Методические указания к выполнению лабораторных занятий по дисциплине «физика» Алмалык 2020

Порядок выполнения работы

1. Измерить радиусы пяти шариков с помощью микрометра.

2. Установить метки 1 и 2 на цилиндре и измерить расстояние l между ними (рис. 6.3) по миллиметровой линейке (глаз при наблюдении должен находиться на одной горизонтали с меткой). После чего отпускаем шарик.
3. Измеряем с помощью секундомера время падения шарика t между лотками 1 и 2.
4. Измерения повторить для каждого шарика.
5. С помощью формулы (6.9) вычисляется коэффициент вязкости, и все экспериментальные данные записываются в таблицу 1.
Таблица 1

№	r, (м)	l, (м)	t, (с)	, (кгм^–^1с^–^1)	<>		<>	100%
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9
10.

6. Затем определяем <> и <>|<>–_i|.

7. Результат измерений и вычислений записываем в виде:
<><>

Контрольные вопросы

1. Что называют диффузией, теплопроводностью, внутренним трением и явлением переноса?
2. Что называется коэффициентом динамической вязкости?
3. Что называется коэффициентом кинематической вязкости?
4. Что называется ламинарным течением?
5. Какие силы действуют на шарик при свободном падении его в вязкой покоящейся жидкости.
6. Написать второй закон Ньютона для свободного падения шарика в вязкой покоящейся жидкости?
7. Вывод рабочей формулы.


Лабораторная работа №7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ ГАЗОВ МЕТОДОМ КЛЕМАНА И ДЕЗОРМА


Цель работы: Изучение законов идеального газа на примере определения отношения удельных теплоёмкостей воздуха методом адиабатического расширения.
Приборы и принадлежности: стеклянный баллон, насос, U образный манометр.


Теоретические сведения

Для газов теплоемкость зависит от условий, при которых производится нагревание, можно производить нагревание при постоянном объеме или при постоянном давлении.

Теплоемкость при постоянном объеме обозначают через C_V, при постоянном давлении – через C_p.
Чтобы получить их выражения, воспользуемся I началом термодинамики, которое можно сформулировать следующим образом: количество теплоты (Q), переданное системе, затрачивается на увеличение её внутренней энергии (U) и на работу (A), совершаемую системой против внешних сил.
QUA. (7.1)
1) Определение C_V
Если нагревание производится при постоянном объеме (изохорический процесс), газ не совершает работу против внешних сил и вся теплота, сообщаемая газу, идет на изменение его внутренней энергии, то есть
QU. (7.2)
Количество теплоты, необходимое для нагревания газа, равно
QC_VmTC_VM T, (7.3)
где C_V – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме, равная количеству тепла, которое нужно сообщить единице массы газа, чтобы нагреть ее на 1 градус при постоянном объеме.
C_VM – молярная теплоемкость газа, равная количеству тепла которое нужно сообщить одному молю газа чтобы повысить его температуру на 1 градус при постоянном объеме.
Молярная теплоемкость C_VM и удельная теплоемкость C_V связаны между собой соотношением:
C_VMMC_V, или C_VC_VMM.
Подставив выражение теплоты из формулы (7.3) в (7.2), получим
UC_VM T. (7.4)
Для одного моля газа (m/M1) и UC_VMT, отсюда
C_VMUT. (7.5)
Молярная теплоемкость при постоянном объеме численно равна изменению внутренней энергии 1 моля газа при повышении температуры на 1 градус.
Внутренняя энергия одного моля газа равна U RT, для произвольной массы газа внутренняя энергия U RT.
Изменение внутренней энергии при изменении температуры на T будет равно
U RT. (7.6)
Поставляя (7.6) в (7.4), получим
C_VM T RT,
Откуда
C_VM R, (7.7)
где R – универсальная газовая постоянная, i – число степеней свободы молекул, т.е. число независимых координат, которые необходимо ввести для определения положения молекулы в пространстве.
Одноатомная молекула обладает тремя степенями свободы поступательного движения. Двухатомная молекула обладает пятью степенями свободы, три из которых характеризуют поступательное движение и две – вращательное движение. Трехатомная и многоатомные молекулы имеют шесть степеней свободы: три поступательных и три вращательных движения.
2) Определение C_p
Если газ нагревают при постоянном давлении (изобарический процесс), то он расширяется, совершая работу против внешних сил. Подводимое тепло затрачивается на увеличение внутренней энергии и на работу:
QUA,
где
Q C_pM T. (7.8)
Работа при расширении газа равна
ApV,
Используя уравнение Клапейрона–Менделеева
pV RT,
получаем
ApV RT. (7.9)
Подставляя выражения Q, U, A в (7.1),
C_pM RT RT RT,
получим
C_pM RRC_VMR, (7.10)
или
C_pM R. (7.11)
Из формул (7.7) и (7.11) видно, что теплоемкость зависит только от числа степеней свободы, поэтому она одинакова для всех газов с одинаковым числом атомов.
Из формулы работы (7.9) вытекает физический смысл универсальной газовой постоянной
R . (7.12)
RA, если 1 молю T1К, то есть R численно равна работе, совершаемой 1 молем газа при изобарическом нагревании на 1 градус. Из формулы (7.11) видно, что C_p>C_V на величину работы.
Измерение C_p и C_V затруднительна, проще измерить их отношение
 . (7.13)
Отношение теплоемкостей входит в уравнение Пуассона, описывающего адиабатический процесс.
Отношение  зависит от числа атомов в молекуле.
В настоящей работе определяется  для воздуха. Воздух состоит в основном из 2^х атомных газов (N₂, O₂) для него i5 и
   1,4. (7.14)
Метод работы основан на использовании адиабатических процессов. Адиабатическим процессом называется такой процесс, который протекает без теплообмена с окружающей средой.
Q0.
Первое начало термодинамики для адиабатического процесса
UA0,
откуда
A–U или U–A.
Если газ расширяется адиабатически (A>0), то его внутренняя энергия убывает (U<0), соответственно понижается температура.
Если работа совершается над газом (A<0), то внутренняя энергия увеличивается ( >0), и наблюдается нагревание газа.
Адиабатными процессами могут быть очень быстрые процессы, когда не успевает произойти теплообмен с окружающей средой. При адиабатическом процессе меняются все три параметра (p, V, T). Зависимость между p и V выражается уравнением Пуассона:
p₁V₁^p₂V₂^ или pV^const. (7.15)