Леонтева Сборник лабораторныкх работ по физике Молекулярная физика 2015

Рис. 3.12

Назначение необходимых в данной работе элементов управле- ния системы ИСТ-2М:

СЕТЬ – тумблер включения сети.

H1 – 4-разрядный цифровой индикатор. Его свечение свиде- тельствует о включении питания прибора. Показания индикатора определяются тем, какая из кнопок переключателей нажата.

Переключатели:

Uн – напряжение питания нагревателя (измеряется в вольтах); Iн – ток питания нагревателя (в миллиамперах);

Т1 – температура подключённого к системе датчика Д1 (в °С с разрешением 0,1 градуса);

Т2 – температура подключённого к системе датчика Д2 (в °С с разрешением 0,1 градуса).

ТЕРМОСТАТ – разъем термостата.

ТЕМПЕРАТУРА 40...80...120 – ручка регулировки максималь- ной температуры датчика в пределах 40–120 °С.

НАГРЕВ 0...10...20 – ручка регулировки напряжения питания нагревателя в пределах от 0 до 20 В.

ВКЛ – тумблер включения нагревателя. При поднятой рукоятке включён тепловыделяющий элемент устройства, подключённого к разъёму ТЕРМОСТАТ, и подаётся напряжение на гнезда НАГР.

Н2, Н3 – индикаторы режима работы термостата.

81

Кабель К03 (рис. 3.13) используется для под- ключения разъёма ТЕРМОСТАТ с аналогичным разъёмом печи (поз. 12 на рис. 3.14).

Регулировка температуры осуществляется

• Если температура подключённого к систе- ме и выбранного для измерений датчика ниже установленной регу- лятором ТЕМПЕРАТУРА, то нагреватель включён, о чем свиде- тельствует свечение зелёного индикатора Н2.

•Если температура подключённого к входу Д1 датчика при- ближается к установленной регулятором ТЕМПЕРАТУРА, то включается автомат управления температурой, и напряжение на нагревателе снижается: система переходит в режим термостатиро- вания. При этом светятся два индикатора: зелёный Н2 и красный Н3. Выход на режим термостатирования легко определить по пре- кращению роста температуры объекта. Режим термостатирования реализуется, только если датчик нагреваемого объекта подключён

квходу Д1 или через разъём ТЕРМОСТАТ.

•Если температура датчика Д1 выше установленной регулято- ром ТЕМПЕРАТУРА, то нагреватель отключён, и светится только красный индикатор НЗ. Система переходит в режим термостатиро- вания при остывании объекта.

Печь-термостат изображена на рис. 3.14. Её элементы смонти- рованы на основании 6. Основной элемент печи – плита, в которую

встроены два тепловыде- ляющих элемента (твэл) и датчик температуры. Пли- та окружена теплоизоли- рующим кожухом 1. Пли- та может охлаждаться встроенным вентилято- ром, который включается тумблером ВЕНТ. Изуча- емый (нагреваемый) объ- ект устанавливается на плите и прижимается к

ней стержнем 4 с помо-

Рис. 3.14

82

щью двух пружин 3. Пружины прицеплены к двум штырям 2 и при необходимости могут быть сняты. На объект надевается теплоизо- лирующий кожух 5. Через разъем 7 модуль подключается к ИСТ-2.

Гнезда H1 и Н2 включены параллельно нагревателю и исполь- зуются для измерения напряжения на нагревателе при необходимо- сти точного определения выделяемой в нагревателе мощности.

Порядок выполнения работы

1. Подготовьте табл. 3.3 для записи результатов.

2. Измерьте штангенциркулем толщину x измеряемого образца. Масса т и диаметр d калориметрического тела указаны на установ- ке. Найдите площадь его основания S = πd2/4. Запишите х, т, d и S

втабл. 3.3.

3.Один конец кабеля К03 подключите к разъёму ТЕРМОСТАТ (см. рис. 3.12), а другой конец к выводу «12» модуля «С» (см. рис. 3.14).

4.Подключите выводы термопары (если не подключены) к мультиметру. Убедитесь, что показания мультиметра соответству- ют комнатной температуре. При затруднениях обратитесь за по- мощью к лаборанту.

5.Настройте измерительную систему, для чего включите тум- блер «Сеть», затем нажмите кнопку Т1 (на индикаторе высветится температура печи).

