методичка по молекулярке

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Приборы и принадлежности: психрометр бытовой, психрометр аспирционный, барометр.

Цели работы:

1.Изучение методов определения влажности воздуха;

2.Изучение свойств реальных газов.

Теория метода

Для определения влажности воздуха существуют различные методы.

Метод точки росы. В зависимости от изменения температуры при изменении упругости (давления) пара воздух может быть в большей или меньшей степени насыщен водяными парами. Чем выше температура, тем при прочих равных условиях выше упругость насыщенного пара. Понижением температуры можно достичь насыщения пара независимо от его упругости.

Температура, при которой водяной пар, имеющийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы, т.к. при дальнейшем понижении температуры пар конденсируется – "выпадает роса". Упругость насыщенного пара, конденсирующегося при точке росы, равна упругости паров при температуре окружающего воздуха. Таким образом, точка росы характеризует абсолютную влажность при данной температуре.

Метод психрометра. Этот метод определения влажности основан на зависимости скорости испарения воды от влажности окружающего воздуха.

Психрометр состоит из двух одинаковых термометров, укрепленных на одном штативе. Шарик одного из них обернут батистовой тканью и помещен в резервуар с водой - влажный термометр. Испарение воды с поверхности шарика влажного термометра вызывает его охлаждение. Температура при этом понижается до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, при котором поглощение тепла испаряющейся жидкостью полностью компенсируется притоком количества теплоты из окружающей атмосферы и температура его остается постоянной, несмотря на продолжающееся испарение воды. Тепловое равновесие возможно лишь при условии, что термометр получает в единицу времени столько же тепла, сколько он теряет вследствие испарения воды с его поверхности. Количество теплоты, получаемое термометром за единицу времени, определяется по закону Ньютона:

31

где χ - коэффициент теплопроводности, tC , tВ - температуры сухого и

влажного термометров соответственно, S - поверхность, через которую подводится тепло (поверхность, с которой происходит испарение).

Количество тепла, теряемое вследствие испарения, пропорционально скорости испарения:

где v - скорость испарения - величина, измеряемая количеством воды, испаряющейся с единицы площади поверхности в единицу времени, B - коэффициент пропорциональности.

Скорость испарения по закону Дальтона определяется выражением:

давление, DB - максимальная влажность пара при температуре влажного

термометра, d - абсолютная влажность, c - коэффициент пропорциональности, который зависит от скорости движения воздушных слоев над испаряющейся поверхностью.

Подставляя (7.3) в (7.2), получим:

Q2 = BcS (DB −d) . pa

Вследствие теплового равновесия Q1 = Q2 или:

Решая уравнение (7.4) относительно d , получим:

Выражение α = Bck , называют психрометрическим коэффициен-

том или психрометрической постоянной. В этом случае (7.5) можно за-

писать в виде:

Эта формула называется формулой Ренью. Значение α можно определить из формулы (7.7):

Все величины, кроме абсолютной влажности, могут быть найдены непосредственно.

Более удобным и точным является аспирационный психрометр. В аспирационном психрометре шарики сухого и влажного термометров заключены внутри металлических кожухов, которые служат для защиты от

32

излучения окружающих тел. При помощи небольшого вентилятора, расположенного в верхней части прибора, внутри кожухов создаются потоки воздуха, имеющие определенную скорость.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1 Определение влажности воздуха бытовым психрометром

Этот метод часто применяется в гигиенической практике. Зная показания психрометра, можно непосредственно из таблицы определить абсолютную и относительную влажность. Таблицей пользуются следующим образом: в крайней вертикальной графе слева находят температуру влажного термометра. В верхней горизонтальной графе находят разность температур, соответствующую разности показаний сухого и влажного термометров. Из графы "разность" опускают перпендикуляр на горизонталь, соответствующую температуре влажного термометра. На пересечении этих линий и будет значение относительной влажности, выраженное в процентах, а рядом указывается значение абсолютной влажности.

Упражнение 2 Определение психрометрической постоянной аспирационным

психрометром

1.Осторожно с помощью специальной пипетки смочите батист шарика влажного термометра. Заведите пружину вентилятора и продуйте воздух через цилиндрические кожухи, в которых расположены термометры.

2.Снимите показания сухого и влажного термометров, когда между их показаниями установится определенная, не изменяющаяся разность температур.

3.Определите атмосферное давление по барометру, найдите в таблице значение максимальной влажности при температуре влажного термо-

метра DB и, подставив в формулу (7.7), найдите психрометрическую постоянную α. Для вычисления α абсолютную влажность следует брать из предыдущего упражнения.

