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

157 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

13217. Катерина ІІ. Внутрішня та зовнішня політика 41.26 KB
  Катерина ІІ Внутрішня політика Незаконне захоплення престолу Катериною як не парадоксально мало і свої плюси особливо в перші десятиліття правління коли вона €œповинна була важкою працею великими зусиллями і пожертвуваннямивикупити те що законні царі мають без...
13218. Олександр І (1801–1825) 19.3 KB
  Олександр І 1801-1825 Прийшов до влади внаслідок двірцевого перевороту 11 березня 1801 р. На його виховання впливали фр. Лагарп граф В.П.Кочубей. Мав наміри звільнити Російську імперію від тиранії деспотичної регламентації російського життя за часів Павла І. значне поми
13219. Микола І (1825–1855) 18.19 KB
  Микола І 1825-1855 Риси характеру: велика акуратність навіть педантизм у виконанні всіх норм та правил; любив всілякі технічні пристосування машини йому подобалась військова справа. виникнення нових міністерств Імператорського двору Державного майна; кодифіка...
13220. Реформы Александра II 57.74 KB
  Реформы Александра II Личность императора Александра II. Император Александр II родился 18 апреля 1818 г. в Москве. Он первый ребенок в семье великого князя Николая Павловича который в конце 1825 г. стал императором Николаем I. Тогда же особым манифестом его семилетний сы
13221. Олександр ІІІ (1881–1894) 18.29 KB
  Олександр ІІІ 18811894 Участь у російськотурецькій війні 1877-1878 рр. за визволення Болгарії. Шість дітей від шлюбу з датською принцесою Дагмар Марія Федорівна; зміцнення влади та боротьба з терористами маніфест 29 квітня 1881р. за часи правління було страчено 17 чоловік...
13222. Микола ІІ (1894–1917) 17.96 KB
  Микола ІІ 1894-1917 Микола ІІ як і його батько вважав що самодержавство є правлінням незалежним та повноправним основою Держави Російської; він був противником ліберальних поглядів введення значних демократичних свобод в Росії. Останній цар був добрим чоловіком та бат
13223. Росія у 90-х рр. ХХ – на початку ХХІ ст. 35.72 KB
  Росія у 90х рр. ХХ на початку ХХІ ст. Події початку 90х рр. ХХ ст. для державотворення Росії: Декларація про державний суверенітет від 12 червня 1990 р.; укладення 31 березня 1991 р. Федеративного договору між Центром і суб'єктами федерації крім Татарстану й Чечні;
13224. ОРГАНІЗМИ І СОЛОНІСТЬ ВОДИ 386 KB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 ОРГАНІЗМИ І СОЛОНІСТЬ ВОДИ Мета: Ознайомитись з представниками стеногалінних та евригалінних організмів. Контрольні запитання Як поділяються природні води за складом солей Дати визначення стеногалінним організмам
13225. РОЛЬ ТЕМПЕРАТУРИ В ЖИТТІ ГІДРОБІОНТІВ 2.2 MB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 РОЛЬ ТЕМПЕРАТУРИ В ЖИТТІ ГІДРОБІОНТІВ Мета: ознайомитись з температурним діапазоном водних організмів та їхнім пристосуванням до температури; з явищем цикломорфозу. Контрольні запитання Назвати температурні області Світового...