Molekulyarna_Fizika

Для ідеального газу теплоємності СМр і CМV можна розрахувати, виходячи з представлень класичної молекулярно-кінетичної теорії. Враховуючи, що на кожен ступінь поступальної і обертальної

вільності приходиться однаковий “запас” енергії рівний 1 kT , можна

2

записати, що внутрішня енергія одного моля газу буде рівна:

де i – число поступальних і обертальних ступенів вільності атома або

грає в термодинаміці важливу роль. Зокрема, ця величина входить в рівняння Пуассона для адіабатичного процесу

і має назву коефіцієнту Пуасона, або коефіцієнту адіабати.

При розповсюдженні пружних хвиль в газовому середовищі, внаслідок стиснень і розріджень, відбувається зміна температури різних ділянок. Для хвиль високої частоти температура окремих ділянок не встигає вирівнюватися за час одного коливання, тобто теплообмін між областями стиснення і розширення практично відсутній і процес розповсюдження звукових хвиль можна вважати адіабатичним. Тому величина швидкості звуку виявляється залежною від відношення теплоємкостей γ, а вимірювання швидкості звуку є одним з найбільш точних способів визначення величини .

Фазова швидкість поздовжньої плоскої синусоїдальної хвилі в однорідному газовому середовищі визначається за формулою

ρ

де – густина середовища; K V dp – модуль об’ємної пружності dV

середовища, який залежить від виду термодинамічного процесу, його об’ємної деформації (стиснення – розширення):

120

–для ізотермічного процесу pV = const, або lnp + lnV = lnC. Звідки після диференціювання одержимо:

–для адіабатичного процесу pVγ = const, або lnp + γlnV = lnC. Звідки після диференціювання одержимо:

Відповідно швидкість пружних хвиль в ідеальному газі залежить від їх частоти. При дуже малій частоті процес деформації близький до ізотермічного і швидкість хвиль дорівнює

при великій частоті процес близький до адіабатичного і швидкість хвилі може бути представлена у вигляді

RT

Таким чином, визначення для повітря зводиться до вимірювання адіабатичної швидкості звуку і абсолютної температури повітря.

2.МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ ТА ОПИС ПРИЛАДІВ

Уданій роботі швидкість звуку υ υS визначається методом

стоячих хвиль. Стояча хвиля утворюється у результаті накладення двох синусоїдальних хвиль, які розповсюджуються назустріч одна одній і мають однакові частоти і амплітуди. Схема установки для вимірювання швидкості звукових хвиль наведена на рис. 1. Звукові коливання в трубі збуджуються мембраною телефону Т. Мембрана телефону приводиться у рух змінним струмом звукової частоти. Як джерело змінної напруги використовується звуковий генератор Г3-36, а його частота визначається за допомогою частотоміра Ч3-32. Сигнал, що виникає в мікрофоні, спостерігається на осцилографі СІ-73. Довжина труби може змінюватися в результаті телескопічного з’єднання двох трубок.

121

Збуджена мембраною телефону Т звукова хвиля, відбивається від мікрофону М і інтерферує з “прямою” хвилею, що йде від телефону. Інтенсивність сумарної звукової хвилі залежить від відстані L між мікрофоном М і телефоном T, а також від частоти f звукових коливань і, взагалі кажучи, є складною функцією вказаних параметрів. Картина значно спрощується, якщо довжина труби стає рівною цілому числу півхвиль, тобто тоді, коли виконується умова

де – довжина хвилі звуку в трубі, n – кількість половин хвиль, що вкладаються в довжину труби L. При цій умові в трубі встановлюється стояча хвиля – наступає звуковий резонанс. Характерною властивістю таких хвиль є те, що у трубі виникає постійний просторовий розподіл амплітуди коливань частинок (молекул) середовища, які передаються мембрані мікрофона в залежності від місця його розташування.

Рис. 1. Схема установки для вимірювання швидкості звуку в повітрі методом стоячих хвиль.

Спостерігаючи виникнення резонансу, можна визначити швидкість звуку. Змінюючи відстань L, знаходять таке положення мікрофону М, при якому на екрані осцилографа відбувається різке збільшення амплітуди коливань (звуковий резонанс), фіксують положення Ln мікрофону за шкалою, нанесеною на поверхні труби. Переміщаючи мікрофон М ближче до торця труби, тобто телефону (або, навпаки, далі), знаходять низку послідовних резонансів, кожного разу фіксуючи положення мікрофону.

Швидкість звуку υ зв’язана з його частотою f і довжиною хвилівиразом

122

Підбір умов, при яких виникає резонанс, можна проводити двома шляхами.

