Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE \* MERGEFORMAT 1
Лабораторная работа №29
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОБЪЁМНОГО
ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Цель работы - рассмотреть метод Дюлонга и Пти определения коэффициента объёмного теплового расширения жидкости и провести определение этого коэффициента для исследуемой жидкости.
Принадлежности - установка в сборе, включающая в себя прибор с сообщающимися сосудами в виде двух вертикальных трубок с исследуемой жидкостью; термостат для нагревания одной из двух трубок; термометр со шкалой, включающей диапазон от 0 до 20°С, с точностью измерения температуры не хуже 0.5 градуса.
Введение. Тепловое расширение жидкости характеризуется коэффициентом объёмного расширения β, который выражается относительным изменением объёма К при изменении температуры T на 1 К:
β = (1)
Из методов определения коэффициента β наиболее простым является непосредственное измерение увеличения объёма жидкости при повышении её температуры на известную величину. Однако в таком случае кроме жидкости расширяется и сосуд, в котором она находится. Изменение объёма сосуда при нагревании лишает этот метод должной точности и приводит к необходимости вносить соответствующую поправку, что существенно усложняет задачу. Свободным от такого недостатка является предложенный Дюлонгом и Пти способ, который использован в настоящей работе.
Отметим, что с повышением температуры коэффициент объёмного теплового расширения жидкости растёт, тогда, как в случае газа он уменьшается. Так, для идеального газа, исходя из его уравнения состояния (уравнения Клапейрона-Менделеева), можно показать, что коэффициент объёмного расширения при постоянном давлении выражается согласно (1)
Как β = . Зависимость коэффициента объёмного расширения от температуры у жидкостей по сравнению с газом слабее и сам коэффициент меньше по своему численному значению ([1], стр. 310).
Описание метода Дюлонга и Пти. Определение коэффициента объёмного теплового расширения β жидкости методом Дюлонга и Пти основано на использовании равновесия двух столбов одной и той же жидкости в сообщающихся сосудах, когда жидкость в них имеет различную температуру и соответственно неодинаковую плотность. В этом случае высоты столбов обратно пропорциональны плотностям жидкости в них, т. е. более нагретая жидкость, как имеющая плотность меньше чем холодная, поднимется выше холодной.
Такая ситуация с разными уровнями одной и той же жидкости в сообщающихся сосудах показана на рис.1, где представлена схема прибора. Исследуемая жидкость заполняет две сообщающиеся вертикальные трубки, открытые концы которых сведены вместе для удобства отсчета разностей уровней. Оба вертикальных колена этой системы помещаются в термостаты в виде сосудов-«рубашек», через один из которых (правый на рисунке) пропускается вода с более высокой температурой , а через другой(левый) холодная водопроводная вода, имеющая температуру на уровне 5 10 °С в зависимости от времени года.
Открытые концы трубок, которые по существу являются манометрическими, поскольку уровни жидкости в них отражают разность давлений в вертикальных коленах, находятся при комнатной температуре, т.е. примерно при 20 °С. Однако при выводе рабочей формулы для определения β в книге [1] верхние открытые концы трубок принимаются находящимися в термостате при температуре холодного колена. Получим далее выражение для β при таком условии, следуя изложению, представленному в [1], стр. 315.
Как видно по разности уровней жидкости на рисунке, правое колено прибора горячее, а левое - холодное. Высота H обоих колен одинакова, и разность уровней жидкости в верхней части трубок равна где относится к горячему колену, а к холодному. Соответственно плотности жидкости обозначаются как в правом (горячем) и в левом (холодном) коленах (), а плотность жидкости в обеих манометрических трубках есть согласно принятому условию, что открытые концы трубок находятся при температуре холодного колена.
Поскольку давление столба жидкости выражается как произведение плотности жидкости на ускорение свободного падения g и на высоту столба, то разность давлений в вертикальных коленах равна ()gН где -плотности жидкости в холодном и горячем коленах. Эта разность давлений уравновешивается разностью давлений в манометрических трубках () g, отсюда
()g = ( (2)
Объёмы и одной и той же массы жидкости при разных температурах ( ) связаны между собой соотношением
=
где ∆t = и - коэффициент теплового расширения. Тогда для отноше ния плотностей жидкостей в горячем () и холодном () коленах, которое обратно отношению объёмов, имеем
, или
Подставив это значение в формулу (2), получим
= ,
откуда коэффициент объёмного теплового расширения жидкости равен
. (3)
Отметим, что в описанном методе определения коэффициента объёмного расширения жидкости не требуется вносить поправку на тепловое расширение материала трубки, так как давление столба жидкости зависит только от его высоты и от плотности жидкости, но не зависит от его диаметра.
Описание прибора
Схема прибора показана на рис.1. Исследуемая жидкость заполняет трубку А, которой придана показанная на рисунке форма. Открытые концы трубки сведены вместе для удобства отсчета разности уровней. Оба вертикальных колена трубки помещаются в термостаты В1 и В2 , представляющие собой сосуды, через которые пропускается вода с заданной температурой. С помощью этих сосудов – «рубашек» устанавливается требуемая разность температур жидкости в обоих коленах трубки.
