Molekulyarna_Fizika

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«Ужгородський національний університет»

А.А. Горват, В.М. Жихарев

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА

І ТЕРМОДИНАМІКА

Лабораторний практикум

Навчальний посібник

Ужгород Видавництво УжНУ «Говерла» 2011

1

З М І С Т

ПЕРЕДМОВА …………………………………………………………. 5

Лабораторна робота № 1. ВИВЧЕННЯ МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТА ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОМЕТРІВ ………..…7

Лабораторна робота № 2. ВИВЧЕННЯ СТАТИСТИЧНИХ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ НА ДОШЦІ ГАЛЬТОНА …………………...22

Лабораторна робота № 3. ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ БОЛЬЦМАНА …………………………………………………………..39

Лабораторна робота № 4. МОДЕЛЮВАННЯ БРУНІВСЬКОГО РУХУ …………………………………………………………………...48

Лабораторна робота № 5. ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМІЧНОГО КОЕФІЦІЄНТУ ГАЗУ ЗА ДОПОМОГОЮ ГАЗОВОГО ТЕРМОМЕТРА ……………………………………………..…...……...59

Лабораторна робота № 6. ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ВОЛОГОГО ПОВІТРЯ ………………………………………………..67

Лабораторна робота № 7. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ВНУТРІШНЬОГО ТЕРТЯ ПОВІТРЯ, ОБЧИСЛЕННЯ СЕРЕДНЬОЇ ДОВЖИНИ ВІЛЬНОГО ПРОБІГУ

ТА ЕФЕКТИВНОГО ДІАМЕТРУ МОЛЕКУЛ ………… …………...83

Лабораторна робота № 8. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТУ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ПОВІТРЯ МЕТОДОМ НАГРІТОЇ НИТКИ ………………………………………………………………….94

Лабораторна робота № 9. ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ВІДНОШЕННЯ ТЕПЛОЄМНОСТЕЙ ПОВІТРЯ МЕТОДОМ АДІАБАТИЧНОГО РОЗШИРЕННЯ (МЕТОД КЛЕМАНА-ДЕЗОРМА) ….… ………….103

Лабораторна робота № 10. ВИЗНАЧЕННЯ ВІДНОШЕННЯ Ср/CV АКУСТИЧНИМ МЕТОДОМ ……………………………..………….119

3

ПЕРЕДМОВА

Лабораторна робота – це початкове, невелике за об’ємом та змістом, наукове дослідження студента. Мета лабораторного практикуму полягає у тому, щоб навчити студентів самостійно користуватися основними вимірювальними приладами і познайомити

зметодами вимірювань різних фізичних величин, які використовуються в певному розділі фізики. У процесі виконання лабораторної роботи студент набуває навичок застосування теоретичних знань на практиці, вчиться обробляти та аналізувати результати експерименту. При виконанні лабораторних робіт студенти повинні вивчити суть фізичних явищ, освоїти техніку та методику проведення фізичного експерименту. В ширшому світоглядному плані лабораторний практикум покликаний формувати у студентів розуміння співвідношення теоретичних моделей і законів

зекспериментальними даними, їх взаємовпливу і взаємозв’язку, тенденцій сучасного розвитку такої природничонаукової дисципліни, як фізика, і формування інженерного мислення майбутніх фахівців, що є важливим для випускників-фізиків університету.

Внавчальному посібнику описані лабораторні роботи розділу “Молекулярна фізика і термодинаміка” курсу загальної фізики, який викладається студентам фізичного факультету Ужгородського національного університету. Опис робіт починається з теоретичних відомостей. Вони складені так, щоб і студенти, які уже прослухали матеріал на лекціях, і ті, котрі тільки починають вивчення цього розділу фізики мали чітке уявлення про сутність фізичних явищ, що вивчаються, та про методи вимірювань, які застосовується в лабораторній роботі для визначення тих чи інших фізичних величин. Після теоретичних відомостей приведена методика експерименту з виведенням основних робочих формул та опис вимірювальної апаратури. В подальшому наводяться завдання, у яких вказано процедуру вимірювань та обробки результатів при виконання роботи. В кінці кожного опису містяться контрольні питання, які акцентують увагу студентів на найбільш важливих теоретичних, практичних та методичних проблемах лабораторної роботи.

