Эксперимент по определению реальной величины показателя адиабаты

[Петр Иванович]

Получил вчера один комментарий от некоего yakiniku, цитирую: "Экспериментальный факт, не опубликованный в специализорованном и рецензируемом журнале, не есть экспериметальный факт.
Вы ссылаетесь на эксперимент, сделанный немытыми руками и неизвестным в науке лицом, никем не повторенный и противоречаший многочисленным, тщательно выполненным и безусловно достоверным экспериментам. На данный момент это не экспериментальный факт."
Сегодня смотрю, все комментарии yakiniku, включая и этот, куда-то запропастились. Как будто корова языком слизала. То есть здесь на форуме принято вырубать топором (кнопкой Delete) ранее сказанные самим собой глупости? Не знаю, хорошо это или плохо, но приму как факт.
Однако слово - не воробей, вылетит - не поймаешь. Самое любопытное, что по поводу проведенных экспериментов обычно высказываются теоретики, у которых не только руки растут из жопы*, но и мозги набекрень.

*Если кто хочет мне сказать, что такого слова нет, позвольте напомнить анекдот.
Трёхлетняя внучка приходит домой: "Бабушка, сегодня в детском садике мы учились вытирать жопу"
Бабушка: "Внученька, нет такого слова - жопа"
Внучка: "Бабушка, я тебя не пойму. Как так? Жопа - есть а слова - нету?"

Так вот, чтобы заинтересовать местный народ своей статьёй "Физический смысл адиабатных процессов" (целиком доступна по ссылке http://yadisk.d/Zlrvc_yRIR1), размещу тут одну из глав, посвященную проведенному мной эксперименту.
Если у кого есть какие претензии по методике - высказывайтесь, не стесняйтесь. А лучше - проверьте, то есть повторите, если у кого руки растут не из ж... . А результаты потом сравним.
Цель эксперимента - определение реальной величины показателя адиабаты методом прямых измерений.
Итак:

Лет 25 назад я принимал участие в исследовании трубчатых дизель-молотов, предназначенных для погружения свай, и был немного удивлён тому, что характер изменения давления в рабочей камере существенно отличался от теоретической адиабаты Пуассона. Тогда я так и не смог найти логичного объяснения этому. С тех пор мне не удалось найти в открытой печати ни одного описания эксперимента по определению зависимости давления и температуры газа от занимаемого им объёма (или степени сжатия газа), хотя, как я полагаю, такие эксперименты не могли не проводиться. Возможно, результаты этих экспериментов не публиковались по причине существенного расхождения с теоретической адиабатой Пуассона из вполне понятного опасения экспериментаторов прослыть полными невеждами.
В российских вузах эксперименты по определению характера зависимости давления газа и температуры от занимаемого им объема при адиабатных процессах не проводят. Ограничиваются тем, что студентов на лабораторных работах обучают методу Клемана-Дезорма, который, как принято считать, легко и просто позволяет определять величину показателя адиабаты.
Поэтому я решил поставить опыт, позволяющий построить диаграмму зависимости давления газа от занимаемого им объёма, исходя из своих финансовых возможностей.
С этой целью в исправный пневмоцилиндр, используемый в пневмоприводах, поочерёдно устанавливался манометр или датчик (тензометрический преобразователь) давления. При быстром (менее десятой доли секунды) нажатии на поршень объём газа внутри полости уменьшался практически адиабатно. По величине хода поршня определялся объем, занимаемый газом, а с манометра или датчика давления снимались показания – визуально или посредством АЦП, установленным в компьютер.
При проведении экспериментов использовались пневмоцилиндры фирмы Festo (www.festo.com) DSW-40-50P и DSW-32-50P с ходом поршня – 50 мм и диаметром поршня, соответственно, 40 и 32 мм (см. фото 1) Максимальное разрешенное давление в цилиндре – 10 bar (примерно 10 атм.). Для цилиндра было изготовлено специальное приспособление (см. фото 1), позволяющее закрепить его и создавать давление на шток посредством винта, имеющего шаг резьбы 1 мм – чтобы можно было легко определять объем газа (степень сжатия) внутри полости цилиндра. Степень сжатия газа n определяется как отношение текущего объёма в замкнутой полости цилиндра к начальному объёму:
n=V/V₀    (4)


Фото 1 Пневмоцилиндр DSW-40-50P с установленным в нем преобразователем давления в специально изготовленном станке и мультиметр UT-30C с термодатчиком.*

*Примечание – температура, показанная UT-30C, действительно минус 1°С – только что эта «экспериментальная установка» была вытащена из холодильника, где находилась несколько часов, несмотря на мягкое недовольство жены. На корпусе пневмоцилиндра видна изморозь.

