2.Объяснить физическую сущность закона Фурье. От каких параметров зависит коэффициент теплопроводности газа?

3.Сформулировать коротко суть метода, применяющегося в лабораторной работе, для определения коэффициента теплопроводности воздуха.

Вопросы и задания к защите лабораторной работы

q ln D

1. Вывести формулу d

2 L t

плопроводности воздуха в описываемом эксперименте.

2.Предложить возможные причины расхождения между экспериментальным, табличным и «идеально-газовым» коэффициентами теплопроводности воздуха.

3.Показать, что, исходя из формулы 13 cV , коэффици-

ент теплопроводности не зависит от давления. Тем не менее, при понижении давления, начиная с некоторого его значения (это состояние и определяет понятие вакуума), коэффициент теплопроводности внезапно начинает зависеть от давления. Объяснить этот факт.

Библиогр.: [1]; [2, § 128, 129, 131]; [4, § 86, 89]; [5, § 10.6-10.9 ].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЗАИМНОЙ ДИФФУЗИИ ВОЗДУХА И ВОДЯНОГО ПАРА

Цель работы – изучить диффузию как одно из явлений переноса; определить коэффициент взаимной диффузии воздуха и водяного пара по скорости испарения жидкости из капилляра.

Приборы и принадлежности: экспериментальная установка для определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара (ФПТ1-4), ёмкость с дистиллированной водой, пси-

112

хрометр – прибор, показывающий относительную влажность воздуха в лаборатории.

Описание метода изучения процесса

Диффузия – это процесс выравнивания концентрации газов, сопровождающийся переносом массы соответствующего компонента газа из области с большей концентрацией в область с меньшей. Масса m компонента газа, которая переносится вследствие диффузии через поверхность площадью S, перпендикулярную к оси х, за время t, определяется по закону Фика:

Рассмотрим частично заполненную водой узкую трубку постоянного сечения S , открытую с одного конца, ось х направим вдоль оси трубки. На границе с водой (х = 0) парциальное давление водяного пара pпара в трубке равняется давлению насыщенно-

го пара pнac при температуре опыта. Давление водяного пара в трубке изменяется вдоль оси х от значения pнac до p0 около от-

крытого конца трубки (х = h), которое определяется влажностью воздуха в лаборатории. Следовательно, вдоль оси трубки сущест-

вует градиент парциального давления пара dpdxнac , вследствие чего

возникает диффузионный поток пара, направленный вверх. Плотность пара пapa можно выразить через его парциальное давление,

113

Mпapa – молярная масса воды; pнac – давление насыщенного пара, зависящее от влажности воздуха в лаборатории.

Описание и принцип работы экспериментальной установки

Для определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара предназначена экспериментальная установка ФПТ1-4 (рис. 15.1), состоящая из блока приборов 1, блока рабочего элемента 2, стойки 3, микроскопа 4, рабочего элемента 5, цифрового контроллера для измерения температуры 6.

Основным элементом установки является микроскоп 4. На его предметном столике размещён рабочий элемент, состоящий из измерителя, к подвижной части которого прикреплён корпус из оргстекла. В отверстии корпуса находится стеклянная трубка (капилляр) с дистиллированной водой. Для подсветки трубки при измерениях применяется фонарь, свет от которого передается к рабочему элементу по световоду из оргстекла.

3

115

Рис. 15.1

Яркость свечения лампы устанавливается регулятором «Подсветка капилляра» на передней панели блока приборов 1. Время испарения воды из капилляра измеряется секундомером, расположенным в блоке приборов, и регистрируется на цифровом индикаторе «Время». Секундомер приводится в действие при включении питания блока приборов.

Температура воздуха в блоке рабочего элемента измеряется полупроводниковым термометром и высвечивается на цифровом индикаторе «Температура».

Цена деления α окулярной шкалы микроскопа указана на установке.

Порядок выполнения работы

1.Тубус микроскопа поставить в положение, при котором предметный столик с рабочим элементом располагается горизонтально.

2.Заправить рабочий элемент водой. Для этого залить воду в

лером «Сеть». Регулятором подсветки капилляра установить удобное для работы освещение. Используя систему настройки микроскопа, добиться четкого изображения капилляра (изображение будет перевёрнутым). Записать цену деления окулярной шкалы микроскопа в табл. 15.1.

116

4.Сфокусировать микроскоп на мениске жидкости. Записать

втабл. 15.1 уровень шкалы микроскопа n0 , выраженный в делени-

ях, на котором находится край капилляра.

5.Записать в табл. 15.1 уровень шкалы микроскопа п1, на котором находится край мениска жидкости. Включить отсчёт времени.

6.Наблюдая в микроскоп за движением мениска жидкости через каждые два деления шкалы микроскопа, записывать в

табл. 15.1 значения ni высоты края мениска и время t, соответствующее моменту снятия этого значения. Сделать десять измерений положения мениска.

7.Записать температуру воздуха в рабочем элементе уста-

новки.

8.Установить регулятор подсветки капилляра в положение минимальной яркости, после чего выключить установку тумблером «Сеть».

9.Тубус микроскопа установить в вертикальное положение.

Обработка и анализ результатов измерений

1. Построить график зависимости числа делений n окулярной шкалы микроскопа от времени t : n f t и по наклону полученной усредннёной прямой определить среднее значение n/ t . Умножив

эту величину на цену деления α окулярной шкалы, найти среднее значение скорости испарения жидкости ( h/ t ) из

капилляра.

2. Значение n n1 n0 есть высота

мениска, отсчитанная от края капилляра, в делениях шкалы микроскопа. Най-

117

Рис. 15.3