Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет водного господарства

та природокористування

Кафедра хімії та фізики

05-06-32

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

із навчальної дисципліни «Фізика»

розділ «МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА»

для студентів інженерно-технічних напрямів підготовки

денної, заочної та дистанційної форм навчання

Рекомендовано

науково-методичною

радою НУВГП

протокол № від . .20 р.

РІВНЕ – 2014

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт із навчальної дисципліни «Фізика», розділ «МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА» для студентів інженерно-технічних напрямів підготовки денної, заочної та дистанційної форми навчання / О.Д. Кочергіна, А.В. Рибалко, М.В. Бялик, Рівне: НУВГП, 2014,- 28 с.

Упорядник

Кочергіна О.Д., асистент кафедри хімії та фізики;

Рибалко А.В., канд. пед. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

Бялик М.В., канд. фіз.-мат. наук, доцент кафедри хімії та фізики.

Відповідальний за випуск:

Гаращенко В.І., канд. техн. наук, доцент, кафедри хімії та фізики.

© Кочергіна О.Д., Рибалко А.В.,

Бялик М.В., 2014

© НУВГП, 2014

ЗМІСТ

ВСТУП 3

Визначення в’язкості рідини методом Стокса 4

Визначення в’язкості повітря капілярним методом 10

Визначення відношення теплоємностей повітря методом адіабатичного розширення 16

Визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву кільця 23

Література 26

Додаток 1 27

Приклад оформлення титульної сторінки 27

____________________________________________________ 27

Додаток 2 28

Приклад оформлення звіту 28

ВСТУП

У даній методичці представлені лабораторні роботи з дисципліни «Фізика» розділ «Молекулярна фізика», які виконуються на кафедрі хімії та фізики.

Метою лабораторних робіт є вивчення фізичних процесів і явищ, які лежать в основі даного розділу фізики, а завданням є навчити студента вимірювати величин і виконувати обробку результатів вимірювань. У процесі виконання лабораторної роботи студент оформляє звіт (див. зразок у додатках 1, 2).

У кожній лабораторній роботі вказана мета, теоретичні відомості, опис експериментальної установки, хід роботи і контрольні запитання.

Лабораторна робота № 2.1 Визначення в’язкості рідини методом Стокса

Мета роботи: визначити в’язкість рідини.

Теоретичні відомості і опис установки

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивного комплексу Ч І)§2.19, 2.20)

Молекули газів та рідин внаслідок теплового руху безперервно і хаотично рухаються. При цьому вони обмінюються імпульсами та енергіями. Якщо в середовищі існує просторова неоднорідність густини, температури або швидкості впорядкованого руху окремих шарів, то на тепловий рух молекул накладається впорядкований рух, який веде до вирівнювання цих неоднорідностей.

Явища переносу – це процеси встановлення рівноваги в системі шляхом переносу маси (дифузія), енергії (теплопровідність) та імпульсу напрямленого руху (внутрішнє тертя або в’язкість).

Явище дифузії полягає у взаємному проникненні і перемішуванні частинок речовини внаслідок неоднорідності густини чи різниці концентрацій компонент суміші в різних місцях об’єму. Потік маси виникає в напрямку зменшення густини чи концентрації. Явище описується емпіричним законом Фіка.

,

де D – дифузія, яка дорівнює масі речовини, що переноситься через одиницю площі за одиницю часу при одиничному градієнті густини; – градієнт густини; S – площа поверхні; dt – час переносу.

Якщо вдовж осі Х існує градієнт температури , то в напрямку зменшення температури виникає потік тепла через поверхню площею S перпендикулярну до осі Z. Явище теплопровідністі описує закон Фур’є.

,

де dQ – кількість теплоти; dt – проміжок часу; К – теплопровідність речовини – це кількість теплоти, що проходить за одиницю часу через одиничну площу при одиничному градієнті густини. Механізм явища теплопровідністі полягає в передачі енергії теплового хаотичного руху при зіткненні молекул.

У

Рис. 1

явищі внутрішнього тертя (в’язкості) спостерігається перенос імпульсу напрямленого руху від молекул із шарів, які рухаються швидше до повільніших і навпаки. У результаті більш швидкий шар гальмується, менш швидкий прискорюється (рис. 1). Такий процес з механічної точки зору можна пояснити виникненням сил тертя, які сповільнюють більш швидкий і прискорюють повільніший шари молекул. Ці сили напрямленні по дотичній до поверхні стичних шарів проти відносної швидкості. Дослід показує, що імпульс руху dp, що передається із шару в шар через поверхню пропорційний градієнту швидкості шарів, площі цієї поверхні S та часу переносу dt

.

В результаті між шарами виникає сила внутрішнього тертя

, (1)

де  – в’язкість, яка залежить від природи речовини і її стану. Із співвідношення (1) визначимо:

. (2)

В’язкість η – чисельно дорівнює силі внутрішнього тертя, яка діє між шарами одиничної площі при одиничному градієнті швидкості.

Нехай тіло рухається в рідині, що його змочує. До поверхні тіла прилипає шар рідини (внаслідок міжмолекулярних сил притягання), який буде рухатись швидше ніж суміжній шар. Між цими шарами виникає градієнт швидкості і це веде до виникнення сили в’язкості (внутрішнього тертя), яка є силою опору. Як відомо, сила внутрішнього тертя між сусідніми шарами пропорційна градієнту швидкості:

, (3)

де S – площа стичних шарів.

Шари, що досить віддалені від поверхні тіла майже не рухаються. Отже градієнт швидкості пропорційний швидкості. Таким чином сила в’язкості

, (4)

д

Рис. 2

е u – швидкість тіла, k – коефіцієнт пропорційності, який залежить від природи рідини і від форми і розмірів тіла. Стокс показав, що для кульки, яка рухається в рідині

, (5)

де r – радіус кульки. Тоді, підставивши (5) в (4), одержимо силу Стокса:

. (6)

Нехай кулька падає в рідині (рис. 2). На неї діють сили:

 – Архімеда,  – сила тяжіння,  – сила в’язкості. Модуль рівнодійної цих сил

. (7)

Швидкість кульки зростає до тих пір, поки рівнодійна не стане рівною нулю, тоді

. (8)

(9); (10); (11)

Після підстановки в (8) співвідношень (6), (9), (10), (11) отримаємо

, (12)

де – густина кульки, – густина рідини, V – об’єм кульки,

g – прискорення вільного падіння.

Установка для вимірювання в’язкості – це циліндр з рідиною (рис. 3), на якому у верхній і нижній частинах зроблені мітки. Верхня мітка знаходиться на такій висоті, щоб при її досягненні рух кульки міг би вважатись рівномірним. Якщо відстань між мітками l, а час падіння t, то швидкість

. (13)

Рис. 3

Виразимо радіус кульки через її діаметр

. (14)

Підставивши (13), (14) в (12) отримаємо

. (15)

Позначимо

. (16)

Звідки отримаємо робочу формулу для визначення коефіцієнта в’язкості рідини

. (17)