37733

Определение средней длинны свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха

Лабораторная работа

Физика

Подобная модель является приближенной и хорошо отвечает наблюдаемым свойствам газов при выполнении условия где эффективный диаметр частиц газа а средняя длина свободного пробега частиц между соударениями. В данной работе вычисляется средняя длина свободного пробега по коэффициенту внутреннего трения вязкости. Из молекулярнокинетической теории вытекает формула связывающая вязкость со средней длиной свободного пробега молекулы.

Русский

2013-09-25

132 KB

166 чел.

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Наименование факультета - ЕНМФ

Наименование выпускающей кафедры – Кафедра водородной энергетики и плазменных технологий

Наименование учебной дисциплины - Физика

Лабораторная работа № 1-26

Наименование работы – Определение средней длинны свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха.

Исполнитель:

Студент, группы 13А72 (_______)  Бабаев П.А.

 

подпись

(18.02.2008г)

дата

Руководитель,  (_______)  

Должность, ученая степень, звание        подпись

(18.02.2008г)

дата

Томск –2007

Цель работы: проверка применимости модели идеального газа при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Приборы и принадлежности: сосуд с пробкой, в которую вставлен капилляр, мерный сосуд для сбора вытекающей жидкости; измерительная линейка для определения высоты жидкости, микроскоп с прозрачной градуированной линейкой и срез капилляра для определения его радиуса.

Краткое теоретическое введение.

Обмен энергией между частицами происходит только в момент удара. При этом, в большинстве случаев, полагают удар двух частиц абсолютно упругим, без перехода части кинетической энергии в потенциальную энергию возбужденной молекулы или атома.

Подобная модель является приближенной и хорошо отвечает наблюдаемым свойствам газов при выполнении условия  << <>,  где  – эффективный диаметр частиц газа, а <> - средняя длина свободного пробега частиц между соударениями.

В данной работе вычисляется средняя длина свободного пробега по коэффициенту внутреннего трения (вязкости).

Из молекулярно-кинетической теории вытекает формула, связывающая вязкость со средней длиной свободного пробега молекулы. Эта формула имеет вид

                                                               ,                                                              (1)

где- коэффициент внутреннего трения (вязкости); - плотность газа;  - средняя длина свободного пробега;  - средняя арифметическая скорость теплового движения молекул. С учетом максвелловского распределения молекул по скоростям

                                                                                                                                 (2)

Плотность газа  при давлении  , температуре  и молярной массе

                                                                    .                                                                   (3)

Величину внутреннего трения газа  () можно определить, используя закон Пуазейля, согласно которому объем газа, протекающего по трубке радиусом r , длиной   за время t выражается следующим образом:

                                                                 .                                                                (4)

Комбинируя (1) и (4) с учетом (2) и (3), получаем рабочую формулу для расчета средней длины пробега молекул

                                                         .                                                   (5)

Учитывая, что  Дж/К∙моль, кг/моль, рассчитываем коэффициент пропорциональности в формуле (5)

.

Таким образом, формула (5) примет следующий вид:

                                                          ,                                                            (6)

где  – радиус капилляра;  - длина капилляра;  – давление и температура воздуха в помещении;  – объем воздуха, вошедшего в сосуд за время t;  - разность давлений на концах капилляра. Средняя длина свободного пробега  и эффективный диаметр молекулы  связаны между собой соотношением

                                                              ,                                                              (7)

где  – концентрация молекул газа при давлении и температуре

                                                               ,                                                                   (8)

где  = 0С = 273 К;  мм рт.ст. 105 Па;  - число Лошмидта, т.е. концентрация молекул при нормальных условиях ().

Эффективный диаметр молекулы воздуха  можно вычислить из формулы (7), выражающей его связь с длиной свободного пробега (). С учетом соотношения (8), получим

                                                                                    .                                                                                         (9)

Таблица 1.

Расчётная таблица.

№ п/п

, м

, м

, Па

, с

, м3

, К

, Па

, м

Примечание

1

2

3

0,14

0,139

0,137

0,116

0,115

0,113

1254,4

1244,6

1225

187

166

175

50∙10-6

50∙10-6

50∙10-6

301

301

301

105

105

105

0,07

0,07

0,07

Длина деления 0,025 м, r=0,142∙10-3 м

Ср.знач.

0,139

0,115

1241,3

176

     Оценим погрешность измерения <λ>, используя метод оценки погрешности косвенных измерений.

     Вывод формулы погрешности:

.

Обоснование погрешности:

Окончательный результат: <λ><λ>=(2,3±2) 10-8м.

Относительная погрешность результатов измерений: δ<λ>=(10±2)10-8м.

Вывод: В ходе лабораторной работы по экспериментальным данным были определены средняя длина свободного пробега <λ>=2,3·10-6 м и эффективный диаметр молекул воздуха D=6,54·10-10м. После сравнения длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха, можно сказать, что <λ> во много раз больше D, что соответствует модели идеального газа. Была подтверждена возможность  применимости модели идеального газа для воздуха при комнатной температуре и давлении.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72440. СТАНДАРТЫ ВРАЧЕБНОЙ ПОМОЩИ ПРИ КАТАСТРОФАХ 253 KB
  В медицине катастроф необходима стандартизация действий врача, учитывая экстремальность ситуаций, массовый характер и однотипность поражений. Врач скорой помощи, первым прибывший на место катастрофы принимает руководство на себя. Основоположник сортировки Н.Н. Пирогов говорил, что при наличии большого количества...
72441. Лекции по деталям машин 63 KB
  Чтобы не потеряться в океане учебной и научной информации студенту необходим хотя бы простенький компас, которым, надеюсь, послужит предлагаемый конспект лекций. Именно для этого он и создавался. Учитывая же скромный объём, конспект является, образно говоря, путеводителем по незнакомой стране, и не может заменить само путешествие.
72442. История Курского края 1.11 MB
  Краеведение принадлежит к комплексным наукам. В самом термине «краеведение» заключено его определение. Оно изучает природу, историю, хозяйство, население края, его культуру, быт, то есть данная наука близка истории и географии, археологии и искусствоведению, этнографии и другим наукам.
72443. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ: ИСТОРИЯ 1.76 MB
  История в том числе история Отечества история России ставит своей целью показать место и роль её народов в мировом развитии помогает нам постигнуть свое особое место в длинной череде исторических поколений. К работе над курсом было привлечено еще одно дополнительное пособие для старшеклассников...
72445. История менеджмента 602.5 KB
  Управление — понятие широкое. Известно управление машинами, химическими или другими процессами. Оно основано на знании законов механики, физики, химии. Но в обществе происходит управление не только вещами, но и людьми, коллективами людей в процессе производства ими материальных благ.
72446. Общая теория статистики 2.05 MB
  Все показатели социально-экономической статистики и методология их исчисления рассматриваются в свете теории и практики применения системы национальных счетов в условиях рыночной экономики. В результате изучения общей теории статистики социально-экономической статистики и статистики финансов...
72447. Правление Ивана I Калиты. Именно при нём начинается возвышение Москвы 28.5 KB
  Тверской князь поддержал это восстание. Этим тут же воспользовался Иван Калита, поехал в Золотую Орду, нажаловался на Тверского князя. Его поставили во главе монгольского отряда для подавления восcтания. Тверь была захвачена и полностью разграблена.
72448. ИСТОРИЯ ПЕДАГОГИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ КАК ОТРАСЛЬ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ 928 KB
  В настоящем пособии на основе ведущих концептуальных подходов к осмыслению историко-педагогического процесса предлагается целостное изложение основных явлений теории и практики образования начиная с рассмотрения предмета истории педагогики и образования и заканчивая...