Теория методов и экспериментальные установки

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

 

Вологда

2016

 

УДК 539.1:536(076).5

ББК 22.36я73+22.317.1я73

М 75

(или П 43)

 

 

Погожев, С.Э.

Молекулярная физика и термодинамика: Лабораторный практикум. / С.Э. Погожев. – Вологда: ВоГУ, 2016. – 68 с.

 

 

Пособие содержит описание лабораторного практикума, включая краткую теорию, методические указания по выполнению работ, описание лабораторных установок, рекомендуемую литературу и контрольные вопросы к защите.

Пособие предназначено для студентов направления бакалавриата 44.03.05 – Педагогическое образование, направленности (профиля) – Математическое и физическое образование и может быть использовано студентами других направлений, изучающих курс физики.

 

 

© ВоГУ, 2016

© Погожев С.Э., 2016

Содержание

Введение…………………………………………………………………....	4
Лабораторная работа №1. Определение величины отношения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме ………………………………………………………………………	6
Лабораторная работа №2. Определение коэффициента динамической вязкости воздуха, средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул ……..…………………………………..	13
Лабораторная работа №3. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости и исследование его температурной зависимости ………………………………………………..	18
Лабораторная работа №4. Определение размеров молекул олеиновой кислоты ….……………………………………….…………………………	26
Лабораторная работа №5. Определение удельной теплоты перехода воды в пар при температуре кипения  ………………………………..…..	31
Лабораторная работа №6. Определение влажности воздуха и постоянной психрометра Ассмана ………………………………...……...	34
Лабораторная работа №7. Исследование изменения энтропии в необратимых адиабатных процессах ……………………………………..	40
Лабораторная работа №8. Определение удельной теплоты плавления и изменения энтропии при нагревании и плавлении олова …………….	44
Лабораторная работа №9. Определение удельной теплоемкости твердых тел ………………………………………………………………...	49
Приложение к практикуму ………………………………………………..	56

 

ВВЕДЕНИЕ

Физика – наука экспериментальная. Это означает, что физические законы устанавливаются и проверяются путем накопления и сопоставления экспериментальных данных. Поэтому лабораторные занятия по физике преследуют две основные цели: во-первых, дать возможность студентам познакомиться с наиболее важными приборами и овладеть основными методами точных физических измерений, вырабатывая тем самым практические навыки научного исследования. Во-вторых, дать возможность более подробно ознакомиться с некоторыми явлениями и законами природы, для полного понимания которых одних демонстрационных опытов на лекциях по физике, как правило, бывает недостаточно.

В лабораторный практикум включены описания лабораторных работ по разделу курса общей и экспериментальной физики: молекулярная физика и термодинамика.

В каждой работе изложены цель, основные положения теории, описание лабораторной установки, порядок выполнения работы и обработки результатов, рекомендуемая литература, контрольные вопросы для защиты полученных результатов.  

Кроме того, в приложении к данному практикуму представлены некоторые элементы физических измерений, которые необходимы при расчетах погрешностей измерений.

При подготовке к выполнению очередной лабораторной работы необходимо изучить теоретический материал, изложенный в рекомендуемой литературе, список которой представлен после описания каждой работы.

При работе в лаборатории необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

 

Последовательность выполнения лабораторных работ

1. В начале занятия студенты должны получить допуск к выполняемой работе.

2. Допущенные к выполнению лабораторной работы студенты знакомятся с экспериментальной установкой и проводят необходимые измерения.

3. Полученные экспериментальные результаты представляются преподавателю.

4. После проведения эксперимента оформляется отчет, который включает в себя название работы, цель работы, принципиальную схему экспериментальной установки, расчетные формулы, таблицы результатов измерений и их математической обработки, графики (если их построение указано в задании), расчет погрешностей измерений, конечный результат, выводы по проделанной работе.

5. Защита результатов выполненной работы производится по контрольным вопросам, приведенным в описаниях работ, с представлением оформленного отчета.

При выполнении лабораторных работ студенты должны соблюдать следующие правила:

- перед проведением эксперимента необходимо тщательно изучить описание экспериментальной установки;

- приступать к измерениям только с разрешения преподавателя или лаборанта;

- после выполнения работы установка должна быть приведена в исходное состояние.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

 

Определение величины отношения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме

 

Цель работы: определение величины отношения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме методом адиабатического расширения и методом стоячих звуковых волн.

 

Краткая теория

Удельной теплоемкостью называется физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо затратить для изменения температуры тела массой 1 кг на 1 К:

,

где dQ − количество теплоты, сообщенное телу; dT − изменение температуры тела. Теплоемкость тела зависит от его массы. В молекулярной физике чаще всего оперируют понятием молярной теплоемкости, т.е. теплоемкости одного моля вещества. Молярная теплоемкость измеряется в Дж/(моль К).

Численное значение теплоемкости зависит от условий, при которых телу сообщалось тепло, поскольку тело, нагреваясь, как правило, изменяет свой объем, т.е. производит работу против сил внешнего давления. Согласно первому закону термодинамики, эта работа может быть совершена либо за счет изменения его внутренней энергии, либо за счет теплоты, полученной телом извне.

Рассмотрим изохорический процесс нагревания тела. В этом случае расширения не происходит, работа против внешних сил равна нулю и вся подводимая к телу теплота затрачивается только на изменение его внутренней энергии:

,

где dU − изменение внутренней энергии тела; m − масса тела;  − масса моля вещества, из которого состоит тело;  − молярная теплоемкость при постоянном объеме.

Нагревание тела в изобарических условиях сопровождается изменением объема тела, т.е. совершением им работы расширения. В этом случае:

 

или            

,

где − молярная теплоемкость при постоянном давлении.

Очевидно, молярная теплоемкость при постоянном давлении  отличается от молярной теплоемкости при постоянном объеме  на величину, равную работе расширения одного моля вещества при изобарическом нагревании на 1 К. В частном случае, когда исследуемым телом является идеальный газ, эта работа численно равна молярной газовой постоянной , т.е.:

 

.                                            (1)       

Соотношение (1) называется уравнением Роберта Майера и справедливо только для идеального газа.

В данной работе измеряются не сами теплоемкости воздуха   и , а их отношение:

.                                          (2)       

Это связано с тем, что экспериментальное определение изохорической теплоемкости газа весьма затруднительно, в то время как это ее значение легко вычислить, зная отношение теплоемкостей  и значение изобарической теплоемкости, которое довольно легко измеряется опытным путем:

или для идеального газа:

.                                            (3)     

 

Теория методов и экспериментальные установки