Особливість даного практикуму полягає в тому, що об’єктом дослідження в ньому є як газоподібні, так і конденсовані (рідкі і тверді) речовини з дуже широким спектром фізичних властивостей, охопити які повною мірою достатньо важко.

5

Розпочинається практикум виконанням фронтальної лабораторної роботи з вивчення методів вимірювання температури, оскільки цей параметр контролюється практично у кожному завданні практикуму. Дві лабораторні роботи присвячені моделюванню фізичних явищ як за допомогою механічних моделей (дошка Гальтона), так із використанням сучасних комп’ютерів (брунівський рух). У наступних роботах визначаються стала Больцмана, термічний коефіцієнт тиску газу, показник адіабати (коефіцієнт Пуассона) та параметри волого повітря, вивчаються такі властивості газів, як їх теплопровідність, в’язкість, оцінюється довжина вільного пробігу та діаметр молекул.

Досліджуються і багато властивостей рідин. Зокрема, такі, як коефіцієнт поверхневого натягу різними методами, вимірюється коефіцієнт в’язкості технічного гліцерину та вивчається його температурна залежність, визначається теплота випаровування рідкого азоту, оцінюється енергія активації молекулярного руху.

У твердих тілах експериментально вимірюються такі їх характеристики, як термічний коефіцієнт лінійного розширення, коефіцієнт теплопровідності металів, теплоємність і теплота плавлення. Дослідження теплоємності твердих тіл та їх температурної залежності для алюмінію, заліза і латуні (міді) дозволяє порівняти результати, одержані різними методами, а також експериментально перевірити класичний закон Дюлонга-Пті, що описує теплоємність твердих тіл при високих температурах. Вивчаються також особливості фазових переходів з твердого стану в рідкий для індію і стеарину, з рідкого у газоподібний для азоту, при цьому експериментально визначається температура фазового перетворення і розраховується зміна ентропії в цих процесах.

Слід відзначити цілий ряд завдань, пов’язаних з калориметричними вимірюваннями, вивченням термодинамічних процесів та циклів. При виконанні лабораторних робіт з молекулярної фізики і термодинаміки та обробці одержаних результатів досить широко і з різною метою застосовуються персональні комп’ютери.

Посібник призначений для використання при підготовці до лабораторних занять та для самостійної роботи студентів, які навчаються за напрямами підготовки фахівців “Фізика”, “Прикладна фізика” та деякими інженерними спеціальностями.

6

Лабораторна робота № 1

ВИВЧЕННЯ МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТА ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОМЕТРІВ

Мета роботи: ознайомлення з принципом роботи термопари і її градуювання за допомогою реперних точок, перевірка градуювання рідинного термометра, оцінка сталої часу термометра.

Прилади та матеріали: мідь-константанова термопара, тиглі, набір чистих металів з відомою температурою плавлення, посудина Дюара з льодом, штатив із затискачами, електроплитка, еталонний та досліджуваний термометри, барометр, калориметр, дистильована вода, потенціометр.

1. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Вимірювання і контроль температури – одна з найбільш поширених в науці і техніці вимірювальних операцій, а поняття температури є одним із важливіших в молекулярній фізиці. Під

температурою зазвичай розуміють ступінь або міру нагрітості тіла.

Для вияснення поняття “ступінь нагрітості” необхідно розглянути дослідні факти, серед яких ключовим є теплообмін між двома тілами. Якщо привести в дотик два нагрітих тіла (дві рівноважні системи) з різними ступенями нагрітості, то незалежно від того, однакові чи різні у них об’єми (зовнішні параметри), більш нагріте тіло буде охолоджуватися, менш нагріте – нагріватися. З плином часу ця нова система прийде в стан теплової рівноваги, при якому теплообмін між тілами припиниться. Самовільно стан рівноваги не порушується. Якщо два тіла знаходяться в тепловій рівновазі з третім тілом, то вони знаходяться в тепловій рівновазі і між собою.

Температура виражає стан внутрішнього руху молекулярної системи і має одне значення для всіх частин складної рівноважної системи незалежно від кількості частинок у них. Тому температура є інтенсивним параметром. Екстенсивні термодинамічні параметри – це параметри, які пропорційні масі або числу частинок даної термодинамічної системи. Їхнє значення дорівнює сумі значень таких самих параметрів окремих частин системи. До таких параметрів належать маса, об’єм, енергія та ін.

