- •Молекулярна фізика. Лабораторний практикум
- •Перелік лабораторних робіт
- •Список рекомендованої літератури
- •Частина і. Молекулярна фізика. Розділ 1. Будова речовини
- •1.1. Модель речовини. Маси атомів і молекул
- •1.2. Сили міжмолекулярної взаємодії. Агрегатні стани речовини
- •1.3. Енергія міжмолекулярної взаємодії. Потенціал Ленарда–Джонса
- •1.4. Структура речовини
- •1.4.1. Газоподібний стан
- •1.4.2. Рідини
- •1.4.3. Тверді тіла
- •Розділ 2. Основи молекулярно-кінетичної теорії газів
- •2.1. Ідеальний газ. Ізопроцеси. Рівняння стану ідеального газу
- •2.2. Тиск і температура ідеального газу. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії
- •2.3. Поняття про статистичний розподіл. Функції розподілу
- •2.3.1. Закони розподілу молекул ідеального газу за швидкостями й енергіями теплового руху (розподіл Максвелла)
- •2.3.2. Барометрична формула. Розподіл Больцмана
- •2.3.3. Розподіл Максвелла–Больцмана
- •2.3.4. Квантові аспекти розподілів. Розподіли Бозе–Айнштайна і Фермі–Дірака
- •2.4. Середня кількість зіткнень молекул. Середня довжина вільного пробігу
- •Розділ 3. Основи термодинаміки
- •3.1. Головні поняття й означення
- •3.2. Внутрішня енергія ідеального газу Молекули ідеального газу не взаємодіють на відстані, тому
- •Вище доведено, що середня кінетична енергія теплового руху молекули ідеального газу
- •3.3. Теплоємність ідеального газу
- •Для ізобарного процесу
- •3.4. Теплоємність рідин
- •3.5. Теплоємність твердих тіл
- •3.5.1. Класична теорія теплоємності твердих тіл
- •3.5.2. Квантові теорії теплоємності твердих тіл.
- •3.6. Адіабатний процес
- •3.7. Політропні процеси
- •3.8. Робота в термодинамічних процесах
- •3.9. Стисливість газів
- •3.10. Ентропія
- •3.11. Циклічні процеси. Теплові машини
- •Розділ 4. Реальні гази
- •4.1. Рівняння стану реального газу. Рівняння Ван-дер-Ваальса
- •4.2. Внутрішня енергія і теплоємність реального газу
- •Розділ 5. Поверхневий натяг. Капілярні явища
- •На підставі (5.3) рівняння (5.4) запишемо у вигляді
- •Розділ 6. Фазові переходи
- •6.1. Агрегатні стани і фази речовини
- •6.2. Фазові переходи першого і другого роду
- •Розділ 7. Явища перенесення
- •7.1. Самодифузія і взаємна дифузія
- •7.2. Теплопровідність
- •7.4. Розріджені гази. Вакуум
- •Частина іі. Молекулярна фізика. Лабораторний практикум. Лабораторна робота № 201. Визначення коефіцієнта в’язкості рідини методом стокса
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 202. Дослідження залежності коефіцієнта в’язкості рідини від температури
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 203. Визначення коефіцієнта в’язкості рідини за допомогою капілярного віскозиметра оствальда
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №205. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом відривання кільця
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 206. Дослідження залежності коефіцієнта поверхневого натягу рідини від температури методом максимального тиску в бульбашці
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №208. Дослідження теплового розширення металів
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №209. Визначення питомої теплоємності металів методом охолодження
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 210. Визначення сталої больцмана та універсальної газової сталої
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №211. Визначення середньої довжини вільного пробігу та ефективного діаметра молекул повітря
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 212 визначення співвідношення теплоємностей повітря сp/сv методом клемана–дезорма
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 213. Визначення співвідношення теплоємностей повітря ср / сv методом стоячої хвилі
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 214. Вимірювання вологості повітря психрометром
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 215. Дослідження критичного стану речовини
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота №216. Дослідження процесу плавлення кристалічних речовин
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Додатки Головні фізичні сталі
- •Густина твердих тіл . За температури 20ºС
- •Густина рідин за температури 20ºС
- •Густина газів
- •Додаток 4 Теплофізичні коефіцієнти твердих тіл
- •Додаток 5 Пружні властивості твердих тіл
- •Додаток 6 Коефіцієнти лінійного теплового розширення твердих тіл в інтервалі 0–100 ºС
- •Додаток 7 Швидкість поширення звуку в різних середовищах
- •Додаток 8 Деякі фізичні характеристики рідин
- •Додаток 11 Коефіцієнт об’ємного теплового розширення деяких рідин
Порядок виконання роботи
Записати сталу приладу А, яка є в паспорті установки. Виміряти за показами термометра і барометра кімнатну температуру Т = (... ±... ) К й атмосферний тиск P = (...± ... ) Н/м2. Увімкнути живлення секун-доміра 7.
Мірну склянку 9 поставити під кран 8. Обережно відкрутити кран, щоб вода з посудини 1 повільно виливалась у мірну склянку.
