Контрольные вопросы

1. Почему приборы для измерения теплопроводности газов всегда устанавливают так, что цилиндрический столб газа делается тонким и длинным и располагается вертикально?

2. При выводе формулы (8) пренебрегалось зависимостью тепло­проводности от температуры. Поэтому она справедлива только при Т<<Т. Оцените связанную с этим погрешность в определе­нии , получив точную формулу в предположении, что зависи­мость теплопроводности от температуры имеет вид T^.

3. Что такое теплопроводность? За счет чего она происходит?

4. Что такое коэффициент теплопроводности? От каких величин зависит коэффициент теплопроводности? Зависит ли теплоотвод от нити от давления воздуха? Как и почему?

5. Что такое конвекция? Объясните ее влияние на определение  в эксперименте.

6. Объясните явление температурного скачка. Каковы пути уменьшения его влияния?

7. Какой метод определения  используется в данной работе? В чем его суть?

8. Какие требования предъявляются к материалу, из которого сделана нить?

9. Каким образом в данной работе определяется температура нити?

10. Каковы причины значительных погрешностей определения коэффициента теплопроводности в лабораторной работе?

Лабораторная работа №8

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМНОЙ ДИФФУЗИИ ГАЗОВ

Цель работы: Овладеть методикой определения коэф­фициента диффузии газа. Определить коэффициент диффузии и его зависи­мость от давления газов.

Литература:

1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1976, гл. III, §§ 40, 42, 43.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика — М.: Наука, 1990, §§ 90, 92, 93.

3. Лабораторные занятия по физике. /Под ред. Гольдина Л.Л. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. – 704 с.

4. Введение в технику эксперимента/ Составитель: Беленко И.А. –   БелГУ, 2004. – 124 с.

Приборы, оборудование и их характеристики:

1. Установка для исследования взаимной диффузии газов;

Постоянная установки, зависящая от геометричеких размеров –А=1440 см².

2. Форвакуумный насос 2НВР – 0,1Д;

3. Подушка (баллон) с гелием (или другим исследуемым газом);

4. Манометр;

5. Источник питания;

6. Электронный вольтметр В7-38;

7. Электронный секундомер «Интеграл ЧС – 01».

Теория метода

Диффузией называется самопроизвольное перемешивание моле­кул, происходящее вследствие их теплового движения. В жидкости диффузия происходит быстрее, чем в твердых телах, а в газах — быстрее, чем в жидкостях. В тех случаях, когда изучается переме­шивание молекул одного сорта, говорят о самодиффузии, а если перемешиваются разные молекулы — о взаимной (или концентра­ционной) диффузии.

Рис. 1. К рассмотрению процесса взаимной диффузии газов.

Пусть сосуды с объемами V₁ и V₂ (см. рис.1), которые соединены трубкой длины l и сечения S, заполнены смесью двух газов при одинаковом давлении, но с различной концентрацией компонентов. Вследствие взаимной диффузии концентрации каждого из компонентов в обоих сосудах с течением времени выравниваются.

Рассмотрим процесс выравнивания концентрации. Пусть концен­трации одного из компонентов смеси в сосудах V₁ и V₂ равны n₁ и n₂. Плотность диффузионного потока любого компонента (т.е. ко­личество вещества, проходящее в единицу времени через единич­ную поверхность) определяется законом Фика:

. (1)

где D — коэффициент взаимной диффузии газов. В наших услови­ях решение задачи упрощается благодаря тому, что а) объем соединительной трубки мал по сравнению с объемами со­судов, б) концентрацию газов внутри каждого сосуда можно счи­тать постоянной по всему объему. Диффузионный поток в любом сечении трубки одинаков. Поэтому не меняется вдоль трубки. Следовательно,

. (2)

Обозначим через и изменения концентрации в объемах V₁ и V₂ за время . Тогда V₁ равно изменению количества компо­нента в объеме V₁ и V₂ — изменению количества этого компо­нента в V₂. Из закона сохранения вещества следует, что V₂ + V₁ =const, откуда V₁ = -V₂ . Эти изменения происходят вследствие диффузии, поэтому

V₁ = -V₂ (3)

Деля это равенство на и переходя к пределам, получим:

(4)

Разделив первое из этих уравнений на V₁, а второе на V₂ и вычтя эти равенства друг из друга, найдем:

(5)

Введем новую переменную , после чего уравнение легко ин­тегрируется:

, (6)

где ( )₀ — разность концентраций в начальный момент време­ни,

, (7)

где – постоянная, зависящая от геометрических размеров сосудов и трубки.

Формула (6) показывает, что разность концентраций убывает по экспоненциальному закону и тем быстрее, чем меньше (посто­янная времени процесса). Величина определяется геометрически­ми размерами установки (l, S, V₁, V₂) и величиной коэффициента диффузии D.