72410

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛЫ ГАЗА

Лабораторная работа

Физика

Согласно молекулярно-кинетической теории газа хаотическое молекулярное движение является физической причиной наблюдаемых в газах явлений переноса энергии - при выравнивании температур (теплопроводность), массы - при выравнивании концентраций...

Русский

2014-11-22

165 KB

8 чел.

Лабораторная работа 23

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛЫ ГАЗА

Физическое обоснование эксперимента

Согласно молекулярно-кинетической теории газа хаотическое молекулярное движение является физической причиной наблюдаемых в газах явлений переноса энергии - при выравнивании температур (теплопроводность), массы - при выравнивании концентраций (диффузия) и импульса - при выравнивании скоростей направленного движения молекул (вязкость). Хотя тепловые скорости движения молекул велики, процессы переноса совершаются относительно медленно, так как столкновения между молекулами препятствуют их прямолинейному движению и заставляют их двигаться по ломаным траекториям.

Силы взаимодействия между молекулами становятся заметными лишь при малых расстояниях между ними. Поэтому считают, что на пути между ударами молекул, они движутся прямолинейно и равномерно, а отклонения происходят только при их столкновении.

Среднее расстояние, которое проходит молекула за время между двумя последовательными столкновениями, называется средней длиной свободного пробега молекул.

Минимальное расстояние, на которое сближаются при столкновении центры молекул, называется эффективным диаметром молекулы d.

Эффективный диаметр несколько уменьшается с увеличением скорости молекул, т.е. с повышением температуры.

Основные количественные данные для определения длины свободного пробега молекул и их диаметров были получены из исследования явлений переноса - диффузии, теплопроводности и вязкости. Скорость выравнивания концентраций, температур или импульса определяется числом столкновений молекул при их тепловом движении. Поэтому, исследовав явление переноса, можно определить среднюю длину свободного пробега и эффективный диаметр молекулы.

В молекулярно-кинетической теории установлена связь между макровеличинами, характеризующими состояние газа (давление, температура), и величинами, характеризующими одну молекулу газа (масса молекулы, ее скорость и диаметр).

Коэффициент вязкости газа η согласно теории (в предположении, что молекулы являются упругими сфероидами) составляет

(1)

где ρ - плотность газа;  - средняя длина свободного пробега молекулы;  - средняя арифметическая скорость движения молекулы. Из формулы (1) получаем

(2)

Коэффициент вязкости можно найти, воспользовавшись законом Пуазейля, определяющим объем газа V, протекающего через капилляр при ламинарном режиме течения:

(3)

где r - радиус капилляра, l - длина капилляра, Δp - разность давлений на концах капиллярной трубки, обусловливающая течение газа по ней, t - время, в течение которого вытекает газ данного объема

Все величины, входящие в формулу (3), легко измерить. Среднюю скорость молекул газа можно по формуле

(4)

где R = 8,3·103 Дж/кмоль - универсальная газовая постоянная; T - абсолютная температура газа; µ - масса одного киломоля газа (для воздуха µ = 29 кг/моль; воздух приближенно рассматривается как газ, состоящий из одинаковых молекул).

Плотность газа получаем из закона Клапейрона – Менделеева

(5)

где p - давление газа.

Подставив значения величин η,  и ρ из формул (3), (4) и (5) в формулу (2) получаем

(6)

Эффективный диаметр d молекулы вычисляется из выражения

(7)

где n - число молекул в единице объема. Из основной формулы кинетической теории газов имеем

(8)

где k  - постоянная Больцмана, k = 1,38·10-23 Дж/К

Из формул (7) и (8) имеем

(9)

