 |
Метод определение объемного коэффициента термического расширения жидкости
|
|
|
|
Кафедра Общей и технической физики
(лаборатория виртуальных экспериментов)
ФИЗИКА
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
В ЖИДКОСТЯХ И ТВЕРДЫХ
ТЕЛАХ
Методические указания к лабораторным работам
С использованием компьютерных технологий
Для студентов бакалавриата и специалитета всех направлений и форм обучения
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2016
УДК 539.12
ФИЗИКА. Тепловые процессы в жидкостях и твердых телах: Методические указания к выполнению лабораторных работ. Фицак В.В., Дьяконов К.В. / Национальный минерально-сырьевой университет ”Горный”. С-Пб, 2016, 23 с.
Лабораторный практикум по курсу общей физики “Статистическая физика и термодинамика” предназначен для студентов бакалавриата и специалитета всех направлений и форм обучения.
С помощью учебного пособия студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.
Выполнение лабораторных работ практикума проводится студентом индивидуально по графику.
Табл. 3. Ил. 6. Библиогр.: 17 назв.
Научный редактор доц. В.В. Фицак
| © Национальный минерально-сырьевой университет ”Горный”, 2016 г. |
Введение
В процессе обучения в вузе выполнение лабораторной работы студентами является одной из форм образовательных технологий. Она способствует формированию у студентов комплекса компетенций, таких как: способность к познавательной и творческой деятельности; способность использовать навыки работы с информацией из различных источников для решения профессиональных задач и др.
|
|
|
Методические указания к лабораторной работе предназначены для самостоятельной работы студентов. Они содержат основные теоретические сведения по теме, а также порядок выполнения и оформления лабораторной работы.
При выполнении лабораторной работы, студент должен понимать физический смыл данного явления или процесса рассматриваемого в лабораторной работе. Поэтому к выполнению работы целесообразно приступать только после изучения теоретического и методического материала, соответствующего данному разделу.
Кроме формирования необходимых для выпускников вуза компетенций, самостоятельное выполнение лабораторной работы способствует подготовке студентов к сдаче экзамена.
3. Лабораторная работа №11
Определение
Коэффициента термического расширения (объемного) жидкости
Цель работы
1) измерить изменение объема воды при нагревании от 0°С до 90°С;
2) определить коэффициент термического расширения воды.
Краткое теоретическое содержание
Опыт показывает, что при повышении температуры происходит увеличение объема жидкости, называемое тепловым расширением. Для характеристики этого явления можно ввести объемный коэффициент термического расширения.
Пусть V0 - объем жидкости при температуре T 1. Увеличение ∆ V при нагревании жидкости до температуры T 2 пропорционально первоначальному объему V0 и изменению температуры D T = T 2 - T 1:
D V = a V 0D T
где a - коэффициент объемного термического расширения, характеризующий относительное увеличение объема ∆ V/V 0, происходящее при нагревании жидкости на 1 градус.
В жидкости при заданной температуре молекулы находятся друг от друга на определенных расстояниях и совершают колебания около положений равновесия. Изобразим на потенциальной кривой значения полной энергии молекулы для ряда значений температуры жидкости (рис. 5). Здесь e 0 - так называемая нулевая энергия - минимальная энергия колебаний молекулы при абсолютном нуле температуры; e 1 и e 2 - энергии колебаний при температурах Т 1 и Т 2. Из рисунка видно, что при абсолютном нуле молекулы колеблются около положений равновесия, расстояние между которыми равно d. При повышении температуры жидкости энергия колебаний возрастает.
|
|
|
Рис. 5
Следовательно, если при температуре Т 1 частица колеблется между точками А1 и В1, то при температуре Т 2 она станет колебаться между точками A2 и В2. А так как потенциальная кривая имеет несимметричную форму из-за несимметричности сил притяжения и сил отталкивания, действующих между молекулами, то точка В смещается вправо значительно сильнее, чем точка А влево. Отсюда следует, что положение равновесия при повышении температуры тоже смещается вправо: r 1 для температуры Т 1 и r 2 для Т 2. Иными словами, расстояние между молекулами при повышении температуры увеличивается за счет несимметричной формы потенциальной кривой межмолекулярного взаимодействия. Это увеличение среднего расстояния между молекулами при нагревании и является причиной термического расширения жидкости.
Заметим линейный закон теплового расширения — это первое приближение, справедливое лишь в определенном интервале температур, зависящем от свойств вещества. При расширении интервала температур линейность нарушается. Так, например, нарушение линейности легко обнаружить у воды при температуре около 4°С, когда у нее максимальная плотность, а при охлаждении ниже 4°С она начинает расширяться вплоть до точки замерзания. Кроме того, как следует из теории и подтверждается в эксперименте, вблизи абсолютного нуля тепловое расширение отсутствует у всех веществ.
Метод определение объемного коэффициента термического расширения жидкости
В работе используются: кварцевая колба объемом 0,5 л; измерительная трубка длиной 50 см; термостат.
В отличие от твердых тел, объем которых изменяется при изменении температуры линейно в большом диапазоне температур, у жидкостей эта зависимость имеет более сложный, нелинейный, характер, особенно вблизи температур фазового перехода. Особенный интерес представляет поведение воды в диапазоне температур 0¸10°С. В данной работе исследуется изменение объема воды в диапазоне температур от 0°С до 40¸90°С, максимальная температура ограничена длиной измерительной трубки. Вода находится в колбе из кварцевого стекла, коэффициент термического расширения которого ничтожно мал, и им при выполнении данной работы можно пренебречь. Измерительная трубка выбирается диаметром в несколько миллиметров, что позволяет пренебречь силами поверхностного натяжения.
|
|
|
Колба с водой помещена в термостат, который позволяет устанавливать температуру в интервале 20¸90°С, т.е. выше температуры окружающего воздуха. Для проведения измерений в интервале 0¸20°С термостат в начале работы заполняется смесью льда и воды, что обеспечивает начальную температуру 0°С.
|
|
|