1. При незмінній частоті звукового генератора (отже і довжини звукової хвилі) можна змінювати довжину труби L. Для цього у роботі застосовується телескопічна (розсувна) труба. Довжина її поступово збільшується (труба повільно розсувається) і фіксується ряд послідовних резонансів. Виникнення резонансу легко спостерігати на осцилографі за різким збільшенням амплітуди коливань електричного сигналу, що йде від мікрофону. Для послідовних резонансів маємо:

де k – номер по порядку спостережуваного резонансу. Із (17) для швидкості звуку одержуємо вираз:

Отже, зробивши вимірювання довжини труби Lі, при яких спостерігається резонанс, можна визначити швидкість звуку.

2. З формул (15) і (16) випливає, що умова резонансу буде періодично наставати, якщо плавно змінювати не довжину труби L, а довжину звукової хвилі . Тоді при сталій довжині труби необхідно вимірювати частоту звукових коливань, при якій настає резонанс. Для послідовних резонансів матимемо:

123

3.ЗАВДАННЯ ТА ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1.Ознайомитися з приладами, що використовуються при вимірюваннях, і електричною схемою їх підключення. Вивчити функціональне призначення перемикачів і засобів керування приладами на їх панелях.

2.Увімкнути в мережу осцилограф СІ-73, звуковий генератор Г3-36 і частотомір, дати їм прогрітися на протязі 4–5 хвилин. Після цього увімкнути тумблер “Промінь” на панелі осцилографа і повернути тумблер “яскравість”. На екрані осцилографа має бути видно світну лінію, накреслену електронним променем.

3.Ручкою “регулювання вихідної напруги” на звуковому генераторі підібрати напругу на його виході так, щоб на осцилографі спостерігати коливання достатньої амплітуди. Зупинити біжучу картину на екрані осцилографа, змінюючи частоту розгортки. Необхідно переконатися в тому, що коливання мають неспотворену синусоїдальну форму. Якщо форма коливань спотворена, то зменшити амплітуду сигналу, який поступає з генератора.

4.Виходячи з приблизного значення швидкості звуку 330 м/с, розрахувати, в якому діапазоні частот слід вести виміри, щоб при видовженні труби можна було спостерігати 2 – 3 резонанси.

5.Визначити швидкість звуку в трубі при сталій частоті. Для цього плавно змінюючи довжину труби, послідовно пройти через усі доступні для спостережень точки резонансу. Повторити виміри при інших частотах (для 3 – 5 значень частоти). Для кожного резонансу виміряти відповідне видовження труби. Провести виміри спочатку збільшуючи довжину трубки, а потім зменшуючи її. Отримані значення підставити у формулу (18) і визначити швидкість звуку.

6.Визначити температуру повітря Т. Підставити значення швидкості звуку, визначене у п. 5, у формулу (14) і визначити коефіцієнт

Пуассона .

7.Визначити швидкість звуку в трубі незмінної довжини. Для цього плавно збільшуючи частоту генератора, отримати ряд послідовних резонансних значень частоти, відмічаючи момент резонансу по збільшенню амплітуди коливань на екрані осцилографа. Відповідне резонансу значення частоти визначити за допомогою

124

частотоміра. Переконатися у повторюваності результатів, провівши вимірювання при зменшенні частоти.

8.Отримані результати підставити у формулу (20) і обчислити значення швидкості звуку. Обчислити значення для повітря за формулою (14), використовуючи значення швидкості звуку і температури повітря.

9.Визначити абсолютну і відносну похибки експерименту, використовуючи результати прямих і непрямих вимірювань. Зробити короткі висновки, що випливають з отриманих результатів. Порівняти результати з табличними даними, пояснити можливі причини розходження. Дати пропозиції по можливому вдосконаленню установки та проведенню експерименту.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.Що називається теплоємністю тіла, питомою теплоємністю, молярною теплоємністю ?

2.Чому Ср більша за СV ?

3.Який фізичний зміст має універсальна газова стала R ?

4.Вкажіть формулу для теплоємності одного молю ідеального газу при сталому тиску:

а) (i/2)R; б) (і+2) R/(2М); в) (i+2) R/2; г) i R/(2М).

5. Вкажіть, яке із приведених рівнянь відповідає рівнянню Пуассона:

а) рV = RT; б) рT-1 = const; в) рV = const; г) (рV) = const.

6.Що таке ступінь вільності молекули? Скількома ступенями вільності володіють молекули одноатомних, двоатомних і багатоатомних газів?

7.Як залежать Ср і СV від кількості ступенів вільності молекул ?

8.Чи змінюється коефіцієнт Пуассона повітря при зміні його

відносної вологості ?

8. Які недоліки має класична теорія теплоємності? Як вони усуваються у квантовій теорії ?

10.Чому дорівнює коефіцієнт Пуассона для ідеального одноатомного газу?

11.Намалюйте схематично температурну залежність теплоємності триатомного газу в широкому температурному інтервалі (від 0 К до дуже високих температур).

12.Як зв’язана швидкість поширення коливань з пружністю

середовища К?

