10.2.Порядок выполнения работы

10.2.1.Взвесьте калориметрический стакан и налейте в него 150 – 200 см³ воды.

10.2.2.Взвесьте стакан с водой, определите массу воды. (Данные занесите в табл.2).

10.2.3.Включите плитку с химическим стаканом. В стакан опустите тело и термометр.

10.2.4.Поместите калориметр подальше от нагревателя и определите температуру воды Т₀ в калориметре.

10.2.5.После того, как термометр в химическом стакане покажет температуру 65 ⁰С, плитку выключите, и следите за ходом температуры. Как только рост температуры прекратиться, отметьте температуру Т и быстро переносите тело в калориметр, предварительно пододвинув его к нагревателю.

10.2.6.Калориметр закройте, отодвиньте от нагревателя и следите за ростом температуры.

10.2.7.Зафиксируйте максимальное значение температуры Т в калориметре и найдите ∆S.

Таблица 2

№	mТЕРМ, кг	mв, кг	mК, кг	mT, кг	T0, K	T1, K	T, K	S0, Дж/К	S, Дж/К	∆S, Дж/К
1 2 3

Примечания:

1. Важно, чтобы в каждом опыте количество и начальная температура воды в калориметре были одинаковыми.

2. Мешалкой пользуйтесь только в конце процесса роста температуры, делая не более 3 – 5 помешиваний.

3. Натуральные логарифмы вычислите с точностью до четырех знаков, пользуясь таблицами.

10.3.Контрольные вопросы

10.3.1.Сформулируйте первое и второе начала термодинамики.

10.3.2.Какое начало термодинамики говорит о направлении процессов, протекающих вокруг нас?

10.3.3.Что такое энтропия? В каких единицах она измеряется?

10.3.4.Дайте определение обратимого и необратимого процессов.

10.3.5.что является мерой обратимости данного реального процесса? В каком случае процесс ближе к обратимому?

Литература

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

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

3. «Физический практикум» под редакцией проф. Ивероновой, «Наука», М., 1976.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА

И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА

Цель работы: Определение средней длины пробега молекул и эффективного диаметра молекул воздуха.

Приборы и принадлежности:

1. Сосуд с краном и капилляром.

2. Секундомер.

3. Весы с разновесом.

4. Линейка.

5. Стакан.

11.1.Теоретическое введение

Хаотическое движение молекул, согласно молекулярно – кинетической теории, является физической причиной наблюдаемых в газах и жидкостях явлений переноса: диффузии (перенос массы при выравнивании концентраций), теплопроводности (перенос энергии при выравнивании температур), вязкости (перенос импульса).

Хотя скорости молекул могут достигать нескольких сотен метров в секунду, процессы переноса совершаются сравнительно медленно. Причиной этому является столкновение между молекулами, в результате которых их движение происходит по ломаной линии, а не прямолинейно.

Расстояние, пройденное молекулой между двумя последовательными столкновениями, называется длиной свободного пробега (λ). Длина свободного пробега – случайная величина.

Каждый раз молекула проходит различные расстояния между двумя столкновениями, поэтому целесообразно рассчитывать среднюю длину свободного пробега < λ >.

Известно, что силы межмолекулярного взаимодействия становятся заметными лишь на достаточно малых расстояниях, поэтому путь между столкновениями пройдет молекула в равномерном и прямолинейном движении.

Отклонение молекул от прямолинейных траекторий происходит при столкновениях. Минимальное расстояние между центрами двух молекул при их столкновении называется эффективным диаметром молекул d.

В данной работе путем коэффициента внутреннего трения проводится определение длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха.

Для определения < λ > и d используется установка, изображенная на рис.1. Сосуд на три четверти заполнен водой. Сверху закрыт пробкой, в которую вставлен капилляр.

Если снизу сосуда открыть кран, то вода будет выливаться из сосуда непрерывной струей, а потом сериями отдельных капель. В то же время, через верхний капилляр в сосуд будет насасываться воздух. Так как капилляр очень узок и воздух просачивается очень медленно, то его концы будут находиться под разным давлением: верхний – под атмосферным, нижний – меньше атмосферного. Объем газа V, прошедшего сквозь узкую трубку с круглым внутренним сечением за время τ определяется формулой Пуазейля

, (11.1)

где r и ℓ - соответственно радиус и длина капиллярной трубки;

∆р – разность давлений на концах капилляра, которая обуслав­ливает течение газа (или жидкостей).

Из уравнения (11.1) коэффициент внутреннего трения (вязко­сти) выразится соотношением:

. (11.2)

Здесь все величины доступны непосредственному измерению.

С другой стороны, молекулярно-кинетическая теория устанавливает связь между коэффициентами вязкости, средней длиной свободного пробега <λ> и средней арифметической скоростью их движения (<υ>)

, (11.3)

где ρ – плотность газа.

Средняя скорость молекул газа может быть найдена по формуле молекулярно-кинетической теории

, (11.4)

где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31∙10³ Дж/кмоль;

Т – абсолютная температура;

μ – масса одного моля газа (для воздуха ≈ 29 кг/кмоль).

Плотность газа можно найти из уравнения Менделеева - Клапейрона

. (11.5)

Откуда

, (11.6)

где Р – давление газа.

Подставляя формулы (11.2), (11.4), (11.6) в (11.3) и производя элементарные преобразования, получим формулу для определения <λ>

. (11.7)

Средняя длина свободного пробега связана с эффективным диаметром молекулы (d) соотношением

, (11.8)

где n – число молекул в единице объема, которое определяем из уравнения состояния идеального газа

, (11.9)

где n₀ – число Лошмидта, т.е. число молекул в единице объема (1 см³) при нормальных условиях (Р₀ = 1,013∙10⁵ Н/м², n₀ = 2,69∙10²⁵ м^-3, Т₀ = 273 К).

Применяя формулы (11.8) и (11.9), получаем выражение для эффективного диаметра молекул газа

. (11.10)