Стежити за показами манометра 6. Коли різниця рівнів води h в колінах манометра перестане змінюватись, виміряти її та ввімкнути відлік часу t за секундоміром 7, одночасно зафіксувавши на лінійці 2 висоту H1 рівня води в посудині 1.
Після того, як рівень води в посудині 1 опуститься на 3–5 см, припинити відлік часу й одночасно зафіксувати на лінійці 2 висоту Н2 рівня води в посудині 1.
Результати вимірювань h, t, Н1 і Н2 записати в таблицю:
-
Номер
за пор.
h,
м
h,
м
t,
с
t,
с
H1,
м
H1,
м
H2,
м
H2,
м
1
….
С.з.
6. Повторити експеримент згідно з пунктами 1–5 ще двічі. Результати вимірювань усереднити.
7. За середніми значеннями виміряних експериментально величин обчислити згідно з формулами (8) і (11) і de.
8. Абсолютні похибки і de обчислити за формулами
;
.
9. Записати кінцевий результат експерименту у вигляді
= ( ) м, E = … %;
de = (dede) м, Ede = … %.
Контрольні запитання
1. Сформулюйте головні положення молекулярно-кінетичної теорії газів.
2. Що називають довжиною вільного пробігу молекул? Від чого вона залежить?
3. Дайте означення ефективного діаметра молекули газу. Запишіть і поясніть формулу залежності між і de .
4. Запишіть одне з рівнянь МКТ, яке пов’язує макро- і мікропараметри газу.
5. Порівняйте між собою середню, середню квадратичну та найімовірнішу швидкості молекул газу. Як їх визначають?
6. Запишіть і поясніть формулу Пуазейля.
7. Як змінюється в’язкість газу зі зміною температури?
Лабораторна робота № 212 визначення співвідношення теплоємностей повітря сp/сv методом клемана–дезорма
Завдання: експериментально визначити співвідношення теплоєм-ностей повітря за сталого тиску і сталого об’єму СP /СV.
Приладдя: установка для визначення співвідношення теплоємностей повітря.
Теоретичний матеріал, який необхідно засвоїти під час підготовки до виконання роботи: ізопроцеси в ідеальному газі; адіабатичний процес; рівняння Пуассона; внутрішня енергія ідеального газу; теплоємність, питома та молярна теплоємності; теплоємність за сталого тиску і сталого об’єму; рівняння Майєра; ступені вільності молекул; визначення СP /СV через ступені вільності молекул.
Література:
1) § 16.2–16.5, с. 285–304;
2) § 18.6–18.8, c. 68–74;
3) § 45–46, с. 104–146; § 71–72, с. 223–232;
4) § 41, с. 73–75; § 50–51, с.88–90; § 53,55, с. 94–96.
Рис. 13
Опис установки. Експериментальна установка (рис. 13) складається зі скляної посудини 1, герметично закритої корком 5. Через корок проходить скляна трубка з двоходовим краном 4. Кран 4 може з’єднувати посудину 1 з атмосферою або ж із помпою 2, якщо кран 3 відкритий. У першому випадку тиск повітря в балоні дорівнює атмосферному, а різниця рівнів рідини у манометрі 6 – нулю. Якщо кран 4 повернути в інше положення і помпою 2 нагнітати повітря в балон, то тиск у ньому збільшиться на р = gh, де – густина, а h – різниця рівнів рідини в манометрі 6.
Ідея роботи та виведення робочої формули. В цій роботі досліджують процес адіабатичного розширення газу, який описує рівняння Пуассона
PV = const або P1- T = const , (1)
де = СP / СV – показник адіабати.
Очевидне таке: якщо зв’язок між параметрами двох станів газу Р і Т відомий, то з (1) можна отримати вираз для розрахунку СP/СV. У цій роботі досліджуваним газом є повітря, яке міститься в балоні. Після нагнітання в балон повітря його рівноважний стан визначатимуть такі параметри: V, Т1 і P1, де V – об’єм балона; Т1 – кімнатна температура, а
Р1=Р0+gh1. (2)
Тут P0 – атмосферний тиск; h1 – різниця рівнів рідини в манометрі.
Переведемо повітря в балоні в інший стан, з’єднавши за допомогою крана 4 об’єм балона на короткий проміжок часу з атмосферою. Внаслідок адіабатичного розширення частина повітря вийде з балона. Тиск у балоні буде дорівнювати P0, а температура знизиться до Т2. Цей процес описує рівняння (1), а саме:
. (3)
Після закриття крана 4 повітря в балоні з часом знову нагріється до кімнатної температури Т1, а тиск у балоні
Р2=Р0+gh2. (4)
Зазначимо, що цей процес є ізохорним, оскільки об’єм повітря в балоні не змінюється, а тому
. (5)
Параметри T1 і P2 визначають третій стан газу.
Підставимо (5) у (3), отримаємо
. (6)
Прологарифмуємо рівняння (6) і розв’яжемо його щодо :
, (7)
або, використавши (2) і (4),
. (8)
Розкладемо логарифми в ряд Тейлора і, обмежившись двома першими членами, матимемо
i
Підставимо отримані вирази в рівняння (8) і отримаємо
. (9)
Формула (9) є робочою формулою цієї лабораторної роботи.