Лабораторна робота 112 Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Лабораторна робота № 112

Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл.

 Мета роботи – визначити коефіцієнт лінійного розширення твердих тіл.

 Прилади і обладнання: прилад для визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл (ПРТТ); стержні: стальний, латунний, алюмінієвий, металева пробірка, термометр.

112.1. Теоретичні відомості.

Тепловий рух частинок твердого тіла, як конденсованого середовища, суттєво відрізняється від теплового руху в газі. Структурні частинки, з яких складається кристал ( атоми, молекули або іони), зв’язані між собою силами взаємодії, що залежать від відстаней, здійснюють коливання навколо положень рівноваги, які збігаються з вузлами кристалічної гратки. У речовин в твердому стані енергія теплового руху  набагато менша, ніж потенціальна енергія взаємодії частинок між собою. З підвищенням температури зростає енергія теплових коливань частинок, а також відбувається теплове розширення – збільшення об’єму тіла.

Щоб пояснити теплове розширення твердих тіл, розглянемо криву залежності потенціальної енергії взаємодії частинок від відстані між ними

( рис. 112.1).

Рис. 112.1.

Для порівняння на цьому рисунку пунктирною лінією зображена залежність від відстані результуючої сили взаємодії частинок. Якщо частинка крім потенціальної енергії має ще й деяку кінетичну енергію , яка відповідає температурі , то вона перебуватиме не в точці , а дещо вище – в точці  на рівні . Точки перетину прямої  з кривою енергії визначають крайні положення, які займає частинка при коливаннях. Причому в положенні  кінетична енергія частинки дорівнює потенціальній енергії відштовхування, а в положенні  - потенціальній енергії притягання. Внаслідок різної залежності сил притягання і відштовхування між частинками від відстані між ними крива потенціальної енергії несиметрична. Тому при русі вправо частинка зміщується на більшу відстань, ніж при русі вліво і, отже, коливання частинки є ангармонічними. Очевидно, що положення рівноваги частинки при даній температурі відповідає середині відрізка . Чим більша температура, тим вище піднесена на графіку частинка порівняно зі своїм найнижчим енергетичним положенням  і тим більше зміщене її середнє положення вправо від лінії  ( лінія, що відповідає середнім положенням частинки, зображена на рис. 112.2 пунктиром).

Рис. 112.2.

Отже, з ростом температури зростає середня відстань між частинками тіла і його об’єм збільшується. Якщо б частинки твердого тіла виконували гармонічні коливання, або, іншими словами, коли б крива енергії була симетричною, то тверді тіла б не розширялись при нагріванні.

При нагріванні тіла з початковою довжиною  його відносне видовження  пропорційне зміні температури тіла :

,

де - приріст довжини тіла; - коефіцієнт пропорційності, який називається істинним коефіцієнтом лінійного розширення .  має різну величину для різних інтервалів температур і з підвищенням температури для більшості речовин зростає.

Коефіцієнт лінійного розширення чісельно рівений відносному видовженню тіла при нагріванні його на один градус і виражається формулою

,     (112.1)

де - довжина тіла при 0 0С; - довжина тіла при  0С; - середній коефіцієнт лінійного розширення в інтервалі температур .

Користуватись формулою (112.1) для визначення  на практиці незручно, бо експеримент ускладнюється підтримуванням температури твердого тіла при 0 0С. Тому вимірявши довжину тіла  і  при температурах відповідно  і за допомогою (112.5) виводять таку робочу формулу для визначення :

,      (112.2)

де . Визначений за формулою (112.2) коефіцієнт слід вважати середнім, оскільки  залежить від температури, і віднесенним до інтервалу температур .

Довжина тіла при будь – якій температурі може бути виражена через його довжину при 0 0С. Із формули (112.1) випливає, що

,      (112.3)

де , оскільки = 0 0С. Разом з тим формулу (112.1) можна представити у вигляді

.

З цієї формули випливає фізичний зміст : коефіцієнтом лінійного розширення називається фізична величина, яка чисельно дорівнює видовженню  стержня довжиною = 1м, взятого при температурі 0 0С, при нагріванні його на один градус (=1 0С).

В результаті розширення збільшується і об’єм тіла. Розглянемо тіло у вигляді куба з ребром .Початковий його об’єм при 0 0С буде . Очевидно, при температурі  об’єм тіла буде дорівнювати

.

Піднесемо  до кубу і нехтуючи членами, які містять  і , скільки вони мають малі значення, одержимо

,

де  - середній коефіцієнт об’ємного розширення. Істинний коефіцієнт об’ємного розширення дорівнює

.

Для твердих тіл  - величина порядку 10-5 К-1, а для газів – 10-3 К-1.

Для анізотропних кристалів коефіцієнт лінійного розширення  різний для різних напрямків, тому при зміні температурі кристал не залишається подібним самому собі.

 

112.2. Опис приладу.

У цій роботі необхідно визначити середній коефіцієнт лінійного розширення трьох стержневих зразків: стального, алюмінієвого і латунного в інтервалі температур від кімнатної  до температури кипіння води .