6.Начните нагрев печи, для чего:

-ручку НАГРЕВ установите в положение 10, более высокие значения этого параметра выбирать не следует, так как нагрев бу- дет слишком быстрым, что приведёт к излишним погрешностям;

-ручку ТЕМПЕРАТУРА установите в положение 80 (рис. 3.15);

-включите тумблер НАГР в положение ВКЛ. Следите за пока-

заниями термостата. При достижении температуры печи 80 °С, ко- гда загорится красная лампочка «Кр» (см. рис. 3.15), необходимо

83

10. Полученные данные нанесите на график, по оси абсцисс ко-

11.По линейному участку графика определите его наклон, а по наклону коэффициент теплопроводности пластинки χ.

12.Оцените погрешность Δχ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Почему образец выполнен в форме тонкого диска?

2.Если методом, используемым в данной работе определять тепло- проводность жидкости, как нужно тогда её нагревать: сверху или снизу? Почему?

3.Почему одежда, которую мы надеваем, согревает нас? Действи- тельно, если посмотреть сквозь любую ткань на просвет, то увидим, что она просвечивает, т.е. воздух через нее свободно проходит. Но без одеж- ды на воздухе не очень-то тепло. Почему же тепло в одежде?

4.Почему оконные рамы в наших домах двойные? Видимо, это сде- лано с целью улучшения теплоизоляции. Но может быть, следовало бы вместо двойных рам вставлять в раму просто вдвое более толстое стекло?

5.Следует ли для улучшения теплоизоляции делать расстояния меж- ду рамами окна как можно больше (см. предыдущий вопрос), или есть ка- кое-то оптимальное расстояние между ними?

Работа № 31

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ

Цель работы: определение удельной теплоты испарения воды, измерение температурного скачка на свободной поверхности воды.

Приборы и принадлежности: кипятильник с электрической плиткой, калориметр, мензурка, термометр, вентилятор.

Задание 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ

Удельной теплотой парообразования называют количество теп- ла, которое необходимо сообщить единице массы жидкости, чтобы изотермически превратить её в пар. Заметим, что при постоянной температуре остается постоянным также и давление, при котором происходит фазовый переход. Поэтому из первого начала термоди-

85

намики получаем, что удельная теплота парообразования (как и любого фазового перехода) равна приращению удельной (т.е. на единицу массы) энтальпии W = E+PV:

λ = E + P V = E + (PV) = (E + PV) = W.

Удельная теплота парообразования зависит от температуры и давления. При повышении температуры удельная теплота парооб- разования уменьшается и в критической точке обращается в ноль. С увеличением давления теплота парообразования растет.

Описание установки и методика измерений

Установка, применяемая в работе для определения удельной теплоты испарения воды, изображена на рис. 3.16 и включает кипя- тильник К, калориметр А и мензурку М. При проведении опыта в мензурку наливают воду комнатной температуры и измеряют её температуру t0. Затем в воду опускают трубку, отводящую пар от кипятильника. Пар из кипятильника, попадая в воду, конденсиру-

ется в ней с выделением тепла.

ВНИМАНИЕ! Будьте предельно осторожны при всех манипу- ляциях с паром. Ожоги паром значительно тяжелее, чем от кипят- ка! (Кстати, почему?)

Если температура, до которой нагрелась вода в результате кон- денсации в ней пара, равна tкон, масса сконденсированного пара – тпара, то количество выделенного паром тепла при его конденсации и охлаждении получившейся из пара воды равно

Рис. 3.16

86

Это тепло нагревает воду в калориметре и сам калориметр. Если начальная температура воды и калориметра, в который она налита, равна tкомн, ткалор и тводы – масса калориметра и воды в нём, сAl – теплоёмкость материала калориметра (алюминия), то полученное водой и калориметром тепло равно

(сводытводы + сAlткалор ) (tкон − tкомн ).

Приравнивая количество тепла, выделившегося при конденса- ции пара, и тепла, пошедшего на нагрев калориметра с водой, находим

(с т + с т ) (t − t ) − c (t − t ))m

λ = воды воды Al калор кон комн воды кип кон пара .

mпара

Порядок выполнения работы

1.Приготовьте табл. 3.5 для записи результатов измерений.

