За швидкістю звуку в повітрі
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Мета роботи: визначити коефіцієнт Пуассона для повітря, вимірюючи методом стоячої хвилі швидкість поширення звуку в повітрі.
У даній роботі необхідно визначити експериментально адіабатичну постійну (коефіцієнт Пуассона) для повітря. Один із способів визначення g заснований на вимірюванні швидкості звуку в газі. Як відомо з теорії, швидкість звуку v в газі визначається формулою
v =. (3.21)
де R = 8,31 - універсальна газова постійна; Т - абсолютна температура; m - молярна маса газу.
З рівняння (3.21) визначаємо коефіцієнт Пуассона
отже, визначивши експериментально v. можна знайти g.
Схема установки для визначення швидкості звуку наведена на рис. 3.9.
Гучність звучання стовпа повітря в трубі визначається на слух або за допомогою індикатора І (через підсилювач У).
Порушуючи коливання певної частоти за допомогою звукового генератора ЗГ і переміщаючи поршень П в трубі, знаходять положення, відповідні максимальному звуковому сигналу - x1. x2, ..., xn.
Відстані між точками, відповідними максимальному звуковому сигналу
. (3.23)
де x0 - координата початку труби, l - довжина звукової хвилі.
З виразу (3.23) випливає:.
Відомо, що довжина хвилі l пов'язана з частотою n співвідношенням
. (3.24)
де n = 1, 2, 3, ... - число пучностей (положень поршня, що відповідають максимальному звучанням сигналу).
Порядок виконання роботи
1. Включити звуковий генератор ЗГ і індикатор напруги І в мережу 220В. Прогріти 1 - 3 хвилини.
3. Переміщуючи поршень вздовж труби, порахувати число пучностей (максимальний звуковий сигнал), що укладаються по всій довжині трубки - n.
4. Виміряти по лінійці положення останньої пучности - xn і координату початку труби - x0.
5. Повторити пункти 2 - 4 з іншими, зазначеними на панелі приладу, частотами.
6. Зняти показання температури Т в лабораторії по термометру.
Результати вимірювань занести в таблицю 3.3.
Обробка результатів вимірювань
1. За формулою (3.24) розрахувати швидкість звуку в повітрі, використовуючи дані таблиці вимірювань, виражені в одиницях СІ.
2. За формулою (3.22) знайти значення коефіцієнта Пуассона для повітря.
3. Порівняти отримане значення коефіцієнта Пуассона з теоретичним. Зробити висновок за виконану роботу.
Контрольні питання і завдання
1. Сформулюйте перший закон термодинаміки.
2. Як визначається внутрішня енергія системи? Запишіть вираз для внутрішньої енергії ідеального газу.
3. Що таке число ступенів свободи? Як визначається це число для одно-, дво- і трьохатомних молекул?
4. Що називається питомою і Питома теплоємність?
5. Які фізичні величини позначаються знаками СР і СV. Яким рівнянням описується зв'язок між ними? Які закони використовуються при виведенні цього рівняння?
6. Який процес називається ізотермічним? Изобарического? Изохорический? Адиабатическим? Запишіть рівняння стану для цих процесів.
7. Запишіть перший початок термодинаміки для всіх ізопроцессов і для адіабатичного процесу.
Рідина є агрегатним станом речовини, проміжним між газоподібним і твердим і, відповідно, має властивості і тих і інших. Рідини, подібно до твердих тіл, мають певним обсягом і, подібно газам, приймають форму судини, в якому вони знаходяться.
Молекули газу практично не пов'язані між собою силами міжмолекулярної взаємодії. в даному випадку середня енергія теплового руху молекул газу набагато більше середньої потенційної енергії, обумовленої силами тяжіння між ними, тому молекули газу розлітаються в різні боки, і газ займає наданий йому об'єм. У твердих і рідких тілах сили тяжіння між молекулами вже істотні і утримують молекули на певній відстані один від одного. У цьому випадку середня енергія хаотичного теплового руху молекул менше середньої потенційної енергії, яка обумовлена силами міжмолекулярної взаємодії, і її недостатньо для подолання сил тяжіння між молекулами, тому тверді тіла і рідини мають певний обсяг.
