Воронежский государственный технический университет

Учебно – лабораторный центр кафедр

общей физики

287 - 2005

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторного практикума

по разделу “Молекулярная физика и термодинамика”

для студентов всех специальностей и всех форм обучения

Воронеж 2005

Составители: канд. физ.-мат. наук А.Г. Москаленко, канд. техн. наук М.Н. Гаршина, канд. физ.-мат. наук Н.В. Матовых, канд. техн. наук О.В. Мячина, канд. физ.-мат. наук И.А. Сафонов, канд. физ.-мат. наук Б.Г. Суходолов, канд. физ.- мат. наук Е.В. Шведов.

УДК 531 (07)

Методические указания к выполнению лабораторного практикума по разделу “Молекулярная физика и термо- динамика” для студентов всех специальностей и всех форм обучения / Воронеж. гос. техн. ун-т; Сост. А.Г. Москаленко, М.Н. Гаршина, Н.В. Матовых, О.В. Мячина, И.А. Сафонов, Б.Г. Суходолов, Е.В. Шведов. Воронеж, 2005. 43 с.

Методические указания содержат необходимый теоретический материал по разделу “Молекулярная физика и термо-динамика” курса общей физики. Дано описание методик измерения, приборов и порядок выполнения лабораторных работ № 1.16 - 1.20, поставленных в учебной лаборатории ВГТУ.

Предназначены для студентов всех специальностей и всех форм обучения.

Ил. 17. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. физ.- мат.наук, доц. А.А. Долгачёв

Ответственный за выпуск зав. кафедрой общей физики механико-технологического профиля профессор

В.С.Железный

Печатается по решению редакционно – издательского совета Воронежского государственного технического университета

© Воронежский государственный

технический университет, 2005

Методические указания

к выполнению лабораторного практикума

по курсу общей “Физики” к разделу “Молекулярная физика и термодинамика” для студентов всех специальностей и всех форм обучения

Составители:

Москаленко Александр Георгиевич

Гаршина Мария Николаевна

Матовых Николай Васильевич

Мячина Ольга Владимировна

Сафонов Игорь Александрович

Суходолов Борис Григорьевич

Шведов Евгений Васильевич

В авторской редакции

Компьютерный набор И.А. Сафонова

Подписано в печать 28.06.2005.

Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ.л.2,8. Уч. –изд. л. 2,6. Тираж экз.

Зак. № _,,C^”

Воронежский государственный технический университет

394026 Воронеж, Московский просп.,14

1. Определение коэффициента внутреннего трения воздуха при различных температурах (Лабораторная работа № 1.16)

Цель работы: исследовать зависимость коэффициента внутреннего трения воздуха от температуры и сопоставить её с теоретической.

1.1. Теоретическое введение

Минимальное расстояние, на которое сближаются при столкновении центры двух молекул, называется эффективным диаметром молекулы d (рис.1.1). В первом приближении эффективный диаметр можно считать постоянным, хотя он и зависит от скорости сталкивающихся молекул, т.е. от температуры газа.

Путь, пройденный молекулой между двумя последовательными столкновениями, имеет самые различные значения. Однако, при очень большом числе столкновений молекул, можно ввести понятие среднего значения, называя его средней длиной свободного пробега .

Согласно молекулярно – кинетической теории, средняя длина свободного пробега определяется выражением

, (1.1)

где называется эффективным сечением молекулы.

Таким образом, средняя длина свободного пробега молекул обратно пропорциональна их концентрации n, а при постоянной температуре обратно пропорциональна давлению, т.е.

.

Средняя длина свободного пробега  определяет явления переноса в реальных газах: вязкость, теплопроводность и диффузию.

Вязкость (внутреннее трение) обусловлено возникновением сил трения между слоями газа, перемещающимися параллельно друг другу с различными скоростями. Механизм возникновения внутреннего трения между слоями газа связан с обменом молекул между слоями, в результате которого происходит перенос импульса упорядоченного движения молекул из одного слоя в другой, что в свою очередь, приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее.

Внутреннее трение подчиняется закону Ньютона:

, (1.2)

где  - коэффициент вязкости, - градиент скорости в направлении перпендикулярном поверхности касания слоёв S.

Из формулы (1.2) следует, что коэффициент вязкости численно равен силе внутреннего трения, действующей на единицу площади поверхности слоя при градиенте скорости равном единице.

Единица вязкости – паскаль-секунда ( ). Это вязкость такой среды, в которой при градиенте скорости, равном единице, возникает сила внутреннего трения в 1 Н на 1 м² поверхности касания слоев.

Молекулярно - кинетическая теория даёт следующее выражение для коэффициента внутреннего трения:

, (1.3)

где  = m_O n - плотность газа; - средняя арифметическая скорость хаотического движения молекул; n – число молекул газа в единице объёма.

Учитывая что, , а , из (1.4) получим

,

где  - молярная масса газа;  – эффективное сечение соударения молекул; n – число молекул газа в единице объёма (концентрация).

Если в данном диапазоне температур и давлений воздух можно приближённо считать идеальным газом, то эффектив- ное сечение соударения молекул остаётся постоянной величиной и, следовательно, можно записать

. (1.5)