2.Измерьте комнатную температуру tкомн и запишите её в табл.

3.5.

Таблица 3.5

tкомн tкон ткалор т'калор тводы т"калор тпара = т"калор – т'калор λ Δλ

3.Взвесьте калориметр. Запишите его массу ткалор в табл. 3.5.

4.Налейте воду комнатной температуры в калориметр так, что-

бы она заполняла около 2/3 его объёма. Воду возьмите у лаборанта. Взвесьте калориметр с налитой в него водой. Запишите массу ткалор′ наполненного калориметра в табл. 3.5.

5. Запишите массу воды тводы = т′ – ткалор в табл. 3.5.

калор

6.Закройте калориметр крышкой. Через отверстия в крышке пропустите пароотводящую трубку и термометр. Проверьте нали- чие воды в кипятильнике, долейте её при необходимости.

7.Включите кипятильник. Дождитесь начала кипения воды в кипятильнике. Сигналом начала кипения служит слабое шипение пара, выходящего из трубки в воду.

8.Следите за показанием термометра, опущенного в воду. Когда

температура достигнет значения 90–95 °С, выключите кипятильник и выньте пароотводящую трубку из воды.

87

9. Взвесьте калориметр с горячей водой и запишите его массу

ткалор′′ в табл. 3.4.

11. Вычислите согласно полученной формуле значение удель- ной теплоты парообразования воды λ и оцените погрешность Δλ. Запишите результаты в таблицу 3.5.

Задание 2. ИЗМЕРЕНИЕ СКАЧКА ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

Если рассмотреть процесс испарения со свободной поверхности жидкости, то нетрудно понять, что скорость испарения определяет- ся скоростью диффузии насыщенного пара с поверхности жидко- сти в атмосферу. Эта скорость согласно уравнению диффузии определяется разностью концентраций насыщенного пара жидко- сти nнасыщ у ее поверхности и вдали от этой поверхности nатм:

j = −D dn ≈ D nнасыщ − nатм .

dx L

Здесь L – характерное расстояние на котором концентрация пара убывает от nнасыщ до nатм. С другой стороны, процесс испарения жидкости сопровождается поглощением тепла. Подвод тепла к жидкости осуществляется от окружающей среды. Но такой подвод возможен, лишь если температура жидкости ниже температуры окружающей среды. Это означает, что если в жидкости нет источ- ников тепла, то жидкость со свободной поверхностью имеет тем- пературу ниже температуры окружающей среды.

Описание установки и методика измерений

Установка для измерения температурного скачка изображена на рис. 3.17. На рисунке обозначены: В – вентилятор, ВТ – влажный термометр, СТ – сухой термометр. Конец первого термометра об- мотан влажной тканью, а второго – сухой. При включенном венти- ляторе можно также наблюдать охлаждение воды в процессе её ис-

88

парения при обдуве. В этом случае

Порядок выполнения работы

1. Подготовьте табл. 3.6 для записи измерений.

2.Обмотайте кончик одного из термометров ватой и смочите ее водой. Запишите показания сухого и влажного термометров в табл. 3.6.

3.Подождите 10–15 мин и вновь снимите показания с обоих термометров. Объясните, почему изменилась разность температур термометров.

4.Включите вентилятор и направьте струю воздуха от него на термометры. Через 5–10 минут после этого снимите показания обоих термометров. Во сколько раз выросла скорость испарения в результате обдува?

5.По графикам рис. 3.18 и по данным табл. 3.6 оцените влаж- ность воздуха. Запишите результаты в таблицу 3.6.

89

Рис. 3.18

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что называется удельной теплотой парообразования? Чему она равна в критической точке?

2.Какой процесс называется кипением? Как температура кипения за- висит от давления?

3.Чему равно изменение энтальпии тела при фазовом переходе?

4.Чему равно изменение внутренней энергии тела при фазовом пере-

ходе?

5.Как возникают облака? Почему они не падают на землю, ведь они состоят из капель воды, которая значительно тяжелее воздуха?

6.Почему повешенное на улице выстиранное белье сохнет быстрее на ветру? Почему в тёплую погоду оно сохнет быстрее, чем в холодную?

7.Почему летним вечером после захода солнца нередко выпадает ро-

са?

90