Описание экспериментальной установки

Рис.23.1

Экспериментальная установка изображена на рис. 23.1. Цилиндрический сосуд закреплен вертикально на штативе. Верхнее отверстие сосуда закрыто резиновой пробкой со вставленным в нее капилляром. Снизу сосуд имеет кран. Сосуд заполняется на 4/5 дистиллированной водой. Если открыть кран, то вода сначала выливается из сосуда непрерывной струей, а затем - отдельными каплями. Через капилляр происходит натекание воздуха в сосуд, обусловленное разностью давлений Δ p на концах трубки (верхний конец - атмосферное давление, нижний - меньше атмосферного). Когда вода вытекает из сосуда, объем части сосуда над поверхностью жидкости увеличивается. Так как воздух сюда попадает через очень узкий капилляр, то он натекает медленно. Поэтому давление воздуха p1 в этом объеме становится меньше атмосферного pат. В момент, когда одна капля оторвалась, а следующая еще не выдавилась, наблюдается равенство атмосферного давления снизу на площадь отверстия, через которое вытекает вода, и сверху суммы давлений столба воды ρв gh1 и p1 (давлением, обусловленным поверхностным натяжением мы пренебрегаем):

где ρв - плотность воды, g - ускорение свободного падения, h1 - высота столба жидкости в момент отсчета.

Затем атмосферный воздух натекает через капилляр, давление сверху увеличивается, и выдавливается следующая капля

За то время пока уровень жидкости понижается от h1 до h2,  через капилляр натекает некоторое количество воздуха, и равенство давлений примет вид

Разность давлений станет равной

Так как воздух натекает непрерывно и различие между  и  невелики, то разность давлений в течение эксперимента можно  представить как среднее арифметическое

(10)

Цель работы: определение длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха. Для вычисления средней длины свободного пробега молекулы газа формулу (6) удобнее представить в виде двух сомножителей: в первый множитель войдут, все константы и измеряемые величины, остающиеся во время опыта постоянными (r, l, T и pат), во второй множитель войдут все изменяющиеся при измерениях величины:

(11)

Первый множитель обозначим к, второй множитель - а.

Так как радиус капилляра и его длина указаны на резиновой пробке с капилляром, то после всех измерений можно отдельно сосчитать первый сомножитель. Числитель второго сомножителя является линейной функцией от его знаменателя. Необходимо построить график Δpt = f(V). Обработав численные данные этого графика по методу наименьших квадратов, находят тангенс угла наклона графика к оси абсцисс, т.е. значение величины а и ее доверительную границу Δа .

Произведение обоих сомножителей дает среднее значение длины свободного пробега молекулы воздуха.

Порядок выполнения работы

1. Открыть кран и, дождавшись когда вода начнет вытекать из сосуда каплями, подставить под сосуд предварительно взвешенный стаканчик и, отмерив по шкале высоту уровня воды в сосуде, одновременно включить секундомер.

2. Когда в стаканчике будет приблизительно 30 - 35 см3 воды, перекрыть кран и остановить секундомер. Записать время истечения жидкости. Записать новый уровень воды в сосуде h2.

3. Взвесить стаканчик с водой и по весу вытекшей воды определить ее объем. Это и будет объем воздуха, вошедшего в сосуд через капилляр (плотность воды ρв = 1000 кг/м3).

4. Вычислить Δp по формуле (10).

5. Измерить температуру воздуха в комнате.

6. Измерить атмосферное давление барометром.

7. Повторить эксперименты, описанные в пп. 1 - 4, еще четыре раза таким образом, чтобы количество воды, вытекающей из сосуда, каждый раз увеличивалось и было бы приблизительно равно соответственно 50, 75, 100 и 150 см3.

8. Вычислить среднюю длину свободного пробега молекулы воздуха по формуле (11).

9. Эффективный диаметр молекулы воздуха вычисляется по формуле (9).

Формулы для вычисления погрешностей

Абсолютная погрешность определения средней длины свободного пробега молекулы воздуха  вычисляется по формуле

Абсолютная погрешность измерения эффективного диаметра молекулы воздуха определяется по формуле

Содержание отчета

1. Рисунок установки

2. Измеренные значения температуры комнаты и атмосферного давления воздуха.

3. Размеры капилляра установки.

4. Таблица измеренных в каждом опыте значений Δp, t, V.

5. Расчет сомножителя a и Δa по методу наименьших квадратов по линейной зависимости Δpt = f(V) по пяти снятым точкам.

6. График линейной зависимости: Δpt = f(V).

7. Расчет сомножителя к.

8. Окончательный расчет средней длины свободного пробега молекулы воздуха (произведение сомножителя к на a).

9. Расчет эффективного диаметра молекулы воздуха.

10. Расчет погрешностей полученных значений  и d.