7

У молекулярно-кінетичній теорії показано, що найбільш об’єктивною характеристикою ступеня нагрітості, тобто температури тіла, є середня кінетична енергія руху його молекул. Однак історично склалося так, що ступінь нагрітості тіл оцінювався за різноманітними емпіричними температурними шкалами значно раніше, ніж була встановлена відповідність між температурою тіла і кінетичною енергією його молекул. У додаток вимірювання кінетичної енергії молекул є складною і часто неможливою експериментальною задачею.

Щоб визначити температуру як фізичну величину, необхідно вказати спосіб її вимірювання. Для вимірювання температури користуються тим фактором, що при її зміні змінюються і певні властивості тіла. Вимірюються, відповідно, величини, які характеризують ці властивості. Тому для створення приладу, що вимірює температуру, тобто термометра, вибирають деяку речовину або тіло (термометричне тіло) і визначають величину, які характеризує властивість речовини або тіла (термометрична властивість). Вибір одного і другого повністю довільний. В побутових термометрах, наприклад, термометричним тілом є краплина ртуті, а термометричною величиною – її об’єм. Термометричною величиною можуть також бути електричний опір провідників, термоелектрорушійні сили, інтенсивність випромінювання, тощо. Температурний параметр термометричного тіла повинен змінюватися з температурою неперервно і монотонно (не повинен мати одинакові значення при різних температурах, а для точних інтерполяції та екстраполяції температурної шкали бажано мати лінійну залежність між значенням вимірюваного параметра і температурою). З достатньою для практичних цілей точністю ці вимоги задовольняють тиск і об’єм газів, об’єм рідини, електричний опір провідників, термоелектрорушійна сила деяких пар провідників. Для побудови температурної шкали необхідно вибрати два добре відтворювані ступеня нагрітості (реперні точки) і присвоїти їм певні значення температури. Такими реперними точками зазвичай є температури фазових переходів чистих речовин. Діапазон зміни термометричної величини між реперними точками ділять на визначену за домовленістю кількість однакових ділянок, кожна із яких відповідає одиниці зміни температури відповідної шкали температури.

8

Одиницею вимірювання температури у системі СІ є Кельвін. Однак у побуті і багатьох технічних пристроях одиницею вимірювання температури є градус. Розмір градуса, як видно із вище приведеного, вибирається довільно (як і термометрична величина та вигляд функції, що пов’язує термометричну величину з температурою). Тому існує досить багато різноманітних температурних шкал. Як приклад, для найбільш звичної для нас шкали температур Цельсія, реперними точками вибираються температура замерзання і кипіння чистої води за нормального атмосферного тиску, яким за домовленістю присвоюються відповідно значення 0 і 100 градусів Цельсія (ºС). Діапазон зміни термометричної величини, наприклад об’єму ртуті і лінійно зв’язаною з нею довжиною стовпчика капіляру, заповненого ртуттю у рідинному термометрі, ділять відповідно на 100 однакових ділянок, кожна з яких відповідає зміні температури на 1ºС. Тим самим визначається значення будь-якої проміжної температури. Побудована так шкала термометра називається емпіричною шкалою, а виміряна по ній температура називається емпіричною температурою. Вона – міра відхилення термодинамічного стану тіла від теплової рівноваги з льодом, що плавиться при нормальному атмосферному тиску.

Таким чином, емпірична температура виражається числом, що визначає ступінь нагрітості тіла за визначеною шкалою. Воно залежить перш за все від довільно вибраних значень температур реперних точок шкали, термометричного тіла та його термометричної величини. Тому існують міжнародні домовленості про присвоєння числових значень температур реперним точкам. Найбільш вживані реперні точки і присвоєні їм значення температур у К та ºС наведені у таблиці 1, а шкали температур, побудована на основі цих точок називаються відповідно Міжнародною практичною шкалою температурю (МПШТ) та шкалою Цельсія.

Взаємозв’язок між температурами, вираженими в одиницях цих шкал описується рівнянням (1)

температура у якій зв’язана з температурою у Кельвінах співвідношенням

9