Продолжение следует

[Петр Иванович]

В качестве регистраторов величины давления газа использовался преобразователь давления Д2,5 № 330483 производства фирмы «Орлэкс» [6] (см. фото 2) и манометр ДМ-15-100-1-G от фирмы Мeter. (www.meter.ru, см. фото 2).


Фото 2 В пневмоцилиндр установлен манометр ДМ-15-100-1-G
Слева вверху виден преобразователь давления Д2,5 фирмы «Орлэкс».

Ход поршня определялся измерительной линейкой или штангенциркулем.
В самом начале проведения эксперимента довольно большой неожиданностью для меня была высокая скорость теплообмена газа внутри цилиндра с самим цилиндром. Так, при перемещении поршня винтом, я не мог добиться скорости движения поршня больше 3 мм/сек, которой, судя по получаемым результатам, явно не хватало для того, чтобы процессы сжатия и разряжения газа можно было считать адиабатными. Но нет худа без добра. Я решил «откалиброваться», то есть проверить работу всего оборудования на соответствие закону Бойля-Мариотта.
Для этой цели мной был собственноручно изготовлен и установлен в специально просверленное отверстие в полость цилиндра датчик температуры (см. фото 3). Датчик представляет собой измерительный мост из двух миниатюрных платиновых терморезисторов 700-102AAB-B00 производства фирмы Honeywell размером 2,1×2,3×0,9 мм с R0 =1000 Ом и временем отклика в воздухе 2,0 сек и двух специально подобранных постоянных резисторов с сопротивлениями 999 и 1000 Ом. Датчики 700-102AAB-B00 размещались внутри пневмоцилиндра, постоянные резисторы – снаружи.


Фото 3. Мостовой датчик температуры, изготовленный на основе
платиновых терморезисторов 700-102AAB-B00.

Я не строил никаких иллюзий по поводу возможности измерения температуры при адиабатных процессах. Очевидно, что даже у этих миниатюрных платиновых терморезисторов их теплоёмкость сопоставима с теплоёмкостью исследуемого объема газа. Но для качественного контроля температуры газа при проверке соответствия закону Бойля-Мариотта он подошёл в самый раз.
Эта проверка на соответствие закону Бойля-Мариотта проводилась в диапазоне абсолютных давлений от 0 до 8,5 атм. Она позволила:
- во-первых, проверить качество работы всего оборудования (соответствие величины давления закону Бойля-Мариотта при измерении манометром ДМ-15-100-1-G не превышало ±4%, преобразователем давления Д2,5 – ±1%).
- Во-вторых, уточнить полный объём газа внутри исследуемой полости цилиндра, изначально неверно мной определенный путём заполнения полости цилиндра водой и последующего измерения объёма этой воды.
В-третьих, убедиться в том, что газ не травит ни через места присоединения манометра и термодатчика, ни через уплотнение поршня.
В ходе проведения эксперимента неоднократно проводились различные дополнительные проверки оборудования. Например, на предмет обнаружения травления стыки обмазывались мыльной пеной (способ старых газопроводчиков), цилиндр оставлялся в сжатом состоянии на неделю (при этом давление не падало), полностью опускался в воду (пузырей не выходило) и т.д.

Показания с термодатчика и с преобразователя давления снимались измерительной станцией (см. фото 4) в составе:
- процессорной платы PCISA C400-R фирмы iEi на базе процессора Celeron-400 ULV, с Compact Flash на 4 Гб в качестве жесткого диска,
- платы АЦП PCI-9114A Rev.A2 HG (High Gain) от фирмы AdLink [5],
- объединительной платы IP-5SA,
- клавиатуры, мыши, монитора и высококачественного блока питания, 5В от которого использовались и для питания преобразователя давления и мостового датчика температуры (через постоянный резистор 8,2 кОм).


