МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ И ТЕРМОДИНАМИКЕ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ивановский государственный энергетический университет

имени В.И. Ленина»

 

Кафедра физики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ И ТЕРМОДИНАМИКЕ

  Иваново 2006 Составители: В. Х. КОСТЮК,   … В методических указаниях приведены основные теоретические сведения и практические рекомендации по выполнению…

Рецензент

Методические указания к лабораторным работам по молекулярной физики и термодинамике  

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ВОЗДУХА МЕТОДОМ ПУАЗЕЙЛЯ

1. Изучение стационарного ламинарного движения несжимаемой жидкости (газа) в изотермических условиях через горизонтальные цилиндрические трубы… 2. Экспериментальное определение динамической вязкости воздуха методом… 3. Количественная оценка средней длины свободного пробега молекул воздуха и их размеров (эффективный диаметр) на…

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.2

ИЗУЧЕНИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА ПО МЕТОДУ КЛЕМАНА-ДЕЗОРМА

1. Изучение тепловых процессов в идеальном газе. 2. Экспериментальное определение коэффициента Пуассона. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.3

ИЗУЧЕНИЕ АДИАБАТНОГО ПРОЦЕССА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ЗВУКОВЫХ ВОЛН

1. Изучение распространения звуковых волн в газах. 2. Экспериментальное определение коэффициента Пуассона. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Лабораторная работа № 2.4.

Определение вязкости жидкости методом Стокса

Цель работы: изучение механизма вязкого трения в жидкости и экспериментальное определение динамической вязкости глицерина методом падающего шарика (метод Стокса).

Приборы и принадлежности. Сосуд с исследуемой жидкостью (глицерин), секундомер, масштабная линейка, микрометр, набор шариков.

 

Теоретическое введение

Для жидкостей характерна малая сжимаемость, слабое тепловое расширение, способность сохранять объем, текучесть и существование свободной поверхности. По своей природе силы взаимодействия между молекулами объясняются характером межмолекулярных взаимодействий. По своей природе силы взаимодействия между молекулами – это электрические силы, обусловлены тем, что атомы и молекулы содержат электрически заряженные частицы. Т.к. в атомах имеются частицы с одинаковым количеством зарядов, то неизбежно должны существовать как силы притяжения, так и силы отталкивания. Количественно оценить силы взаимодействия между молекулами весьма трудно, т.к. в них содержится много заряженных частиц. Но качественная картина такова: на расстояниях нескольких диаметров молекулы силы взаимодействия спадают до нуля, при сближении возникают силы притяжения, которые при дальнейшем сближении уменьшаются до нуля, которые при дальнейшем сближении молекул переходят в силы отталкивания.

Потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия E_n в зависимости от расстояния между молекулами имеет вид (рис 1), где точка r_o соответствует положению устойчивого равновесия, в котором потенциальная энергия взаимодействия минимальна.

В кристаллах и жидкостях молекулы располагаются в пространственных потенциальных ямах, совершая колебания около положения равновесия. В кристаллах молекулы ведут оседлый образ жизни, колеблясь около положения равновесия, образуя правильную кристаллическую решетку.

В жидкостях средняя кинетическая энергия соответствует глубины потенциальной яме. Поэтому молекула, поколебавшись, некоторое время около одного положения равновесия в окружении определенных молекул, через некоторое время выскакивает из этого окружения и попадает в новое окружение, соответствующее новому положению равновесия. Именно таков характер тепловых движений молекул жидкости. Благодаря большой плотности молекул в жидкостях, их поступательное движение весьма ограничено.

В отсутствии внешних сил перескоки молекул из одного положения в другое имеют хаотический характер. Если же на жидкость действует сила в течение достаточного длительного времени по сравнению со средним временем оседлой жизни молекул, то перескоки молекул в направлении силы будут происходить чаще, чем в обратном направлении. Этим объясняется текучесть жидкости.

Вязкость жидкости, т.е. перенос импульса от слоя к слою, осуществляется главным образом молекулами, изредка совершаемыми скачкообразные движения, меняя, таким образом, положение равновесия, около которых они совершают колебания. При не высоких температурах перескоки молекул происходят сравнительно редко. Поэтому вязкость жидкость очень велика по сравнению с вязкостью газов. Характерной для жидкости является очень сильная зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры. С повышением температуры вязкость жидкости быстро падает. Качественно это можно объяснить тем, что с увеличением температуры растет кинетическая энергия молекул, и поэтому увеличиваются число перескоков молекул жидкости. Что касается зависимости вязкости жидкости от давления, то при обычных давлениях коэффициент динамической вязкости жидкости почти не зависит от давления, но при очень высоких давлениях от 10³ до 10⁴ атм. сильно возрастает с ростом давления. Последнее объясняется тем, что в сильно сжатых жидкостях поступательные движения молекул становятся все более затруднительными: молекулам все реже «удается» покинуть свое место, чтобы перейти в новое, так что обмен количеством движения между частицами уменьшается.

Описание установки. Расчетная формула для вязкости жидкости.

К установке прилагается набор свинцовых и стеклянных шариков. В установке предусмотрено приспособление для подъема шариков после проведения… При падении тела (шарика) внутри покоящейся жидкости на него, кроме силы тяжести mg действует и выталкивающая сила…

Порядок выполнения работы

2. Свободно отпустите один из шариков в глицерин и при помощи секундомера измерьте время прохождения шарика между метками А и В. Шарик опускают в… 3. С помощью линейки (или по измерительной шкале расстояний) измерьте… 4. Измерьте внутренний диаметр сосуда D и найдите отношение .

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте и запишите закон Ньютона для вязкого трения. Каков физический смысл вязкости?

2. Как объясняет молекулярная теория текучесть и вязкость жидкости?

3. Как зависит вязкость жидкости от температуры и давления? Дайте обоснование характера этих зависимостей.

4. Каковы пределы применимости формулы Стокса (2)? Выполняются ли в данной работе условия для применения формулы Стокса?

5. Получите формулу Стокса с точностью до постоянного коэффициента, используя теорию размерности.

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

2. Иродов, И.Е. Физика макросистем. Основные законы / Е.И. Иродов.– М.; СПб.: Физматлит, 2001. 3. Волков, В.Н. Физика: в 3 т. / В.Н. Волков, Г.И. Рыбакова, М.И. Шипко;… 4. Крылов, И.А. Физические основы электромагнитных процессов в технических средствах автоматизации: учеб. пособие /…