microsoft Windows)
Thermo_Shareware_Setup.zip
Compressed Archive in ZIP Format 38.4 MB

Мобильные версии приложения:

Полная платная версия (ОС Android):


Бесплатная версия (ОС Android):