Determinação da Constante Adiabática do Ar

Descrição da experiência

Este laboratório permite determinar a razão entre os calores específicos do ar, a pressão constante e a volume constante, usando para o efeito as oscilações adiabáticas dum êmbolo num cilindro de dimensões conhecidas.

Ligações

• Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/gamma.sdp
• Laboratório: Avançado em e-lab.ist.eu[1]
• Sala de controlo: Cp/Cv
• Nivel: ****

Aparato experimental

Esta experiência é constituida por uma seringa de vidro com 20 ml de volume cujo êmbolo está lubrificado com grafite. O êmbolo é posicionado num volume inicial de referência após o qual uma válvula isola esse volume do exterior.

Um motor de passo permite efectuar a operação de seleção do volume e também provocar uma pequena oscilação inicial que origina a oscilação amortecida do êmbolo. Antes da válvula está instalado um transdutor de pressão absoluta e um microfone de eletreto que permitem determinar respetivamente a pressão absoluta no interior da seringa e o período das oscilações.

Protocolo

O método de Ruchhardt para determinar a razão entre o calor especifico a pressão constante e o calor específico a volume constante dum gás é bastante preciso, mas tem uma elevada sensibilidade à medida do período das oscilações (ou seja, um pequeno erro na medição do período dará origem a um grande erro no resultado). Devido a esse facto recomenda-se desde já um grande cuidado na determinação do período, sendo para tal utilizados dois métodos: a forma da onda captada pelo transdutor de pressão e o período médio determinado digitalmente. Estes dados devem ser utilizados de uma forma crítica, explorando ao máximo a informação que fornecem. A experiência é constituída por uma seringa, cujo êmbolo tem atrito reduzido por estar lubrificado com grafite e pelo facto da montagem estar colocada numa posição vertical. Seleccionado um volume de referência, o êmbolo de 26,4 gr. e 18.9 mm de diâmetro é perturbado por forma a oscilar livremente em torno da sua posição de equilibrio.

Do período de oscilação pode ser inferido $\gamma$.

Protocolo Avançado

Efectuando a experiência para vários volumes, pode-se ajustar a melhor função utilizando mais do que um parâmetro. Utilizando como variáveis livres não só g mas também o volume e a pressão, poder-se-á melhorar a precisão da medida, uma vez que a pressão atmosférica pode ter variações da ordem de 1% e porque a medida do volume tem um erro sistemático devido às várias conexões externas à seringa. Note-se que a massa do pistão e o seu diâmetro foram medidos com uma precisão de 0,5%.

Análise de Dados

Ao se usar Fitteia, pode fazer-se o ajuste de uma função com determinados parâmetros aos dados experimentais. Este ficheiro é um exemplo de um ajuste para esta experiência (clicar com o botão direito no link e selecionar "Guardar Como").

Princípios Teóricos

O método de Ruchhardt permite determinar experimentalmente a razão entre o calor especifico a pressão constante e o calor específico a volume constante dum gás. Se este gás for atmosférico (maioritariamente diatómico) então essa relação deve ser próxima de 1,4.

Método de Ruchhardt

Se considerarmos um êmbolo sem atrito a oscilar livremente num cilindro de volume $V_0$, à pressão $p$, então a força exercida no mesmo ( $m \ddot{y}$ ) corresponde à gravidade ( $mg$ ) menos a variação de pressão que se exerce na área do êmbolo ( $A \Delta p$ ).

$$-mg+A \Delta p = m \ddot{y}$$

Ora a variação de pressão para pequenas variações de volume é dada por:

$$\Delta p = \frac{\partial p}{\partial V} | _{V = V_0}\Delta V$$

e se considerarmos o fenómeno suficientemente rápido não ocorrerão trocas de calor (fenómeno adiabático)

$$pV^{\gamma} = p_0 V_0 ^{\gamma}, \quad p = \frac{ p_0 V_0 ^{\gamma} }{ V^{\gamma} }$$

Das equações acima vem que:

$$\frac{\partial p}{\partial V} | _{V = V_0} = - \gamma \frac{ p_0 V_0 ^{\gamma} }{ V^{\gamma +1} } | _{V = V_0} = - \gamma \frac{p_0}{V_0}$$

e

$$-mg+ A (- \gamma \frac{p_0}{V_0} \Delta V) = m \ddot{y} , \text{ onde } \Delta V = Ay$$

pelo que, simplificando,

$$\ddot{y} + \gamma \frac{p_0 A^2}{m V_0} y+g = 0$$

Seja

$$\gamma \frac{p_0 A^2}{m V_0} = \omega ^2, \text{ de modo que } \ddot{y} + \omega ^2 y + g = 0$$

Alterando a coordenada de origem para a posição de equilíbrio do êmbolo, facilmente se identifica esta equação com a equação do movimento dum oscilador harmónico sem atrito

$$\ddot{y}' + \omega ^2 y' = 0 \text{ com } y = y' - \frac{g}{\omega ^2} \text{ e } \omega ^2 = (\frac{2 \pi}{T})^2 = \gamma \frac{p_0 A^2}{m V_0}$$

Medindo o período de oscilação, T, determina-se $\gamma$

$$\gamma = \frac{4mV_0}{p_0 r^4 T^2}$$

onde r é o raio do cilindro.

Ligações

• Versão em Inglês (English Version)