Методические указания. к выполнению лабораторной работы N 14

к выполнению лабораторной работы N 14

по разделу «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА»

курса общей физики

для студентов экономических специальностей

Могилев 2006

УДК 539.1

Рассмотрены и утверждены

на заседании кафедры " физики

протокол № от

Составитель: доц. Спасков А.Н..

Рецензент: к. ф.- м. н., доц. Малышев В.Л.

© УО «Могилевский Государственный Университет Продовольствия»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение коэффициента линейного расширения твердых тел.

ПРИБОРЫ И ПРИНAДJIEЖНОСТИ: прибор ПРТТ, термометр, штангенциркуль, барометр, стержневые образцы (стальной, aлюминевый, стеклянный), таблица зависимости температуры кипения воды от давления на ее поверхность.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Большинство тел при повышении температуры увеличивает свои размеры. При нагревании тела, имеющего первоначaльную длину l, его относитeльное удлинение пропорционалъно изменению температуры ∆t:

, (1)

где α – коэффициент пропорционалъности, который называется коэффициентом линейного расширения.

Коэффициент линейного расширения определяет относительное удлинение тела при увеличении температуры на один градус.

, (2)

где t1 и t2 - начальная и конечная температуры тела, l1 и l2 - длина тела, соответствующая этим температурам.

Длина тела при любой температуре может быть выражена через длину l0 при C. Из формулы (2) следует, что:

(3)

Коэффициенты линейного расширения изотропных твердых тел в первом приближении зависят только от их материала и для большинства твердых тел имеют порядок 10^-6 – 10^-5. В действительности они несколько зави­сят от температуры.

В результате линейного расширения увеличивается объем тела. Оказы­вается, что объем твердого тела возрастает пропорционально первой степени температуры:

V = V_o(l+βt), (4)

где V₀ - объем при температуре 0⁰С, а β - коэффициент объемного рас­ширения, характеризующий относительное увеличение объема, происходя­щее при нагревании тела на один градус. Между коэффициентами α и β изотропного тела существует следующая приближенная связь:

β = 3α

Тепловое расширение твердых тел связано с характером зависимости сил взаимодействия двух соседних частиц твердого тела от расстояния r между ними. Поскольку каждая частица твердого тела - атом, молекула, ион - состоит из ядер и электронов, между соседними частицами на расстояниях r порядка размеров самих частиц действуют силы притяжения и силы отталкивания. Силы притяжения более дальнодействующие, чем силы отталкивания, т.е. с увеличением расстояния r между частицами они убывают значительно медленнее, чем силы отталкивания. При некотором значении r = r ₀ сила притяжения равна силе отталкивания.

При Т=О К частицы находятся в покое и расстояние между ближайшими частицами равно r₀. При Т>О К они колеблются около положения равновесия и, кроме потенциальной энергии, обладают кинетической, значит, их полная энергия

W=Wпот+Wкин.

Колебания чaстиц твердого тела относительно положения равновесия не являются гармоническими. Эти колебания назывaются ангармоническими. С увеличением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц и, следовательно, возрастает их полная энергия.

Известно, что любое колеблющееся тело (например, физический маятник) смещается относительно положения равновесия до тех пор, пока полная энергия его не станет равной потенциальной. Отсюда следует, что амплитуда колебаний частиц увеличивается.

Следовательно, с увеличением температуры равновесное расстояние между частицами (которое соответствует узлу кристаллической решетки) также увеличивается. Это происходит с любой парой соседних частиц в кристалле. В результате при нагревании среднее расстояние между всеми узлами кристалла возрастает, и кристалл при нагревании расширяется. Таким образом, причиной теплового расширения твердых тел является ангармоничность колебания частиц тела, в свою очередь, обусловленная сложным характером взаимодействия частиц друг с другом.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Для определения коэффициента линейного расширения в настоящей работе применяется метод, основанный на измерении удлинения цилиндрическихстержней из разных металлов и стекла при нагревании.

