№7 Зертханалық жұмыс қатты дененің сызықтық ұлғаю коэффициентін анықтау

Жұмыстың мақсаты: Молекула-кинетикалық теорияның негізгі қағидаларын оқып үйрену, әр түрлі қатты денелердің сызықтық ұлғаю коэффициентін анықтау.

Қажетті құрал-жабдықтар: қыздыру пеші, суы бар пробирка, термометр, әр түрлі материалдан жасалған білеулер.

Теориядан қысқаша мәлімет

Молекула-кинетикалық теорияның негізгі қағидалары:

• Барлық заттар молекулалардан, ал молекулалар атомдардан тұрады;

• Молекулалар ретсіз қозғалыста болады;

• r < r₀ ~0,1 нм қашықтықта молекулалар тебіледі, болғанда тартылады, r > 10r₀ болғанда ескрмеуге болатындай аз болады . 1 суретте жоғары график).

График потенциальной энергии взаимодействия молекулалардың (атомдардың) әсерлесуінің потенциалдық энергиясының графигі потенциалдық шұқыр түрінде болады (1суретте төменгі график).

Кристалдық торлардың түйіндерінде орналасқан атомдардың әсерлесуі, потенциалдық энергияның W_р олардың ара қашықтығына тәелділігімен анықталады. (2 сурет).Әсерлесетін атомдардың ара қашықтығы температураның абсолют нөліне потенциалдық энергияның минимумына сәйкес келеді.

1 сурет	2 сурет.

Классикалық физиканың түсінігі бойынша температураның абсолют нөлінде атомдар қозғалмайды, олардың әрқайсысы тұрақты тепе-теңдікте – потенциалдық шұқырдың түбінде деп қарастырылады.Температураның жоғарылауымен атом осы тепе – теңдік қалпының маңында kT орташа кинетикалық энергүиямен тербеледі. Температура атомдар мен молекулалардың жылулық қозғалысының орташа кинетикалық энергиясының өлшеуіші болып табылады.

Қайсібір Т₁ температурада,қалыптыТ₀ = 273,15 К температурадан көп ауытқымайтын, Цельсия шкаласы бойынша t = 0°C, кинетикалық және потенциалдық энергияларының қорытқы мәні Е болады. Бұл тербелу процесі кезінде атомдардың ара қашықтығы мәнінен мәніне дейін өзгереді. Атомдардың орташа ара қашықтығы болады. Тепе-теңдік қалпының маңында -нүктесі потенциалдық энергияның графигі симметриялы болмағандықтан, температура артқан сайын атомдардың орташа ара қашықтығы артады. Нәтижесінде қатты дененің сызықтық өлшемі және көлемі артады. Осы құбылыс жылулық ұлғаю деп аталады.

Графиктен көрініп тұрғандай, (2 сурет) 0°C температурадағы молекулалардың ара қашықтығы іс жүзінде температураға сызықтық тәуелді.. Бұл дененің сызықтық өлшемін(ұзындығын) мына түрде жазуға мүмкіндік береді:

,

(1)

мұндағы L₀ −   0°C температурадағы дененің ұзындығы, –қатты дененің сызықтық ұлғаю коэффициенті.

Анизотропты қатты денелердің(кристалдардың) сызықтық ұлғаю коэффициенті бағытқөа тәуелді, ал изотропты денелер үшін(аморф денелер, шыны, поликристалдар үшін) бағытқа тәуелсіз. Темір және бетон үшін К^-1.

(1) формуладан көлемнің температураға тәуелділігі шығады:

,

(2)

мұндағы −жылулық көлемдік ұлғаю коэффициенті .

(1) теңдеуді температураның екі мәні үшін жазып, теңдеулер жүйесін аламыз:

Теңдеулер жүйесін шешіп,мынаны аламыз,

,

(3)

мұндағы −дененің жылулық ұлғаю кезіндегі ұзаруы; әрине .

Сызықтық ұлғаю коэффициентінің жанама өлшеу кезіндегі абсолюттік қателігі:

,

(4)

мұндағы ,,−білеудің ұзаруының х, білеудің ұзындығының L, температурның Т, сәйкес қателіктері.

Рис. 3.

Зертханалық қондырғының жұмыс істеу принципі

Қондырғы (Сурет. 3) сумен толтырылған пробиркадан 5, қыздыру пешінен 4, микрометрлік индикатордан1, винтпен бекітілетін 2 құрылғыдан тұрады. Индикатор өзі бекітілген кронштейнмен бірге горизонталь жазықтықта тік оське қатысты айналады. Білеу 6 индикатордың 3 итергіші мен пробиркның түбі арасында орналастырылады. Қыздырғанда білеу ұлғаяды да 3 индикатордың итергішін ығыстырады. Білеудің ұзаруы индикатордың шкаласы арқылы анықталады.