33

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ КАПИЛЛЯРНЫМ ВИСКОЗИМЕТРОМ

Приборы и принадлежности: прибор, пипетка, пикнометр, секундомер, исследуемые жидкости, термометр.

Цели работы:

1.Изучение основ внутреннего трения в жидкостях;

2.Экспериментальное определение коэффициента внутреннего трения жидкости.

Теория метода

Для определения коэффициента вязкости жидкости используется закон Пуазейля для ламинарного течения по трубам (капиллярам):

бы, V1 - объем жидкости, протекший через трубу в единицу времени, η -

коэффициент вязкости.

Пользуясь этим выражением, зная величины V1 , r , l, ∆p , можно определить коэффициент вязкости η. Однако удобнее пользоваться формулой Пуазейля для определения относительного коэффициента вязкости.

В самом деле, если взять две жидкости (соответствующие величины для одной из них отметим знаком 0, а другой - 1) и измерить времена t1 и

t0 истечения одинаковых объемов V этих жидкостей (V =V1t) через один и

Разделим второе уравнение на первое, получим:

1 = ∆p1t1η0 , ∆p0t0η1

или

34

Если жидкость вытекает под действием силы тяжести, то

Таким образом, зная времена истечения взятых жидкостей t1 и t0 и их плотности ρ1 и ρ0 , можно определить относительный коэффициент

внутреннего трения η1 , а найдя из таблиц значения η0 - эталонной жидко-

η0

сти, вычислить и абсолютную величину коэффициента внутреннего трения исследуемой жидкости η1 .

Порядок выполнения работы

1.Прополощите тщательно прибор водой из водопроводного крана, а затем небольшим количеством дистиллированной воды.

2.Заполните вискозиметр дистиллированной водой, как это указано выше, и определите время истечения воды.

3.Прополощите вискозиметр небольшим количеством исследуемой жидкости и, заполнив прибор, определите время ее истечения.

4.Плотность исследуемой жидкости определите с помощью пикнометра, а плотность воды и ее вязкость при температуре опыта определите по таблицам.

5.Рассчитайте искомый коэффициент вязкости.

35

ЧАСТЬ II. «ЖИДКОСТИ», «ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА АВОГАДРО МЕТОДОМ РАСТЕКАНИЯ КАПЛИ

Приборы и принадлежности: кювета, бюретка на штативе, линейка, раствор касторового масла или олеиновой кислоты.

Цели работы:

1.Изучение основ физики жидкостей;

2.Экспериментальное определение числа Авогадро.

Теория метода

Число Авогадро – это число молекул в моле любого вещества. Число Авогадро является одной из важнейших универсальных постоянных, значение которой используется при определении многих других постоянных величин (постоянной Больцмана, заряда электрона и т.д.). Существует до 20 различных методов определения числа Авогадро. Наиболее точное значение числа Авогадро получено на основании данных о плотности и строении кристаллов. Одним из первых методов определения числа Авогадро является метод Ж.Перрена, основанный на наблюдении распределения по высоте частиц, взвешенных в жидкости и совершающих броуновское движение.

В данной работе для определения числа Авогадро используется метод расте-

кания капли. Если капля раствора олеино- Рис. 1.1 вой кислоты в легко летучей жидкости па-

дает на поверхность воды, то растворитель быстро испаряется, а олеиновая кислота, растекаясь, образует на поверхности воды мономолекулярную пленку. Если на поверхность воды посыпать предварительно легким слоем пробковых опилок или талька, то на ней образуется хорошо наблюдаемое, свободное от порошка круглое пятно.

Рассмотрим каплю некоторой жидкости 1, расположенную на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости 2. Форма капли устанавливается в данном случае под влиянием трех сред: жидкости 1, жидкости 2, воздуха 3. Эти три среды имеют общую границу – окружность, ог-

36

раничивающую каплю и пересекающую плоскость чертежа в двух точках А и В.

По этой окружности пересекаются между собой три поверхности: поверхность, разграничивающая жидкость 2 и воздух 3 с коэффициентом поверхностного натяжения α23 , поверхность, разграничивающая жидкость

1 и воздух 3 с коэффициентом поверхностного натяжения α13 , поверх-

ность, разграничивающая жидкости 1 и 2 с коэффициентом поверхностного натяжения α12 .

На каждую единицу длины контура (окружность диаметра АВ), разграничивающего все три среды, действуют силы поверхностного натяжения F23 , F13 , F12 , численно равные соответственно значениям α23 , α13 , α12

(рисунок 1.1.). Эти силы будут направлены перпендикулярно к отдельным элементам окружности и касательно к соответствующим поверхностям раздела. В случае, когда можно пренебречь силой тяжести по сравнению с силами поверхностного натяжения, равновесной будет такая конфигурация капли, для которой:

F23 + F13 + F12 = 0 .