Воду с температурой пропускают в правое колено через верхнее отверстие и выпускают по нижнему отводу в раковину, водопроводную воду пропускают в левое колено, наоборот, через нижнее отверстие, а отводят верхним шлангом в поставленный в раковину стакан, в котором измеряют температуру воды термометром с точностью не менее полградуса. Правое колено соединяется с термостатом, которым задается
температура .Термостат позволяет поддерживать заданную температуру постоянной. Работа термостата основана на поддержании заданной температуры с помощью нагрева термостатируемой жидкости. Поддержание заданной температуры осуществляется посредством электронного регулятора.
Термостат выполнен в настольном варианте и состоит из блока терморегулирования 3 и ванны 1. Схематично устройство термостата показано на рис.2. Ванна выполнена из нержавеющей стали и установлена в наружном кожухе. В блоке терморегулирования 3 расположены циркуляционный насос, нагреватель, датчик температуры, элементы управления и индикации, необходимые для работы термостата.
Лицевая часть блока терморегулирования детально представлена на рис. 3. На лицевой части блока расположены: индикатор включения нагревателя 1. ,индикатор режима установки температуры.2. ,индикатор режима вывода текущей температуры 3., индикаторное табло 4, кнопка включения режима установки температуры 5, кнопки изменения значений температуры 6- уменьшение температуры и 7 – увеличение , сетевой тумблер 8.
Рис.3
Рис.3
Внимание! Категорически запрещается устанавливать на термостате температуру выше 700 С. Перед выполнением работы тщательно ознакомьтесь с порядком работы и настройкой термостата. Заранее подготовьте таблицу. Конструктивные особенности лабораторной установки не позволяют быстро охладить воду в термостате. ИЗМЕРЕНИЯ МОЖНО ПРОВЕСТИ ТОЛЬКО ОДИН РАЗ ЗА ЗАНЯТИЕ.
Измерения
1. Измерить и записать над таблицей значение высоты H уровней столба жидкости в коленах прибора рис.1
2. Включить кран для запуска водопроводной воды в установку. Рукоятку крана следует повернуть на небольшой угол, чтобы напором воды не сорвало шланг.
3. Включить термостат в сеть. На термостате включить сетевой тумблер 8.Загорится подсветка сетевого выключателя и заработает циркуляционный насос. Термостат выведет на индикаторное табло текущую температуру.
4. Установить температуру t 1 =40 0 C.Для этого нажать кнопку 5 .При этом должен загореться индикатор режима установки температуры 2 и на индикаторном табло 4 появиться установленное ранее значение. Кнопками 6 и 7 установить на индикаторе t 1 =40 0 C.При этом необходимо учитывать, что от длительности удерживания кнопки нажатой, увеличивается шаг изменения установки температуры. Выключить режим установки температуры, еще раз нажав кнопку 5.При этом загорится лампа индикатора режима текущей температуры 3 и лампа индикатора включения нагревателя 1(красная лампа). Идет нагрев до заданной температуры. При приближении к заданной температуре красная лампа индикатора начинает мигать.
5. Примерно через 5 – 10 минут установиться заданная температура. При этом красная лампочка индикатора 1 перестанет « мигать». Измерить h1 и h2 . Данные записать в таблицу.
6. Повторить пункты 4 и 5 для температур t 1 = 400 С, 450 С, 500С, 600C. Для каждой температуры измерить высоты h1 и h2 непосредственным отсчётом по шкале, к которой прилегают манометрические трубки. Данные измерений записать в таблицу.
7. Измерить температуру t 2 водопроводной воды. Для этого поставить в раковину стакан, наполнить водой и измерить t 2 при помощи термометра.
8. По окончании работы установить на термостате t 1 =30 0 C., согласно п.4. Выключить термостат тумблером 8.
9. Выключить водопроводный кран.
Обработка результатов измерений
1.По формуле (3) определить коэффициент объемного расширения касторового масла.
2. Из всех полученных значений найти среднее .
3. Вычислить полуширину доверительного интервала по формуле
где tp,n – коэффициент Стьюдента, n – число измерений, р – доверительная вероятность 0,95 (для лабораторных работ).
4. Окончательный результат представить в виде при р = 0,95.
5.Полученный результат сравнить с табличным значением. Записать вывод.
Таблица
Н=…мм °С . ,°С =
|
№ п/п |
,°С |
мм |
мм |
( - ), мм |
,°С |
β,к-1 |
2 |
|
|
1. |
' |
|||||||
|
2. |
||||||||
|
3. |
||||||||
|
4. |
||||||||
|
Ср. |
||||||||
|
∑ |
Контрольные вопросы.
1.Объясните тепловое расширение тел с точки зрения молекулярно-кинетической теории
2.Что называется температурным коэффициентом объемного расширения?
3. Поясните метод Дюлонга и Пти. Выведите рабочую формулу (3), по которой вычисляется значение коэффициента объемного расширения жидкости. Что является основным преимуществом метода Дюлонга и Пти по сравнению с другими методами определения коэффициента объемного расширения?
4.Объясните особенности теплового расширения воды.
5.Какое значение имеет тепловое расширение тел в природе и технике.
Список рекомендуемой литературы