Прилад для визначення коефіцієнта лінійного розширення металів ( рис. 112.3) складається із корпуса 1, до якого кріпиться захисний корпус – кожух 2. Всередині кожуха 2 встановлений нагрівник. При проведенні дослідів у нагрівник через прокладку 3 вставляють металеву пробірку 4 зі стержнем. На корпусі приладу встановлений стояк з кронштейном для індикатора малих переміщень 5. На панелі корпуса розташовані лампа 6 і кнопковий вимикач 7. Штепсельна вилка служить для вмикання приладу в електричну мережу напругою 220 В.

Рис. 112.3.

112.3. Порядок виконання роботи.

1.  Виміряти штангециркулем лінійні розміри трьох стержнів із різних металів.
2.  Пробірку на 0,5 об’єму наповнити водою з крана і виміряти термометром її температуру .
3.  Опустити в пробірку один із зразків і ввести пробірку в нагрівач.
4.  Встановити індикатор над пробіркою і опустити шток вимірювача в заглибину на торці стержня. Установити стрілку індикатора на нульову позначку.
5.  Увімкнути живлення приладу.
6.  При закипанні води в пробірці досліджуваний стержень набуває температури кипіння води . Збільшення довжини стержня визначають за формулою , де - ціна однієї поділки; - кількість поділок, на які відхилилась стрілка індикатора від нульової позначки.
7.  Довжину стержня , після нагрівання його до температури , визначають за формулою .
8.  Температуру кипіння  визначають за відповідною таблицею, враховуючи атмосферний тиск у момент проведення дослідів.
9.  Для проведення дослідів з іншими зразками необхідно:

а) вимкнути живлення приладу; б) вийняти із приладу нагріту металеву пробірку із стержнем; в) витягнути стержень і вилити гарячу воду; г) охолодити пробірку водою з крана.

1.  Повторити пп. 2 – 8 з другим, а потім з третім стержнем.
2.  Дані вимірювань, обрахунків і табличні дані для  різних матеріалів записати в таблицю

Матеріал зразка	, мм	, мм	, мм	, 0С	, 0С	, К-1	, К-1
Сталь					100		1,1.10-5
Алюміній					100		2,4.10-5
Латунь					100		1,9.10-5

112.4. Обробка результатів вимірювання.

1.  За формулою (112.2) розрахувати середній коефіцієнт лінійного розширення стержнів, виготовлених із різних матеріалів.
2.  Точність вимірювання  для всіх матеріалів визначити за формулою

.

1.  Зробити висновок за результатами роботи.

Контрольні запитання.

1.  Поясніть теплове розширення твердих тіл з точки зору молекулярно – кінетичної теорії будови речовини.
2.  Як змінюються сили взаємодії між молекулами твердого тіла при зміні відстані між ними?
3.  Виведіть формулу (112.2).
4.  Дайте визначення коефіцієнта лінійного розширення рeчовини.
5.  Запишіть формули залежності довжини і об’єму тіл від температури.
6.  Чи точно визначається коефіцієнт об’ємного розширення твердих тіл за формулою  і як можна вивести її?
7.  Яке практичне значення має лінійне розширення твердих тіл?
8.  Чому звичайне скло розтріскується, коли його швидко переносять з гарячої води в холодну або навпаки, а кварцове ні?
9.  В яких одиницях вимірюються  і ?

1.  

1. Пионеры современной сексологии
2. Доклад Основные формы неврозов
3. і Тіла що переміщуються з тертям одне відносно одного можуть доторкатися своїми поверхнями або рухатися од
4. Понятие о мышлении Мышление высшая форма отражения мозгом окружающего мира наиболее сложный познавател
5. тема специальных приемов для наблюдения за хозяйственной деятельность [а]достоверное отражение хозяйствен
6. ДОРОЖНАЯ КАРТА СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ Часть I
7. Трансформация отчетности в соответствии с МСФО
8. Ипотеки
9. Армения в XI-XIV веках
10. і. Бір с~ра~ мазалайды мені к~ндіз ж~не т~нде- Б~л ~мірге келген ма~сатым мені~ неде Ма~сатым нені к~зде.html
11. аСhrtСхема карта план диаграмма чертёж таблицаCnvsКанва основа холст картинаChrt cross stitchСхема вышивки крест
12. а 201 г
13. ТЕМА СЕВЕРОЗАПАДНОГО АДМИНИСТРАТИВНОГО ОКРУГА БИБЛИОТЕКА 45 ИНТЕЛЛЕКТЦЕНТР ЗДОРОВОГО ОБРАЗА ЖИЗНИ
14. новое знание может быть получено в процессе рассуждения мир рассматривается как сфера деятельности ч.
15. Анализ качества рабочей силы в торговой сфер
16. Введение Дифференциальный каскад- Парные усилители и квазиидеальный дифференциальный каскад Под
17. Реферат- Психологические основы оптимизации
18. Вариант 3 Оцените верность утверждения а если на фондовых биржах увеличивается объём покупокпро
19. Тема- Word Создание комбинированных документов1
20. Менеджмент Содержание [1] Конспект лекций

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе