Описание экспериментальной установки и эксперимента

Экспериментальная установка изображена на рис.1. Стеклянный сосуд закрыт пробкой, через которую проходит стеклянная трубка, с помощью

Рис.1

резинового шланга соединенная с жидкостным манометром. Через вторую пробку проходит игла от шприца. С помощью шприца в сосуд вводят некоторое количество эфира, который быстро испаряется, образуя ненасыщенные пары. К ним можно применить законы идеального газа.

Плотность газа по определению находится по формуле:

⁽¹⁾

где m – масса газа, а V – объем сосуда.

Также плотность газа можно найти, зная массу одной молекулы m₀ и количество молекул в единице объема n, т. е.  = m₀ n (2).

Приравнивая правые части равенств (1) и (2), получим формулу для нахождения массы m₀ молекулы эфира:

⁽³⁾

Концентрацию (n) молекул можно определить, используя основное уравнение МКТ: Р = nkT, из которого следует:

⁽⁴⁾

где P – парциальное давление газообразного эфира;

k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура.

Парциальное давление эфира в нашей установке уравновешивается давлением столбика жидкости h в манометрической трубке, т. е.:

P = _вg h,

где _в – плотность жидкости (воды) в манометре;

g – ускорение свободного падения;

h – разность уровней в манометре.

Тогда формулу (4) можно записать в виде:

⁽⁵⁾

Выразив массу паров эфира через плотность и объем введенного в сосуд жидкого эфира, из формулы (4) и (5) определяют массу одной молекулы:

⁽⁶⁾

(Нужно иметь в виду, что массы молекул жидкого и газообразного эфира равны).

Выполнение работы

Набрать в шприц 0,3 см³ жидкого эфира и впрыснуть его в колбу. По показанию манометра определить парциальное давление паров эфира. По формуле (6) вычислить массу молекулы эфира. Проделать опыт 2-3 раза. Все измерения занести в таблицу.

Таблица

№ пп	V, м3	Vэ , м3	H, м	m0 , кг	m0ср ,кг	m, кг	m0ср, кг
1. 2.

Результат представить в виде: m₀ = m_0ср ± m_ср

Абсолютные погрешности находятся по формулам:

m₁ = | m_0ср – m₀₁ |

m₂ = | m_0ср – m₀₂ |

V =1,326 л = 1,326 10^-3 м³ (объем сосуда);

k = 1,38 10^-23 Дж/град (постоянная Больцмана);

_э = 0,7^.10³ кг/м³ (плотность эфира)

Контрольные вопросы

1. Чему равна масса одного моля воды, одной молекулы воды?

2. Основные положения МКТ газов и их обоснование.

3. Основное уравнение МКТ газов (различные формы).

4. Газовые законы (Дальтона, Авогадро).

5. Распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла).

6. Броуновское движение.

Литература

1. Яковлев А. Курс физики. Теплота и молекулярная физика.

2. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. Любое издание.

Лабораторная работа № 3

ИЗУЧЕНИЕ ПЕРЕХОДА: ТВЕРДОЕ ВЕЩЕСТВО - ЖИДКОСТЬ, ЖИДКОСТЬ – ТВЕРДОЕ ВЕЩЕСТВО

Цель работы: Изучение процессов плавления и кристаллизации.

Введение

Все твердые тела можно разделить на кристаллические и аморфные. Одной из их важных отличительных особенностей, является наличие определенной температуры плавления и отвердевания, что связано с различным внутренним строением этих тел.

П оместим кусок твердого тела (например, металл) в пробирку и будем нагревать ее. Температуру тела измерим термопарой (рис. 1). С течением времени температура твердого тела непрерывно растет, как показано на рис. 2. По достижении некоторой характерной для данного вещества температуры, называемой температурой плавления, тело начинает плавиться и при дальнейшем нагревании температура его остается постоянной. Все подводимое при этом тепло тратится на плавление твердого тела. Температура смеси твердого тела с его расплавом остается постоянной, равной температуре плавления до тех пор, пока все твердое тело не превратится в жидкость. При дальнейшем нагревании температура жидкости начнет расти (рис. 2).

Если нагревание прекратить, жидкость начнет охлаждаться и температура ее с течением времени начнет уменьшаться, как показано на рис. 3. При достижении температуры плавления жидкость должна начать кристаллизоваться. Но если в жидкости нет центров кристаллизации, то кристаллизация затруднена и вещество, оставаясь в жидком состоянии, остынет до температуры меньше, чем температура плавления. Такое состояние называется переохлаждением. Величина переохлаждения для металла незначительна и составляет обычно доли градусов. Для гипосульфита переохлаждение может достигнуть и десятка градусов. Если в переохлажденной жидкости создать центр кристаллизации (например, бросив туда кристаллы этого же вещества), то часть жидкости начнет кристаллизоваться. Температура смеси начнет при этом повышаться. Причина повышения температуры смеси следующая: внутренняя энергия кристаллического состояния всегда меньше, чем внутренняя энергия жидкости. Следовательно, при переходе из жидкого состояния в твердое – внутренняя энергия уменьшается, и освобожденная энергия распределяется по всей массе смеси, повышая температуру. При дальнейшем охлаждении температура закристаллизовавшегося вещества будет уменьшаться.

В противоположность кристаллическим телам, аморфные тела не имеют определенной температуры плавления (отвердевания). Они переходят в жидкое состояние плавно, без скачков, постепенно размягчаясь. Таким образом, принципиальной разницы между жидким и твердым состоянием аморфного вещества нет.

Выполнение работы

Необходимо провести наблюдение за температурой при переходе из твердого состояния в жидкое и из жидкого состояния в твердое для двух веществ: аморфного и кристаллического.

Имеются две колбы, в левой колбе помещено кристаллическое вещество – гипосульфит, а в правой – аморфное вещество – парафин. В каждой колбе находится термометр для регистрации изменения температуры при нагревании и охлаждении. Время фиксируется с помощью секундомера.

1. Поместить колбы в сосуд с водой и поставить на электроплитку.

2. Электроплитку включить в сеть.

3. С помощью секундомера через каждые две минуты фиксировать показания термометров.

4. Данные записать в таблицу:

Гипосульфит		Парафин
время	температура	время	температура

5. После того как оба вещества перейдут в жидкое состояние, электроплитку отключить из сети. Убрать сосуд с водой.

6. Фиксировать показания термометров и секундомера при охлаждении. Когда температура гипосульфита опустится на 2–3 градуса ниже температуры плавления (Т_пл = 48 ⁰С), в колбу необходимо бросить кристаллики гипосульфита, через отверстие в пробке. Затем продолжить наблюдение за температурой, пока температура не пройдет через максимум (Т_пл = 48 ⁰С) и не опустится на несколько градусов ниже этого максимума.

7. Построить график зависимости температуры от времени для двух веществ по полученным данным, затем сравнить с теоретическим.

Контрольные вопросы

1. Какие различия между аморфными и кристаллическими веществами?

2. Объясните различия между аморфными и кристаллическими веществами с точки зрения МКТ.

3. Что такое «переохлаждение»?

4. Почему при кристаллизации «переохлажденного» вещества его температура повышается?

5. Что называют удельной теплотой плавления?

6. Как находится количество теплоты?

Литература

1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. Любое издание.

2. Зисман Тодес. Курс общей физики. Молекулярная физика и теплота.

3. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики.

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Цель работы: определение коэффициента поверхностного натяжения воды и его зависимости от температуры.

Введение

Между молекулами жидкости существуют силы притяжения, которые действуют на очень маленьком расстоянии r (порядка 10^-9 м). Это расстояние r называется радиусом молекулярного действия. Сфера вокруг центра молекулы радиусом r называется сферой молекулярного действия. Внутри сферы находится множество других молекул, которые взаимодействуют с молекулой М.

Если молекула М₁ находится внутри жидкости (рис. 1) и сфера молекулярного взаимодействия лежит целиком под поверхностью жидкости, то вследствие статистической закономерности симметрии расположения всех других взаимодействующих молекул, равнодействующая сил взаимодействия равна нулю! Таким образом, внутри жидкости не будет проявляться действие этих сил.

Е сли же молекула находится на границе с какой-либо средой, например, с воздухом, с паром жидкости, стенками сосуда и т. д., то симметрия нарушается. Молекула на границе находится совершенно в других условиях, нежели молекула внутри жидкости (рис. 1).

Рассмотрим молекулу М₂, которая находится на расстоянии от поверхности, меньшем чем r. Так как плотность воздуха во много раз меньше плотности жидкости, то выступающая за пределы жидкости часть сферы молекулярного действия будет менее заполнена молекулами, чем остальная часть сферы. В результате на каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое толщиной r, будет действовать сила, направленная внутрь жидкости. Величина этой силы растет в направлении от внутренней к наружной границе слоя. Молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной потенциальной энергией.

М олекулы жидкости стремятся уйти с поверхностного слоя внутрь жидкости. Уменьшение числа молекул в поверхностном слое жидкости может произойти только при уменьшении ее поверхности. Поэтому вся жидкость стремится сократить свою поверхность. Поверхностный слой как бы стремится внутрь жидкости и на ее поверхности образуется, таким образом, как бы упругая пленка. Это явление называется поверхностным натяжением.

Лежащие в поверхностном слое молекулы притягиваются не только молекулами, расположенными ниже их, но и своими соседями (рис. 2). В результате этого в поверхностном слое возникает сила поверхностного натяжения, для количественной характеристики которой вводят коэффициент поверхностного натяжения (). Его можно ввести двояко: с энергетической точки зрения и с силовой.

Коэффициент поверхностного натяжения () – величина, численно равная работе, необходимой для изменения площади поверхности жидкости на единицу.

Коэффициент поверхностного натяжения () – величина, численно равная силе, действующей вдоль поверхности жидкости на единицу длины поверхности жидкости.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения существует несколько способов:

1. Определение () способом отрыва.

2. Определение () по методу максимального давления в пузырьке.

3. Определение коэффициента () способом капель.