Лабораторная работа Определение коэффициента внутреннего трения и средней длины
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с прибором, хорошо запомнить назначение кранов  и  . кран трубки, соединяющий баллон с атмосферой закрыт, а кран трубки, соединяющий баллон с насосом открыт.
чтобы разность уровней в манометре стала равной 8-10см. При этом давление и температура воздуха в баллоне несколько повысятся. 3. Ждать 2-3 минуты, пока сжатый и нагретый воздух в баллоне не охладится до комнатной температуры  . Когда (после 2-3 мин) прекратится изменение уровней воды в манометре, отсчитать разность уровней жидкости манометра  , т.е. измерить давление  4. Затем быстро открыть кран и снова закрыть его в тот момент, когда уровни жидкости в манометре сравняются (давление в баллоне и атмосферное сравнялись). При этом теплообмен воздуха находящегося в баллоне с окружающим воздухом не успевает произойти, т.е. здесь имеет место адиабатическое расширение воздуха. Работа совершается за счет внутренней энергии, вследствие чего газ охлаждается и его температура понизится до некоторого значения  , ниже комнатной . В результате, когда кран открыт, газ переходит из состояния 1 в состояние 2  5.Ждать2-3 мин при закрытом кране . За это время воздух в баллоне изохорически нагревается до комнатной температуры и его давление увеличивается. После прекращения изменений уровней жидкости в манометре отсчитать разность уровней  , т.е. измерять давление  6. Опыт повторить 5 раз при значениях .7.Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:
8.Записать окончательный результат с абсолютной погрешностью  Контрольные вопросы 1. Что называется теплоемкостью тела? 2. Что называется удельной и молярной теплоемкостью и каково соотношение между ними? 3. Какие теплоемкости газа приходится рассматривать и почему? 4. На сколько молярная теплоемкость при постоянном давлении больше молярной теплоемкости при постоянном объеме? 5. Что такое число степеней свободы и как оно отличается по характерам движения? 6. Во сколько раз, молярная теплоемкость при постоянном давлении больше молярной теплоемкости при постоянном объеме? 7. Подсчитайте теоретически  для воздуха, принимая его за двухатомный газ.8. Какой процесс называется адиабатическим? Напишите уравнения Пуассона в различных интегральных формах. 9. Почему быстро протекающие процессы можно считать адиабатическими и в какой мере это справедливо? Лабораторная работа 7 Определение удельной теплоты плавления твердых тел Цель работы: определение удельной теплоты плавления олова по скорости охлаждения. Необходимые приборы и принадлежности: электроплитка, фарфоровый тигель с оловом, термометр, штатив, технические весы. Теоретическое введение Плавлением твердых тел называется их переход из твердого состояния в жидкое. За счет энергии, которая подводится к твердому телу при плавлении, амплитуды смещений частиц, колеблющихся в узлах кристаллической решетки, возрастают, становятся сравнимыми с периодом кристаллической решетки. Плавление происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления - Тпл. У большинства твердых тел плавление сопровождается увеличением их удельного объема. Температура плавления возрастает с увеличением внешнего давления, так как давление препятствует увеличению равновесных состояний между частицами в кристаллической решетке необходимому для начала плавления тела и затрудняет процесс ее разрушения. Исключение составляют лед и висмут, у этих тел возрастание внешнего давления приводит к уменьшению температуры плавления. В процессе плавления твердого тела, вещество существует одновременно в твердом и в жидком состояниях. Все количество теплоты, подводимое твердому телу при температуре плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки (это означает, что, для того чтобы высвободить молекулы из их относительно жестко фиксированных положений в твердом состоянии, нужно совершить работу против действующих между молекулами сил притяжения) и на работу против внешних сил. При этой температуре энергии молекул становится достаточным для отрыва от оседлого состояния на узлах кристаллической решетки и молекула начинает совершать поступательное движение за счет в дальнейшем подводимой теплоты. Для превращения вещества из жидкого состояния в твердое необходимо только охлаждение, т.е. отвод от вещества некоторого количества теплоты. Переход вещества из жидкого в твердое состояние означает не столько сближение молекул, сколько дальнейшее связывание их между собой, ограничение свободы их теплового движение в пределах объема вещества. Известны два различных процесса перехода вещества из состояния в твердое: 1. Затвердевание вследствии кристаллизации вещества. В этом случае в жидкости сначала появляются мельчайшие кристаллики, содержащие небольшое число молекул, правильно расположенных друг относительно друга и прочно связанных между собой. Затем по мере отвода тепла, эти кристаллики начинают расти за счет прилипающих к ним молекул жидкой фазы до полного исчезновения этой фазы. 2. Затвердевание вследствии постепенного увеличения вязкости жидкости. При этом у некоторых веществ кристаллизация совсем не происходит. Такие вещества называются аморфными: к ним относятся воск, сургуч, смолы, стекло, дерево и т.