Или, переходя от векторной суммы к алгебраической, получим:

F23 = F13 cos θ13 + F12 cos θ12 .

Отсюда следует, что в случае равновесия

F23 ≤ F13 + F12 ,

т.е.

α23 ≤ α13 +α12 ,

т.к. cos θ13 <1 и cos θ12 <1.

Если же

F23 > F13 + F12 ,

т.е.

α23 > α13 +α12 ,

то равновесие капли жидкости 1 на поверхности жидкости 2 невозможно, поэтому капля растекается по поверхности жидкости в виде пленки мономолекулярной толщины.

37

Многие органические жидкости (эфир, скипидар, керосин) растекаются на поверхности воды. Для некоторых жидкостей (бензол, жирные кислоты, масло) явление растекания наблюдается только для первых капель, помещенных на поверхность воды. Последующие капли уже не растекаются, а остаются на поверхности воды в виде устойчивых капель. Это объясняется тем, что первые капли растекаясь, загрязняют поверхности воды и уменьшают поверхностное натяжение настолько, что равновесие капель становится возможным.

Многочисленные эксперименты, в частности опыты Ленгмюра, Дево, Релея и других, привели к выводу, что если площадь воды достаточно велика, то капля масла соответствующего объема растекается в очень тонкий мономолекулярный слой. Произведенные вычисления показали, что площадь, занимаемая каждой молекулой жирных кислот, равна

Sm = 21 10−20 м2 .

Молекулы жирных кислот представляют собой нечто вроде эллипсоида или цилиндра, и в мономолекулярном слое на поверхности воды они ”упакованы” вплотную, соприкасаясь боковыми поверхностями. Зная площадь, занимаемую одной молекулой, и измерив, диаметр круга пятна на поверхности воды, можно рассчитать количество молекул в капле раствора:

где S - площадь полученного круглого пятна:

Отсюда для n получим выражение:

Это же число молекул в капле можно найти, если известна масса олеиновой кислоты или касторового масла m , содержащейся в одной капле, и его молекулярная масса µ:

в данной массе вещества. Приравнивая (1.4) и (1.3), получим:

38

Из (1.5) получим формулу для вычисления числа Авогадро:

Порядок выполнения работы

1.В широкий сосуд (фотокювету) налейте чистую водопроводную воду.

2.Поверхность воды слегка посыпьте тонким слоем талька.

3.На поверхность воды капните одну каплю однопроцентного раствора олеиновой кислоты.

4.Измерьте средний диаметр максимально расплывшегося масляного пятна. С этой целью измерьте диаметр пятна в шести различных направлениях и вычислите среднеарифметическое значение.

5.Определите путем взвешивания на аналитических весах массу бюксы m1 .

6.Наберите в бюксу 50 капель раствора и найдите массу бюксы с раствором m2 .

7.Вычислите массу одной капли раствора mк. р. = m250− m1 и массу олеиновой кислоты в одной капле раствора: m = 0,01mк. р. .

8.Подставьте численное значение m в формулу (1.5) и вычислите число Авогадро.

9.Вычислите погрешности определения числа Авогадро.

39

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Приборы и принадлежности: Весы Жоли, кольцо на подвесе, штангенциркуль, разновесы; набор капиллярных трубок (радиусы трубок указаны на трубках), держатель капиллярных трубок, стакан для испытуемой жидкости, сосуды с растворами для промывания трубок, катетометр или отчетный микроскоп на ползунке, термометр, отвес; стеклянная бюретка, воронка, стаканчик, исследуемая жидкость, аналитические весы.

Цели работы:

1.Изучение поверхностных явлений в жидкостях;

2.Освоение методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости;

3.Экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения на границе жидкость-воздух.

Существует ряд методов определения поверхностного натяжения жидкости. В настоящей работе определение коэффициента поверхностного натяжения производится тремя методами, которые предлагаются для выполнения как три упражнения.

Упражнение 1 Определение коэффициента поверхностного натяжения методом

отрыва кольца

Теория метода

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения – весы Жоли – изображена на рисунке 2.1.

Тонкостенное кольцо А, изготовленное из хорошо смачиваемого материала исследуемой жидкостью, подвешивается на пружине В. Подвеска кольца осуществляется таким образом, чтобы его ось была вертикальна. Пружина В прикрепляется к кронштейну К, жестко связанному со штангой Б. Вдоль штанги Б при помощи винта М передвигается столик Р. На столике устанавливается стеклянная кювета С с исследуемой жидкостью (в данном случае с водой). Удлинение пружины В (и тем самым

40