8.2.Порядок выполнения работы

8.2.1.Откройте кран К₂ и с помощью насоса накачайте в колбу некоторое количество воздуха так, чтобы разностей уровней в манометре была около 20 см. Накачивать воздух следует осторожно, т.к. при слишком большой подаче воздуха может произойти выброс ж идкости из манометра.

Рис.1 Рис.2

8.2.2.Закройте кран К₂ и наблюдайте за манометром. При сжатии газ немного нагреется, а его охлаждение ведет к уменьшению давления, что и будет наблюдаться на манометре. Убедитесь, что разность уровней в манометре не изменяется, и запишите разность высот h₁. Отсчеты берите по вогнутой части мениска.

8.2.3.Откройте кран К₁, выровняйте давление внутри колбы с атмосферным и быстро закройте его.

8.2.4.Наблюдайте за манометром до тех пор, пока давление не перестанет повышаться. Запишите разность уровней h₂ и найдите γ.

8.2.5.Задавая различные величины h₁, повторите опыт не менее 5 раз. Данные запишите в табл.1.

8.2.6.Найдите абсолютную и относительную ошибки и представьте результат в виде

Таблица 1

N п/п	h1, мм	h2, мм	γ	Δγ	Примечания
1 2 3 4 5 Сред.

8.3.Контрольные вопросы

8.3.1.Дайте определение теплоемкости.

8.3.2.Что называется удельной теплоемкостью, молярной? Как они связаны?

8.3.3.Какая теплоемкость больше, при постоянном давлении или при постоянном объеме? Почему?

8.3.4.Охарактеризуйте процессы: изобарический, изохорический, изотермический.

8.3.5.какая величина остается постоянной при адиабатическом процессе?

8.3.6.Сформулируйте законы, которым подчиняется газ при изобарическом, изохорическом, изотермическом и адиабатическом процессах. Запишите их.

8.3.7.Считая воздух двухатомным и идеальным газом, определите для него значение γ по числу степеней свободы.

Литература

1. Путилов К.А. «Курс физики», т.1,М.,Физматгиз, 1963.

2. Зисман Г.А., Тодес О.М. «Курс общей физики», т.1, М., «Наука», 1974.

3. Савельев И.В. «Курс общей физики», т.1, М., «Наука», 1973.

4. Физический практикум под редакцией профессора Ивероновой, М., «Наука», 1976.

Лабораторная работа № 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

Цель работы: Экспериментальное определение коэффициента вязкости воды при комнатной температуре.

Приборы и принадлежности:

1. Прибор для определения вязкости.

2. Отсчетный микроскоп.

3. Секундомер.

4. Стакан.

5. Мензурка.

6. Подставка для капиллярной трубки.

9.1.Теоретическое введение

Всем реальным жидкостям и газам в большей или меньшей степени присуща вязкость или внутреннее трение. С точки зрения молекулярно-кинетической теории вещества причиной внутреннего трения является наложение хаотического теплового движения молекул и упорядоченного движения слоев газа или жидкости. Благодаря тепловому движению, молекулы переходят из слоя 2 (рис.1), движущегося со скоростью u₂, в слой 1, движущейся со скоростью u₁. При этом молекулы из слоя 2 переносят в слой 1 импульсы mu₂ своего упорядоченного движения, а молекулы слоя 1 – в слой 2 импульсы mu₁. Так как u₁ < u₂, то в результате таких переходов слой 1 будет ускоряться, а слой 2 тормозится. Таким образом, физическая природа внутреннего трения состоит в переносе количества движения из одного слоя в другой молекулами, имеющими различные скорости упорядоченного движения. Максимальная скорость направленного движения жидкости устанавливается по оси трубки, уменьшаясь до нуля около ее стенок. Изменение скорости на единицу толщины слоя называется градиентом скорости. Сила внутреннего трения f между слоями жидкости прямо пропорциональна градиенту скорости и площади соприкасающихся слоев S.

(9.1)

где η – коэффициент внутреннего трения или вязкости.

Коэффициент внутреннего трения численно равен силе, действующей между слоями площади при градиенте скорости, равном единице.

Коэффициент вязкости зависит от молекулярного строения жидкости или газа, существенно изменяясь с температурой.

У жидкостей коэффициент вязкости сильно уменьшается с температурой, у газов наоборот возрастает.

Жидкости с большим коэффициентом вязкости создают большое трение частей машин и механизмов, а с малым - вытекают, что приводит к отсутствию смазки. Поэтому на практике необходимо измерять коэффициент вязкости экспериментально.

Для вывода расчетной формулы η рассмотрим цилиндрический слой жидкости радиуса r и длины l (рис.1).

1

3

2

2

1

Рис.1

Поверхность этого слоя

(9.2)

А сила трения

(9.3)

Эта сила направлена против движения жидкости и при равномерном движении должна уравновешиваться силой, оказывающей давление на площадь выбранного слоя. Следовательно,

(9.4)

Разделяя переменные и интегрируя, получим

(9.5)

где С – постоянная интегрирования, определяемая из условия нормировки r = R, u = 0.

(9.6)

С учетом (9.6)

(9.7)

Таким образом, распределение скоростей по сечению трубки подчиняется параболическому закону.

Определим объем жидкости, протекающей через трубку в течение времени t

. (9.8)

Учитывая (9.7) и интегрируя, получим

(9.9)

Отсюда находим формулу для определения коэффициента вязкости

(9.10)

Д ля определения η используется прибор Пуазейля (рис.2), который состоит из сосуда А, заполненного исследуемой жидкостью и помещенного на столик К. Высота столика может меняться. Сосуд А соединяется с капиллярной трубкой СD, по которой жидкость стекает в стакан М. Трубка CD может находится на подставке N в положении 1 или2.

рис.2

Перед опытом сосуд А заполняется исследуемой жидкостью до уровня h’ конец трубки СD в положении 2 оказывается на высоте h’ Жидкость стекает в сосуд М и за время t вытечет объем жидкости V. После опыта уровень жидкости в сосуде А понизится до h”.

Перепад давлений, таким образом, составляет

(9.11)

Объем вытекшей жидкости определяется с помощью мензурки, длина трубки – линейкой, а диаметр – с помощью микроскопа «Мир – 1».

Отсчетный микроскоп применяется для точного измерения небольших длин порядка нескольких миллиметров. Микроскоп имеет выдвижной тубус, на котором нанесена шкала от 130 до 200 мм. Меняя длину тубуса, выбирают из табл.1 соответствующий коэффициент увеличения. И так, что измеряемая величина

D = k∙n, (9.12)

где n – число делений, отсчитанное в поле зрения микроскопа.

Таблица 1

Длина тубуса, мм	130	140	150	160	170	180	190
k, см/дел	0,0058	0,0058	0,0049	0,0045	0,0041	0,0038	0,0036

Небольшой образец капиллярной трубки вставлен в пробку, которая помещается на предметный столик микроскопа. С помощью микрометрического винта добиваются четкого изображения среза. Так как диаметр трубки в различных направлениях неодинаков, то рекомендуется произвести несколько измерений, каждый раз поворачивая образец.