Фото 4. Измерительная станция с АЦП PCI-9114A-HG.

[Петр Иванович]

Повторюсь, что довольно неожиданным для меня явлением была высокая скорость теплообмена между газом и стенками цилиндра. Так, уже при скорости движения поршня 0,2…0,5 мм/сек процесс сжатия газа происходил практически изотермически, судя по тому, что колебания температуры не превышали 0,3% от её абсолютной величины, а измеренная величина давления газа находилась по отношению к закону Бойля-Мариотта в пределах точности измерения манометра.
Поэтому при определении соответствия величин давления занимаемому газом объёму при адиабатных процессах сжатия и разряжения я поступал следующим образом – резко нажимал на поршень с разной силой, используя свой вес, либо быстро вытаскивал шток, перемещая поршень в обратном направлении. При этом фиксировались величина перемещения поршня относительно исходного положения и предельная (максимальная или минимальная) величина давления газа. При использовании манометра величина давления фиксировалась на видео, при использовании преобразователя давления Д2,5 – 16-разрядным АЦП PCI-9114A. Максимальная частота дискретизации этого АЦП – 250 кГц. Для уменьшения флуктуаций отсчётов 100, 250 (иногда 1000) снятых при такой частоте показаний программно усреднялись. Такой подход обеспечивал качественную съёмку отсчётов с временным интервалом в 0,001 сек.
Подобный подход и аналогичное оборудование использовались мной при разработке одной из систем мониторинга напряженного состояния тоннеля метро между станциями «Площадь Мужества» и «Лесная» в Ленинграде, построенном фирмой Impregilo S.p.A.
Разумеется, существуют определенные претензии к чистоте проведения данного эксперимента, которые, однако, не ставят вопрос о достоверности его основных результатов. Воздух использовался не сухой, а при естественной влажности. Вероятно, при экспериментах с гелием, в цилиндре был не чистый гелий, а гелиево-воздушная смесь, получившаяся при нагнетании в полость цилиндра гелия из воздушного шарика. Кроме того, после долгих (1,5 года) экспериментов с охлаждением пневмоцилиндров в морозильной камере холодильника (-18°С) и кипячении в утятнице на газовой плите (+100°С и выше), уплотнение поршней начало потихоньку приходить в негодность.
Финансовые ограничения тоже отразились на точности эксперимента. Считаю, что более рационально было бы измерять перемещение штока цилиндра не штангенциркулем, а показания с прецизионного датчика линейных перемещений, к примеру, выпускаемых той же самой фирмой Honeywell (стоимость 12 000 – 18 000 руб) записывать на компьютер с АЦП.
Однако методика проведения эксперимента, позволяющая путём непосредственных измерений определить величину показателя адиабаты, значительно предпочтительнее метода Клемана-Дезорма или ещё более экзотических методов.
Например, на кафедре экспериментальной физики СПбГПУ родился новый, «резонансный» метод измерения показателя адиабаты воздуха, при котором показатель адиабаты вычисляется по неким собственным частотам колебаний поршня в трубке с якобы адиабатно сжимаемым воздухом. Неужели настолько сложно просто сжать в цилиндре газ, измерить при этом его давление и определить его объём?
Предвосхищая критику со стороны злопыхателей о качестве проведения эксперимента, хочу сказать следующее. По моему мнению, Гей-Люссак, экспериментально открывший два из трёх основных законов термодинамики, как истинный учёный, за весь комплект используемого мной оборудования продал бы душу Мефистофелю быстрее, чем это сделал доктор Фауст. Лично я бы, пожалуй, заложил бы свою душу за возможность поставить несколько из задуманных мной экспериментов в прекрасно оснащённой лаборатории.
Результаты эксперимента

При исследовании адиабатного сжатия и разряжения воздуха, находящегося в начале процесса при атмосферном давлении и температуры от -10°С до +40°С, показатель адиабаты, полученный путем аппроксимирования результатов, равнялся 1,29, (не выходя за рамки 1,27…1,31) существенно отличающийся от общепринятой величины 1,40 [4]. Для гелия при тех же условиях показатель адиабаты получился равным 1,32 (1,30…1,34), тогда как общепринятый равен 1,66 [4].

А это, кто понимает, ставит жирный крест на всей "современной" теоретической термодинамике.

