- •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
7.4. Розріджені гази. Вакуум
Тиск газу, що міститься у посудині, прямо пропорційний до концентрації молекул. Якщо з посудини, не змінюючи її об’єму, видалити певну кількість молекул, то, очевидно, що тиск газу знизиться. Газ у стані розрідження – це газ, тиск якого менший від атмосферного. Водночас зі зниженням тиску зростає довжина вільного пробігу молекул l. Вакуумом називають стан газу, за якого l сумірна або перевищує характерні розміри посудини d. Залежно від співвідношення між l, d і тиску, розрізняють низький (l<<d), середній (l<d), високий (l>d) і надвисокий (l>>d) вакуум. Сучасні вакуумні помпи і системи дають змогу отримувати у замкнутих об’ємах надвисокий вакуум до 10–14 тор.
У розріджених газах явища перенесення мають суттєво інше трактування, ніж за звичайних тисків. Зокрема, за умов вакууму молекули газу рухаються без зіткнень між собою, а стикаються лише зі стінками посудини.
За цих умов поняття в’язкості (або внутрішнього тертя) газів втрачає зміст, а течію газу називають молекулярною. Зокрема, саме в режимі молекулярної течії відбувається протікання розрідженого газу через малий отвір площею S або пористу перегородку, що розділяє два об’єми, у яких містяться гази за різних тисків р1 і р2. Такий процес називають ефузією. У цьому випадку кількість молекул, що проходять за одиницю часу через отвір площею S, виражають формулою
. (7.17)
Механізм теплопровідності у розріджених газах також буде іншим, ніж у газі, що перебуває за нормальних умов. Перенесення енергії у посудині з розрідженим газом забезпечують молекулярні потоки між стінками посудини, якщо температура стінок різна. За цих умов варто говорити не про теплопровідність газу, а про теплопередачу, тобто перенесення енергії молекулярним потоком.
Частина іі. Молекулярна фізика. Лабораторний практикум. Лабораторна робота № 201. Визначення коефіцієнта в’язкості рідини методом стокса
Завдання: визначити коефіцієнт в’язкості гліцерину шляхом дослід-ення руху в ньому змочуваних кульок.
Приладдя: скляний циліндр з досліджуваною рідиною (рис.1), кульки з різних матеріалів, мікрометр, масштабна лінійка з міліметровими поділ-ками, секундомір, термометр, пінцет.
Теоретичний матеріал, який необхідно засвоїти під час підготовки до виконання роботи: явища перенесення в рідинах, внутрішнє тертя, ідеальна і реальна рідина, формула Стокса, коефіцієнти динамічної i кінематичної в’язкості.
Література:
1) § 7.6, с. 114–116; § 7.9, с. 121–123; § 19.12, с. 371–372;
2) § 14.2.3, с. 36–38;
3) § 60, с. 186–190;
4) § 28, 31–33, с. 51–52, 55–59.
О
Рис. 1
Ідея роботи та виведення робочої
формули. На металеву кульку, яка падає в рідині, діють три сили: сила тяжіння
, сила Архімеда
і сила опору F3, яка згідно з формулою Стокса дорівнює 6rv, де – густина матеріалу кульки; 0 – густина рідини; – коефіцієнт в’язкості рідини; r – радіуc кульки; v – швидкість падіння кульки; g – прискорення вільного падіння.
На початковій стадії кулька в рідині рухається з прискоренням, тому сила опору F3 буде збільшуватись доти, доки всі сили, які діють на кульку, не зрівноважаться, а її рух не стане рівномірним. Під час такого рівномірного руху кульки F1+F2+F3 = 0, або
F1=F2+F3. (1)
Підставимо в цю формулу вирази для відповідних сил і розв’яжемо отримане рівняння, матимемо
. (2)
Швидкість кульки можна визначити як v=l/t, де l – шлях, пройдений кулькою; t – час руху.
Оскільки рідина в циліндрі з радіусом R має скінченні розміри, то в рівняння (2) необхідно внести поправку. Тоді кінцева формула для розрахунку коефіцієнта в’язкості матиме вигляд
. (3)
Вираз (3) є робочою формулою лабораторної роботи.