11. Запись окончательного результата работы с погрешностями.

Вопросы

1. Какой газ называется идеальным?

2. В чём заключается отличие реального газа от идеального?

3. Зависит ли  и d от температуры газа?

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45764. Ницше «Рождение трагедии из духа музыки» 37 KB
  Следует отметить что уже в предисловии посвященном Рихарду Вагнеру Ницше заявляет важнейшую посылку своей работы серьезное отношение к эстетической проблематике к искусству говоря о том что противопоставление искусства серьезности существования грубое недоразумение и что его собственное убеждение это взгляд на искусство как на высшую задачу и собственно метафизическую деятельность в этой жизни. Рождение трагедии из духа музыки Die Geburt der Trgödie us dem Geiste der Musik эстетический трактат 1872 года в котором...
45765. Остин. Как производить действия при помощи слов 40 KB
  Остин требует соотносить философские понятия с понятиями обыденного языка с тем как то или иное слово употребляется в обыденной речи. Книга Как произошло слово самая знаменитая работа по философии обыденного языка . Теория речевых актов представлена в нем как только лингвистическая теория ни о какой философии обыденного языка там и речи нет. Введение перформатива позволяет Остину определить область действия правил логической семантики “утверждений†и очертить таким образом сферу употребления терминов обыденного языка определяемое их...
45766. Полани. Личностное знание 37 KB
  Полани является автором концепции личностного или неявного знания которое с его точки зрения нельзя выразить в явной форме но которое является сущностной составляющей деятельности ученого. Ключевое понятие “эпистемологическая страстность†для Полани “истина†это личностная категория относящаяся к убеждениям каждого конкретного человека. Что касается проблемы сознания то Полани так определяет свою концепцию: “Главным ключом для пересмотра этого понятия понятия “знаниеâ€.Для Полани “личностное знание†это сплав...
45768. Платон. Парменид 35.5 KB
  Однако следует принять во внимание тот факт что между логикой гипотез Платона и структурой логики Гегеля в движении идеи от бытия до понятия существует полное совпадение http: www. Первая гипотеза 137с 142а говорит о том что исходной категорией логики является всеобщее единое субстанция или бытие по Гегелю которое только по форме абстрактно бессодержательно. Вторая гипотеза 142b – 157а – это уже начало движения самой логики которая развёртывается из единого содержащего в снятом виде и субъект и все его предикаты....
45769. Розанов. Апокалипсис нашего времени 25 KB
  Две темы: христианство и пол половой вопрос. В человеке еситнечто принадлежащее полу. О человеке нельзя ничего сказать не ограничиваясь его полом. Человек наиболее характерен в сысле разделенности на пол.
45770. Ж.-П. Сартр. «Бытие и ничто» 33 KB
  Бытие и ничто В поисках бытия.2 Бытиедлясебя Ч. 4 обладание действие и бытие основное философское произведение Сартра развернуто и целостно излагающее и обосновывающее фундаментальные онтологические положения и методологические принципы его атеистического экзистенциализма проясняющее его предельные метафизические предпосылки и закладывающее основы сартровского метода экзистенциального психоанализа впоследствии оформившегося как метод биографического анализа. Построение трактата подчинено поиску в опыте эйдетической рефлексии ответов на...
45771. Часть первая. Добро в человеческой природе 73.5 KB
  Добро в человеческой природе Корень нравственности Соловьев усматривает в чувстве стыда. Другими основами нравственной жизни Соловьев называет жалость и благоговение. Разбирая понятие жалости Соловьев находит его источник в органической связи всех существ и альтруизме. Отсюда первобытной формой религии Соловьев считает культ умерших.
45772. Фейербах. Учение о психогенезисе религиозных миросозерцаний 31.5 KB
  Это учение навеяно отчасти Речами о религииШлейермахера. в понимании психологического и исторического происхождения религии. Тем не менее историческое значение религии было огромное так как она воплощала в себе лучшие идеи и чувства человечества объединяя в древнейший период все сферы знания искусства и практической деятельности. По Фейербаху её роль сыграна: мы познали научным путём ту метафизическую иллюзию которая лежит в основе религиозного творчества; секрет религиозных явлений отгадан идейная сторона религии утрачивает свой rison...