Прибор для определения линейного расширения твердых тел(ПРТТ) состоит (рис.1) из корпуса 1, к которому крепится защитный кожух 2. Внутри кожуха установлен нагреватель 3. При проведении опытов в нагреватель через резиновую прокладку 4 помещается стеклянная пробирка с водой 5 и исследуемым стержнем 6. На корпусе прибора установлена стойка 7 с кронштейном 9 для индикатора малых перемещений 11. Кронштейн может поворачиватъся вокруг стойки на угол 90⁰.

На панели корпуса расположены индикаторная лампа и кнопочный выключатель. Штепсельная вилка служит для включения прибора в электрическую сеть с напряжением 220 В.

Рис. 1

МЕРЫ БЕЗ0ПАСНОСТИ I1PИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ.

Прибор ПРТТ подключается к сети переменного тока с напряжением 220 В, поэтому необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

1. Внешним осмотром убедиться в правильности подключений в схеме и прочности заземления.

2. До проверки Вашей готовности к занятиям преподавателем, прибор в электрическую сеть не включать!

3. При установке пробирки с исследуемым объектом в нагреватель следить, чтобы на пробирку была надета резиновая прокладка, назначение которой - предотвратить попадание воды в нагреватель. Попадание воды в нагреватель может вызвать короткое замыкание.

4. Если в ходе работы выявились неисправности, отключите прибор от электрической сети и пригласите преподавателя или лаборанта. Самостоятельно неисправность не устранять!

5. При установке пробирки с исследуемым образцом в нагреватель прибора и при вынимании пробирки из нагревателя пользуйтесь держателем.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

Для проведения опытов по определению коэффициента линейного расширения необходимо:

1) измерить барометром атмосферное давление Р_а и, используя таблицу зависимости температуры кипения воды от давления на ее поверхность; определить температуру кипения t₂;

2) пробирку на 1/2 объема наполнить водой комнатной температуры;

3) термометром измерить температуру t_l воздуха в помещении;

4) измерить штангенциркулем длину стержня 1₁ при температуре t_l;

5) опустить в пробирку испытуемый стержень сферическим концом вниз и поместить на штатив;

6) пробирку с испытуемым стержнем через резиновую прокладку и отверстие в крышке прибора ввести в нагреватель;

7) оттянуть шток индикатора 12 вверх, установить индикатор над пробиркой, зафиксировав его винтом 10, и, опустив шток индикатора в углубление на тоpцe стержня, кронштейн зафиксировать винтом 8;

8) вращая шкалу индикатора, стрелку установить на нулевое деление;

9) штепсельную вилку прибора вставить в электрическую розетку и включить питание прибора;

Когда вода в пробирке закипит, испытуемый образец принимает температуру, равную температуре кипения воды. Увеличение длины образца ∆l определяется по отклонению стрелки индикатора от первоначального положения. Отсчет ведут с точностью до половины деления шкалы индикатора, т.е. с точностью до 5 мкм;

10) для проведения опытов с другими образцами необходимо:

а) кнопочным выключателем отключить питание прибора;

б) оттянув шток индикатора вверх, индикатор с кронштейном отвести в сторону до упора;

в) извлечь держателем пробирку из нагревателя и поместить ее в штатив;

11) повторить пункты 2-10 для второго образца.

После снятия показаний по всем образцам приступают к подсчету численного значения коэффициента линейного расширения по формуле 2. Для более точного определения коэффициента рекомендуется проводить не менее 3-х замеров и при вычислении брать среднее арифметическое значение приращения длины для каждого обрaзца.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОIIPOСЫ.

1. Как зависят силы взаимодействия двух молекул (атомов) от расстояния между ними?

2. Что называется коэффициентом линейного, объемного, расширения твердых тел?

3. Чем объяснить тепловое расширение твердых телпри нагревании?

4. Что такое расстояние устойчивого равновесия дух частиц?

5. От каких факторов зависит температура кипения жидкости?