Доклад закончил.

[yakiniku]

А это, кто понимает, ставит жирный крест на всей "современной" теоретической термодинамике.

Нет, это ставит крест на Вас, как на экспериментаторе. Самый надежный способ экспериментального измерения показателя адиабаты - это по скорости звука:
\[ \gamma=\frac{\rho C_s^2}P \]
где использованы стандартные обозначения для плотности, давления и скорости звука,     

[Петр Иванович]

Нет, это ставит крест на Вас, как на экспериментаторе. Самый надежный способ экспериментального измерения показателя адиабаты - это по скорости звука:
\[ \gamma=\frac{\rho C_s^2}P \]
где использованы стандартные обозначения для плотности, давления и скорости звука,      

Местный мудрец "yakiniku".
Всем адекватным людям давным-давно известно, что самый надёжный способ определения любой величины - это метод прямого измерения этой величины. Так, как поступали в свое время Бойль, Мариотт, Гей-Люссак, Шарль и многие другие...
Ваше мнение ничего в конечном итоге не меняет.
 

[inj]

Да, теперь я не сомневаюсь, что в самое ближайшее время падёт не только МКТ но и вся Физика, после натиска гениального ДИП. Вы посмотрите где взял гелий, для опровержения фундаментальных физических параметров и теории наш "физик":
 Вероятно, при экспериментах с гелием, в цилиндре был не чистый гелий, а гелиево-воздушная смесь, получившаяся при нагнетании в полость цилиндра гелия из воздушного шарика.
Я золотом запечатлел этот штрих, в истории низвержения МКТ. А какой он внимательный, догадался, что гелий был не чист, потому, как нагнетался он в цилиндр заполненный воздухом. Но это мелочь, при всем при том его результат это истина, которую академия должна принять незамедлительно.  Я вот ещё обратил внимание на источник чистого гелия, для опровержения академических экспериментов, оказыватца он из воздушного шарика, Баба Груня на вокзале продала, чистейший гелий.
Мне вспомнилось, недавно промелькнувшее сообщение в СМИ или по ящику(примерно в промежутке 3 недель) "Где-то произошло  возгорание ГЕЛИЯ , которым были накачаны воздушные шарики. Я подумал, мож это та же баба Груня, сделала сенсацию!
Уважаемый ДИП, вы уж заодно и химию опрокиньте, с помощью этого бабы Груниного Гелия!

[aid]

Да, теперь я не сомневаюсь, что в самое ближайшее время падёт не только МКТ но и вся Физика, после натиска гениального ДИП. Вы посмотрите где взял гелий, для опровержения фундаментальных физических параметров и теории наш "физик":
 Вероятно, при экспериментах с гелием, в цилиндре был не чистый гелий, а гелиево-воздушная смесь, получившаяся при нагнетании в полость цилиндра гелия из воздушного шарика.
Я золотом запечатлел этот штрих, в истории низвержения МКТ. А какой он внимательный, догадался, что гелий был не чист, потому, как нагнетался он в цилиндр заполненный воздухом. Но это мелочь, при всем при том его результат это истина, которую академия должна принять незамедлительно.

В кои-то веки я с Вами согласен.

[Петр Иванович]

Да, теперь я не сомневаюсь, что в самое ближайшее время падёт не только МКТ но и вся Физика, после натиска гениального ДИП. Вы посмотрите где взял гелий, для опровержения фундаментальных физических параметров и теории наш "физик":
 Вероятно, при экспериментах с гелием, в цилиндре был не чистый гелий, а гелиево-воздушная смесь, получившаяся при нагнетании в полость цилиндра гелия из воздушного шарика.
Я золотом запечатлел этот штрих, в истории низвержения МКТ.

И что Вас так смущает?
Что в этой газовой смеси было несколько процентов (не больше 5) воздуха?
---
Наверно, для Вас это странно, но вот гелий мне почему-то попался негорючий.

[Петр Иванович]

Вы посмотрите где взял гелий, для опровержения фундаментальных физических параметров и теории наш "физик":
...
Уважаемый ДИП, вы уж заодно и химию опрокиньте, с помощью этого бабы Груниного Гелия!

