Порядок виконання роботи:

1. Ознайомитися з установкою. Відгвинтити впускний отвір і наповнити пароутворювач водою за допомогою склянки і лійки. Перевірити нульове положення стрілки гальванометра.

2. Підготувати установку до вимірів: вкласти на нижню камеру гумовий диск, один спай термопари 1, еталонний диск, другий спай термопари 1, гумовій диск, перший спай термопари 2, досліджуваний диск, другий спай термопари 2, гумовий диск, нагрівальну камеру. Скріпити весь стос затискним гвинтом.

3. Злегка відгвинтити кран і пропустити через нижню камеру струмінь водопровідної води. Ввімкнути до мережі штепсель пароутворювача.

4. Дочекатись кипіння, потім ще почекати 3-5 хвилин, послідовно перемкнути термопари і записати показання гальванометра. Якщо показання гальванометра на термопарах не змінюються, то записують його показання І₁ на “еталонній” термопарі і І₂ - на термопарі, приєднаній до досліджуваного тіла.

5. Вимкнути пароутворювач, закрити водопровідний кран, розібрати стос дисків, виміряти товщину кожного в трьох місцях. Знайти середнє значення товщини кожного диска.

Виконати за формулою (5) розрахунки, приймаючи для ебоніту k₁=0,175 Вт/(м·К).

Результати вимірювань та обчислень дати в таблиці:

k1	х1	J1	J2	х2	k2

Дайте відповіді на запитання:

1. Який основний закон покладено в основу роботи?

2. Чому в даному методі вимірювань діаметри пластин мають бути значно більшими за їх товщину?

3. Чому нагрівальна камера знаходиться зверху?

Лабораторна робота № 17.

Дослідження властивостей газів методом витікання їх через капіляр.

Прилади та приладдя: експериментальна установка, що складається з балона з капіляром та краником, водяного манометра та насоса з краном, секундомір, барометр, термометр.

Мета роботи: засвоїти один із методів визначення параметрів теплового хаотичного руху молекул в газах.

Коротка теорія і метод вимірювання

В роботі визначаються деякі параметри, що характеризують тепловий хаотичний рух молекул газів, за допомогою співвідношень молекулярно-кінетичної теорії. За основний приймається метод, що основується на вимірюванні коефіцієнта внутрішнього тертя (в’язкості) газу при його витіканні через трубку кругового перетину – капіляр.

В усталеному потоці маса газу, що переноситься через елемент поверхні dS за час t, може бути знайдена як добуток густини газу ρ на об’єм газу V, що перенесений через перетин площею S із швидкістю v:

dm = ρ dV = ρv t dS. (1)

В зв’язку з наявністю внутрішнього тертя швидкість газу v в різних точках перетину капіляра різна: вона максимальна на осі капіляра і дорівнює нулю біля його стінок. Пуазейль отримав формулу для розподілу швидкостей газу або рідини в трубці радіусу r на різних відстанях r_x від осі в залежності від різниці тиску P^/- P на кінцях трубки довжиною l:

v = ( r² - r_x² ), (2)

де η - коефіцієнт внутрішнього тертя газу.

Якщо об’єм посудини, в якій знаходиться газ, і температура газу сталі , то величину η можна пов’язати зі зміною тиску газу в посудині. Дійсно, із рівняння Менделєєва-Клапейрона знаходимо, що

dm = , (3)

де μ - молярна маса газу; R- універсальна газова стала; T - температура газу; dP - зміна тиску в посудині, пов’язана з витіканням з неї газу.

Прирівнюючи (1) і (2), а також виконуючи інтегрування одержаного виразу, можна записати вираз для коефіцієнта в’язкості газу:

η = , (4)

тут V - об’єм балона; l - довжина капіляра; h₁і h₂ - початковий і кінцевий надлишкові тиски газу в балоні, відлічені на манометрі як різниця рівнів; P - атмосферний тиск (в паскалях); T - температура газу; t - час витікання газу. Надлишковий тиск газу має бути малим порівняно з атмосферним тиском.

Кінетична теорія ідеального газу дає зв’язок коефіцієнта в’язкості η з густиною ρ газу, середньою довжиною вільного пробігу молекул λ:

η = ρ λ u / 3. (5)

Знаходячи густину газу із рівняння Менделєєва-Клапейрона і підставляючи в (5) значення u = , можна знайти величину середньої довжини вільного пробігу молекул:

λ = . (6)

Кінетична теорія газів встановлює залежність середньої довжини вільного пробігу молекул від ефективного діаметра молекул d і числа молекул в одиниці об’єму n:

λ = (7)

де n = P /(kT); k - стала Больцмана.

У такий спосіб за відомою λ можна знайти ефективний діаметр молекул. Підставляючи n в ( 7 ), одержуємо

d = . (8)