У газах молекули рухаються хаотично, тому немає ніякої закономірності в їх взаємне розташування. У рідинах, на відміну від твердих тіл, має місце так званий ближній порядок в розташуванні частинок - їх впорядковане розташування, що повторюється на відстанях, порівнянних з міжатомними. Тепловий рух в рідині пояснюється тим, що кожна молекула протягом деякого часу коливається близько певного положення рівноваги, після чого стрибком переходить в нове положення, що відстоїть від вихідної на відстані близько межатомного. Таким чином, молекули рідини досить повільно переміщаються по всій масі рідини, і дифузія відбувається набагато повільніше, ніж в газах. З підвищенням температури рідини частота коливального руху молекул різко збільшується, зростає рухливість молекул, що в свою чергу є причиною зменшення в'язкості рідини.
На межі розділу двох речовин, наприклад, таких як рідина і її насичена пара, дві незмішувані рідини або рідина і тверде тіло виникає сила, обумовлена різним міжмолекулярним взаємодією межують середовищ. Всі молекули, розташовані всередині об'єму рідини, рівномірно оточені сусідніми молекулами, при цьому, рівнодіюча всіх сил, що діє на будь-яку таку молекулу, усредняется до нуля. З іншого боку, на молекулу, що знаходиться поблизу кордону двох середовищ, внаслідок неоднорідності оточення діє сила, що не скомпенсированная іншими молекулами рідини.
На кожну молекулу рідини з боку оточуючих молекул діють сили тяжіння, швидко убувають з відстанню (рис 4.1).
Співвідношення між мінімальною потенційною енергією і середньої кінетичної енергією хаотичного теплового руху, приблизно рівній kT. визначає можливість існування того чи іншого агрегатного стану речовини (рис. 4.2.):
Еп min < Еп min >> kT - речовина знаходиться в твердому стані; Еп min »kT - речовина знаходиться в рідкому стані. При r = r0 потенційна енергія досягає мінімального значення, що відповідає стану стійкої рівноваги цієї системи. при r Починаючи з деякого мінімального відстані силами тяжіння між молекулами можна знехтувати. Це відстань (r ≈ м) називається радіусом молекулярного дії, а сфера радіуса r - сферою молекулярного дії. На молекули поверхневого шару рідини, сфери молекулярного дії яких лише частково розташовані в рідини, діють сили, спрямовані всередину рідини, чинячи тиск, зване молекулярним або внутрішнім. Молекулярне тиск не діє на тіло, поміщене в рідину, так як воно обумовлено силами, що діють тільки між молекулами самої рідини. Повна енергія частинок рідини складається з їх хаотичного теплового руху і потенційної енергії, обумовленої силами міжмолекулярної взаємодії. Для переміщення молекули з глибини на поверхню рідини треба затратити роботу. Дана робота здійснюється за рахунок кінетичної енергії молекул і йде на збільшення їх потенційної енергії. Додаткова потенційна енергія молекул поверхневого шару рідини називається поверхневою енергією. Так як дана енергія # 916; Е прямо пропорційна площі шару # 916; S. то: # 916; Е = # 963; × # 916; S. де s коефіцієнт поверхневого натягу рідини. визначається як щільність поверхневої енергії. Іншими словами, коефіцієнт поверхневого натягу - це величина, що дорівнює відношенню роботи, витраченої на створення деякої поверхні рідини при постійній температурі, до площі цієї поверхні .Умова стійкої рівноваги рідини є мінімум поверхневої енергії. Так само можна дати і силову характеристику # 963 ;: коефіцієнт поверхневого натягу рідини # 963; дорівнює силі поверхневого натягу, яка припадає на одиницю довжини контуру, що обмежує дану поверхню рідини:. Якщо розглянути на поверхні рідини невеликий відрізок довжиною l. то сили поверхневого натягу можна умовно зобразити відрізками, перпендикулярними заданої відрізку (тобто вони нагадують "хірургічний шов" на "розрізі" поверхні рідини). Одиниці виміру коефіцієнта поверхневого натягу - ньютон на метр (Н / м) або джоуль на квадратний метр (Дж / м 2). Більшість рідин при температурі 300 К має коефіцієнт поверхневого натягу порядку - Н / м. З підвищенням температури поверхневий натяг зменшується, так як збільшуються середні відстані між молекулами рідини. Поверхневий натяг істотно залежить від наявності домішок (наприклад, при температурі 20 ° С для води # 963; = 0,0725 Н / м, для молока # 963; = 0,05 Н / м, а для мильної води # 963; ≈ 0,04 Н / м).