И, кстати, я - не Ваш. Потому что значительную часть своей жизни я организовывал и проводил исследования, ставил опыты и эксперименты.
И меня забавляют люди, у которых руки растут из задницы, которые сами ничего делать не умеют, но зато как замполит - открыл рот - начал работу, закрыл рот - рабочее место убрал.
---
Вообще-то для опровержения МКТ вполне достаточно лишь одного опыта с воздухом. Серия опытов с гелием просто блестяще подтвердила мои теорию.

[inj]

И, кстати, я - не Ваш.

Вот это кстати, и с эти  согласен. Вы оградили от такого приобретения, о котором думаешь, а для чего оно было нужно. Благодарю.

Потому что значительную часть своей жизни я организовывал и проводил исследования, ставил опыты и эксперименты.
И меня забавляют люди, у которых руки растут из задницы, которые сами ничего делать не умеют...

Потому, что вас забавляют люди, с руками растущими из задницы, осмелюсь предположить, что ваши произрастают не оттуда. Но вы знаете, и мне кажется это ещё более важным качеством,нужно, чтобы у субъекта и голова росла не из задницы.
Хотел найти ответ, на волнующий меня вопрос  в вашем тексте...не нашел. Головы у вас нет, как таковой, произрастающей ни из какого места.
Возможно от того, ваши руки, лишенные "головного" управления и хватаются за что ни попадя, и делают, не ведая что?  

[Петр Иванович]

Возможно от того, ваши руки, лишенные "головного" управления и хватаются за что ни попадя, и делают, не ведая что?  

Вам лучше знать

[Петр Иванович]

Наиболее близкое к идеально адиабатическому сжатие воздуха происходит в звуковой волне, поскольку при распространении звука воздух ни в фазе сжатия, ни в фазе разрежения не контактирует с твердыми стенками.  Теплообмен с такими стенками неизбежно оказывается существенным, и он делал бы сжатие воздуха неадиабатическим, к неприкрытому изумлению, извиняюсь, экскрементаторов:.

Тогда почему во всех вузах до сих пор изучают метод Клемана-Дезорма, причем там псевдоадиабатный процесс идет целых 1,5...2 секунды, за которые можно чёрта поджарить на сковородке?
---
Про звуковой метод, если не возражаете, поговорим чуть позже.

[Петр Иванович]

Поэтому наиболее надежное измерение показателя адиабаты, и оно же - наиболее прямое, это по измерению скорости звука. К тому же надо уж совершенно даже зачатки физики не знать, чтобы не допереть: от измерения не пойми чего грязными руками на убогих приборах никто не станет изменять всеми признанное значение показателя адиабаты \(\gamma\), что потребовало бы изменить и спокон веков известную скорость звука \(c_s=\sqrt{\frac{\gamma P}\rho}\). Последнее потребовало бы, помимо всего прочего, укорочения всех органных труб и переделки скрипок Страдивари. А наплевать, что они звучать перестанут - длина трубы органа это же четверть длины волны звука, и если ПИД предписал новую скорость звука, то и укоротить их все как положено.  

Наиболее прямое?
Давайте рассмотрим вывод этой Вашей формулы  \(c_s=\sqrt{\frac{\gamma P}\rho}\)
В какой учебник мне заглянуть?

[Петр Иванович]

Только, извиняюсь, я на этом подфоруме не буду ничего дискутировать, да и не вижу я у Вас повода для дискуссии.

Тогда что Вы тут делаете? Вышли блеснуть своими глубокими познаниями?

[Петр Иванович]

А Вы что тут делаете? Вышли блеснуть глубоким невежеством? Взялись мерять термодинамическую производную, про которую не знаете прописных истин, даже то, что она равна квадрату скорости звука. Да мне, в общем-то параллельно - меряйте, приставайте к людям с этим эпохальным открытием. Читать только уж совсем никто не будет.

Меня забавляет кривое мышление yakiniku.
Смысл в чем. Он меряет скорость звука. Потом, основываясь на неких теоретических предположениях, которые, прямо скажем, не совсем адекватны, выводит некое соответствие между скоростью звука и показателем адиабаты - и заявляте что это метод "прямых измерений". То есть человек, не имеющий не малейшего понятия об основных принципах экспериментальной работы, наглядно демонстрирует этим убогость своего мышления.
Впрочем, это для ортодоксального мышления - не исключение, а скорее - правило.