а) υ ~ К; б) υ ~ К2; в) υ ~ К1/2; г) υ ~ 1/К.

125

Лабораторна робота № 11

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ

Мета роботи: експериментальне визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини різними методами та їх порівняння.

Прилади і матеріали: прилади для визначення коефіцієнту поверхневого натягу, вимірювальний мікроскоп, важки з вказаними номіналами, вимірна лінійка, набір досліджуваних рідин.

1. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Рідкий стан виникає тоді, коли потенціальна енергія притягання молекул переважає за абсолютним значенням їх кінетичну енергію. У рідинах середня відстань між молекулами менша, ніж в газах, тому сили притягання між ними значно більші. Молекула C, яка знаходиться в середині рідини, взаємодіє з навколишніми молекулами (див. рис.1) і рівнодійна сил, які діють на цю молекулу, в середньому дорівнює нулю. На молекулу В, що знаходяться на поверхні рідини, діють більші сили з боку молекул рідини, ніж з боку пари та газу, що знаходяться над поверхнею рідини. Отже, в поверхневому шарі рідини виникає надлишковий молекулярний тиск

р′, спрямований всередину

поверхневого шару. Тому поверхневий шар рідини має надлишкову вільну енергію.

Стійкий стан – це є стан з мінімальним рівнем вільної енергії. Тому поверхня рідини прагне зменшитись. Наприклад, при

126

відсутності зовнішніх сил рідина приймає форму кулі, тобто форму тіла, яке при даному об’ємі має мінімальну поверхню.

Для утворення одиниці площі поверхні рідини необхідно виконати певну роботу. Ця робота є мірою вільної енергії і визначає питому поверхневу енергію або коефіцієнт поверхневого натягу α.

Коефіцієнт поверхневого натягу є величиною, яка дорівнює відношенню роботи ізотермічного утворення поверхні рідини до площі означеної поверхні, тобто

і вимірюється в Дж/м2 =Н/м (в СІ).

Отже, у поверхневому шарі рідини виникають сили притягання між молекулами, що діють вздовж поверхні (сили поверхневого натягу). Сила поверхневого натягу F спрямована по нормалі до будьякого елемента лінії х поверхні рідиниі пропорціональна її довжині.

Таким чином коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі, яка діє на ланцюжок молекул, що розташовані на довжині 1 м границі розділу рідини з паром (газом).

Формули (1) і (2) є рівнозначними, оскільки S=x∙y та A=F∙y. Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від природи рідини і температури.

По відношенню до твердих тіл рідини поділяються на змочуючі та не змочуючі. Наприклад, у відношенні до скла вода є змочуючою рідиною, проте у відношенні до парафіну – не змочуючою. Ртуть у відношенні до скла – є рідиною не змочуючою, а у відношенні до платини – змочуючою.

Форма поверхні рідини у посудині називається меніском. На рис.2 приведена форма поверхні рідини при дотику до твердого тіла у випадку змочування (а) та незмочування (б).

F

F

Рис. 22.2

Рис. 2.Форма меніску рідини у випадку змочування (а) та незмочування (б).

127

Молекули рідини взаємодіють не тільки з іншими молекулами рідини, а також з молекулами стінки посудини. Уявімо, що молекули знаходяться поблизу стінки біля точки А. Якщо сила взаємодії між молекулами рідини менша, ніж сила взаємодії між молекулами стінки та молекулами рідини, то рівнодійна буде спрямована у бік стінки (див. рис.2а). Поверхня рідини в рівноважних умовах встановлюється перпендикулярно силі. У даному випадку спостерігається змочування твердого тіла рідиною.

Якщо сила взаємодії між молекулами рідини більша, ніж сила взаємодії між молекулами стінки посудини та молекулами рідини, то рівнодійна буде спрямована всередину рідини. Це відповідає такому випадку, коли тверде тіло не змочується рідиною (рис.2 б).

Кількісну оцінку змочування можна визначити за допомогою граничного кута Θ. Граничний кут утворюється стінкою з дотичною до поверхні рідини, проведеною в точці перетину поверхні рідини із стінкою. Він відраховується зсередини рідини. При змочуванні

Поверхня рідини є ніби розтягнутою плівкою, що намагається скоротитися, і при викривленні її виникає додатковий тиск р під поверхнею рідини.

128

Змочування чи незмочування наочно проявляється при занурюванні капілярних трубок у посудину з рідиною. Капілярні трубки мають невеликий радіус, і якщо рідина змочує капіляр, то рівень рідини в капілярі буде вищим, ніж у посудині, а при незмочуванні – нижчим (рис.4.).

скло скло

R r cosΘ

Рис. 4. Капілярні явища у випадку змочування та незмочування.

Знайдемо висоту підняття (або опускання) рідини у капілярі. Розглянемо випадок, коли відбувається змочування (рис. 5).

129