д. Особенностью аморфных тел является отсутствие у них определенной точки плавления, другими словами невозможно указать определенную температуру, выше которой можно было бы констатировать жидкое состояние, а ниже- твердое. У других веществ ( способных к кристаллизации), от быстрого и сильного возрастания вязкости при охлаждении затвердевание наступает до кристаллизации; процесс кристаллизации весьма медленно может  происходить после затвердевания. Различие между указанными выше процессами затвердевания обнаруживается если вычертить кривую , изменения температуры со временем ( рис. 1). У кристаллических тел температура уменьшается по кривой  в направлении  . На участке 1-2 одновременно существуют обе фазы- жидкая и твердая. Как только процесс кристаллизации заканчивается ( точка 2), дальнейший отвод теплоты сопровождается понижением температуры образовавшегося твердого тела. Постоянство температуры при кристаллизации объясняется образованием и ростом кристаллов, которые возможны если от молекул жидкости отнимается некоторое количество энергии. В кристалле жестко связанная молекула совершает только колебательное движение, тогда как при той же температуре в жидкости молекула совершает еще и поступательное движение. Поэтому при кристаллизации от вещества необходимо отвести теплоту соответствующую поступательному движению молекул.При нагревании кристаллических тел процесс протекает в обратном направлении  В точке 2 достигается такая температура  - температура плавления, при которой становится возможным отрыв молекул от поверхности нагревших кристаллов. В дальнейшем вся подводимая теплота передается отрывающимся молекулам. Эти молекулы получив дополнительную энергию, могут при той же температуре совершать уже не только колебательное, но еще и поступательное движение в пределах объема вещества. Так постепенно образуется жидкая фаза за счет разрушения твердой фазы.Согласно первому закону термодинамики  где  – количество теплоты переданное системе;  - изменение внутренней энергии системы;  - работа, совершаемая системой. Плавление начинается тогда, когда внутренняя энергия тела в твердом состоянии сравнивается с внутренней энергией этого тела в жидком состоянии, т.е. когда  ,  . Следовательно,  т.к. вся теплота сообщаемая телу расходуется на разрушение твердой фазы.Известно, что изменение внутренней энергии во всех процессах определяется по формуле:  где  - масса вещества;  - удельная теплоемкость при постоянном объеме. Если в данной формуле , то  , т.е.  . Это значит, что пока плавится тело его температура не изменяется. Эта постоянная температура при которой плавится твердое тело, называется температурой или точкой плавления. Точка плавления есть лишь у кристаллических твердых тел, а у аморфных тел такой точки нет, есть точка перегиба ( рис. 1 в). Это объясняется тем, что по структуре амофорное тело не отличается от жидкости ( в аморфном теле в отличии от жидкости, частицы не движутся поступательно, хотя расположены так же, как и в жидкости). Кроме точки плавления, у каждого кристалла есть еще одна характерная физическая величина, так называемая теплота плавления. Эту физическую величину определяют для единицы массы тела и называют удельной теплотой плавления λ. Удельная теплота плавления равна скрытой теплоте, которую нужно сообщить телу при температуре плавления, чтобы его единицу массы превратить в жидкость:  (1) - называют скрытой теплотой плавления, потому, что ее нельзя измерить явно, как  , ибо  . Для ее измерения существует калориметрический метод. В системе  удельная теплота плавления измеряется в  . Описание метода измерений и установки Применяемый в этой работе метод определения удельной теплоты плавления олова основан на том, что скорость выделения теплоты при кристаллизации металла должна быть равна скорости теплоотдачи в окружающую среду  (2)где - удельная теплота плавления; - масса олова;  - время процесса кристаллизации;  - количество тепла отдаваемого в окружающую среду,  - скорость теплоотдачи.Из формулы (2) имеем:  (3)Так, как в процессе кристаллизации температура металла не изменяется, то скорость теплоотдачи в этот период не может быть изменена непосредственно. Но скорость теплоотдачи при прочих равных условиях зависит только от разности температур между нагретым телом и окружающей средой. Поэтому среднее значение скорости охлаждения до наступления процесса кристаллизации и после него будет приблизительно равно скорости теплоотдачи в период затвердевания. Воспользовавшись этим можем записать:  где  – масса сосуда содержащего исследуемый металл,  - удельная теплоемкость сосуда,  и  - удельные теплоемкости жидкого и твердого олова;  и  - скорости охлаждения олова до и после затвердевания.Следовательно, удельная теплота плавления определяется следующей формулой:  (4)Для расплавления олова применяется электроплитка 1 ( рис. 2.) с нихромовым нагревателем с мощностью 300 Вт.  Олово в количестве 50 г помещается в фарфоровый тигель 2 емкостью 10 см3. Температура олова измеряется закрепленным в держателе 3 штатива 4 термометром 5. Порядок выполнения работы 1. Взвешиванием на технических весах определяется масса тигеля и масса олова. 2. Тигель с оловом помещается на электроплитку. Когда олово расплавится в него погружается термометр, и температура доводится до  . Затем электроплитка выключается. 3. Через каждые  записываются показания термометра. Измерения прекращаются при охлаждении олова до , после чего электроплитка вновь включается и олово расплавляется для извлечения из него термометра.4. По таблице наблюдений строят график зависимости  , откладывая по оси ординат температуру , а по оси абсцисс- время ( рис.3). По этой кривой графически определяются значения величин  и , а также длительность промежутка времени, в течении которого температура олова осталась неизменной.На полученной кривой выбирают два прямолинейных участка  и  . Через выбранные участки проводят касательные к кривой. Длина горизонтального участка кривой дает в выбранном маштабе время отвердения , а тангенсы углов наклонных прямых- средние скорости охлаждения до и после отвердевания  . Для определения   и  к оси  опускают перпендикуляры  и получают треугольники  и  ( см. Рис.3). Из этих треугольников находят тангенсы углов  и  : ;  5.Вычислить удельную теплоту плавления олова по формуле (4). Значения  и  считаются заданными.6. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:
7. Окончательный результат измерения записать в виде  и сравнить его с табличным значением. |
