Материал: Шилов Лабораторный практикум курса обсчей физики Разделы 2012
4. Медленно и осторожно вращайте рукоятку регулировочного вентиля 3 по часовой стрелке, следя за показаниями манометра 8. При этом вентиль 3 начнет открываться и исследуемый газ потечет из баллона в установку. Когда давление на входе в стеклянный цилиндр (т.е. показание манометра 8) достигнет значения 0,1 бар, прекратите вращение рукоятки. Выждите 1–1,5 мин, пока значение разности температур не перестанет изменяться, после чего запишите значения давления и разности температур в соответствующие ячейки табл. 2.15.2.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.15.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р, бар |
|
0,1 |
|
0,2 |
|
0,3 |
|
0,4 |
|||||
Т, °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение табл. 2.15.2 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Р, бар |
|
0,5 |
|
0,6 |
|
0,7 |
|
||||
|
|
Т, °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.Выполните операции по п. 4 для давлений 0,2; 0,3 бар и т.д. до 0,7 бар. Результаты записывайте в табл. 2.15.2.
6.Закройте регулировочный вентиль 3 (вращением его рукоятки против часовой стрелки до исчезновения сопротивления) и вентиль редуктора 2 (вращением его рукоятки по часовой стрелке до упора).
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1.По данным табл. 2.15.2 постройте график зависимости разности температур по разные стороны пористой перегородки T от давления Р газа перед перегородкой. Точки графика должны (с учетом экспериментальных погрешностей) лежать на прямой.
2.Методом парных точек найдите коэффициент наклона построенного графика и погрешность этого коэффициента. Полученный коэффициент наклона представляет собой коэффициент Джо-
уля–Томсона µ (см. формулы (2.15.2) и (2.15.3)).
161
3. Используя полученный коэффициент Джоуля–Томсона, по формуле (2.15.3) вычислите константу Ван-дер-Ваальса a и ее погрешность.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
По результатам работы напишите короткое (порядка половины страницы лабораторного журнала) заключение, в котором отразите:
постановку экспериментальной задачи (что изучалось в данной работе);
метод решения этой задачи; основной достигнутый результат (характер зависимости разно-
сти температур от давления газа и полученное значение константы Ван-дер-Ваальса).
Сравните измеренное в работе значение a с литературным (взятым из справочных таблиц). В случае заметного (за пределами экспериментальных погрешностей) расхождения полученного и табличного значения прокомментируйте возможные причины такого расхождения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какими термодинамическими параметрами состояния определяется внутренняя энергия газа в общем случае?
2.Как связана внесистемная единица давления «бар» с единицей давления системы СИ?
3.В каких физических условиях применима модель идеального газа?
4.В чем состоит модель газа Ван-дер-Ваальса? Напишите уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса.
5.Каков физический смысл констант Ван-дер-Ваальса a и b?
6.Напишите выражение для внутренней энергии газа Ван- дер-Ваальса через термодинамические параметры состояния.
7.Что происходит с температурой в результате расширения в пустоту идеального газа и газа Ван-дер-Ваальса?
8.В чем состоит эффект Джоуля–Томсона?
162
9.Какая функция термодинамических параметров состояния газа остается неизменной при протекании газа через пористую перегородку?
10.Возможен ли эффект Джоуля–Томсона в случае протекания идеального газа?
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Физматлит, 2006.
Дополнительная
1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976.
163
Работа 2.16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
С ПОМОЩЬЮ ДИЛАТОМЕТРА
Цель: знакомство с явлением теплового расширения твердых тел, определение термического коэффициента линейного расширения меди.
Оборудование: дилатометр с индикатором часового типа; иммерсионный термостат А100; ванна для термостата; лабораторный термометр; измерительная труба; соединительные резиновые трубки; медный стержень.
ВВЕДЕНИЕ
Зависимость потенциальной энергии U от межатомного расстояния r в кристаллической решетке, как правило, может быть описано функцией, представленной на рис. 2.16.1. В первом приближении колебания атомов в узлах решетки можно считать гармоническими (пунктирная кривая). Положение минимума r0 в случае малых колебанийсовпадает со средней величиной межатомных расстояний. С увеличением температуры T возрастают средняя скорость атомов и, следовательно, амплитуда колебаний, в результате начинает заметнее проявляться их ангармонизм (отклонение от гармонического закона). Из графика видно, что, в силу асимметрии энергетической «ямы», при увеличении энергии колебаний среднее межатомное расстояние r становится больше, чем r0. Это означает, что с увеличением температуры объем V твердых тел возрастает.
Коэффициент αоб = (∂V/∂T)p/V называется термическим коэффи-
циентом объемного расширения, α = (∂l/∂T)p/l – термическим коэффициентом линейного расширения (l – длина тела). Можно пока-
зать, что в первом приближении α не зависит от температуры, сле-
164
довательно, относительное удлинение тела оказывается пропорциональным приращению температуры:
dl / l = αdt . |
(2.16.1) |
Рис. 2.16.1
При больших изменениях температуры или высокой точности измерений и расчетов следует учитывать, что, на самом деле, с увеличением температуры этот коэффициент возрастает, однако зависимость эта – чрезвычайно плавная. Так, для железа средний по интервалу температуры коэффициент линейного расширения
при нагревании от 0 до 75 °С равен 1,21 10−5 град.−1 , а для интервала от 0 до 750 °С – 1,52 10−5 град.−1 . Поэтому считается, что при
небольших изменениях температуры α не зависит от температуры, и для практических расчетов пользуются средним коэффициентом линейного расширения:
α = (l2 − l1 )/[l1(t2 − t1 )], |
(2.16.2) |
где t1 и t2 – начальная и конечная температуры тела, °С; l1 и l2 –
длины тела, соответствующие этим температурам.
Большинство жидкостей при нагревании ведут себя аналогичным образом, однако имеются и исключения (например, вода при температуре t = 0–+4 °С).
165