1. Сначала тело с известной удельной теплоемкостью (с) взвешивают на весах и определяют его массу (m).
2. Опускают это тело в нагреватель, где температура t = 100°С.
3. В калориметр наливают воду известной массы (m1) и термометром измеряют ее температуру (t1).
4. Нагретое, до температуры (t1) тело с известной удельной теплоемкостью опускают в калориметр и определяют установившуюся температуру (q).
5. Тело с неизвестной удельной теплоемкостью взвешивают на весах и определяют его массу (m x).
6. Опускают его в нагреватель с температурой (t = 100°C).
7. В калориметр наливают воду известной массы (m¢1) и термометром измеряют ее температуру (t¢1).
8. Затем нагретое до температуры (t) тело опускают в калориметр и определяют установившуюся температуру (q ¢).
9. С помощью уравнения (9) находим неизвестную удельную теплоемкость.
10. Сравнивая полученный результат с табличными значениями определяем какое это вещество.
11. Все результаты вносим в таблицу (2).
12. Определим относительную погрешность искомой величины.
|
|
Таблица 2
№ | m, кг | t, °С | t1, °C | q, °С | c1, Дж/(кгК) | m1, кг | t1¢, °С | m1¢, кг | qx, °С | cx, Дж/(кгК) |
Относительную погрешность определим как:
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте уравнение теплового баланса.
2. Каков физический смысл удельной теплоемкости?
3. От чего зависит удельная теплоемкость вещества тела?
4. Можно ли в данной работе вместо воды использовать другую жидкость?
5. Из какого вещества изготовлено тело, удельную теплоемкость которого вы определили?
6. Как связать теплоемкость и удельную теплоемкость.
Литература
1. Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977.т.1. С. 414.
2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1973. т.1. С.607.
3. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. М.: Высшая школа, 1974. т.1. С.507.
4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1990. С.478.
5. Ахматов А.С. Лабораторный практикум по физике. М.: Наука, 1980. С.130.
6. Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. М.: Высшая школа, 1970. С.382.
Лабораторная работа № 4
Определение динамической вязкости жидкости
по методу Стокса.
Цель работы: Изучение транспортных свойств жидкостей. Определение коэффициента динамической вязкости жидкостей по скорости падения в них шарика.
Оборудование: стеклянный цилиндр, секундомер, шарики, линейка (шкала), микрометр, весы с разновесами, термометр.
Краткая теория:
Вязкость - это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. При перемещении одних слоев реальной жидкости относительно других возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоев. Действие этих сил проявляется в том, что со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Со стороны же слоя, движущегося медленнее, на слой движущийся быстрее, действует тормозящая сила.
|
|
Сила внутреннего трения тем больше, чем больше рассматриваемая площадь поверхности слоев, и зависит от того, насколько быстрее меняется скорость течения жидкости при переходе от слоя к слою.
Рассмотрим течение жидкости между двумя горизонтальными бесконечно плоскими твердыми поверхностями, расположенными на расстоянии “ a ” друг от друга (рис. 1).
Рис. 1.
В вязкой жидкости скорость ее течения будет зависит от координаты y (ось OY перпендикулярна горизонту). У твердых поверхностей скорость будет нулевой и касательной в плоскости, которой принадлежит ось OX.
Разобьем жидкость на слои параллельные плоскостям, настолько тонкие, что скорость течения жидкости по всей толщине слоя можно считать одинаковой. Пусть расстояние Dy = y2 - y1 между двумя некоторыми слоями, скорости которых соответственно n2x n1x. Для характеристики изменения скорости течения жидкости от координаты y принимается величина Ее предел при называется градиентом скорости вдоль оси OY
(1)
Физический смысл этой величины состоит в том, что он численно равен изменению скорости течения жидкости в направлении оси ox при изменении координаты y на единицу длины. Очевидно, что единицей измерения градиента скорости будет с-1. Изложенные выше рассуждения имеют место если, не происходит перемешивание слоев жидкости. Такое движение называется ламинарным.
При ламинарном течении сила F внутреннего трения пропорциональна градиенту скорости и площади поверхности взаимодействующих слоев S:
(2)
где h - коэффициент зависящий от природы жидкости, коэффициент внутреннего трения (коэффициент динамической вязкости).
В системе СИ единицей динамической вязкости является Па×с.
В некоторых случаях вместо определенной выше динамической вязкости удобнее пользоваться кинематической вязкостью - отношением динамической вязкости жидкости к ее плотности:
(3)
Иногда вязкость растворов характеризуют относительной вязкостью - отношением вязкости раствора к вязкости растворителя.
Вязкость жидкости зависит от температуры: она резко уменьшается с повышением температуры. Особенно сильно зависит от температуры вязкость масел. Так, например, вязкость касторового масла при повышении температуры от 18 до 40°С падает почти в 4 раза. Поэтому, знание такой характеристики как вязкость крайне необходима в широком диапазоне температур для различных жидкостей.
Методы определения вязкости разнообразны. Один из наиболее простых методов является метод Стокса, который применяется для маловязких жидкостей.
Пусть шарик падает в некоторой жидкости. На него действуют три силы:
Рис. 2.
1)сила тяжести F1 =
2)архимедова сила
3)сила вязкого трения (формула Стокса).
В формулах r - радиус шарика, rш - плотность шарика, rж - плотность жидкости, v - скорость шарика, h - коэффициент вязкости.
Сила вязкого трения зависит от скорости движения шарика. При свободном падении шарика в вязкой жидкости наступает момент с которого шарик движется равномерно и прямолинейно. Такое движение шарика называется установившимся. В соответствии с законами классической динамики это возможно при условии:
(4)
В проекции на направление движения шарика:
(5)
Решим это уравнение относительно h
(6)
где v = l/t, т.к. для средней части сосуда, ограниченной рисками А и В, где движение равномерное, l - расстояние, t - время падения шарика между рисками А и В. Подставим выражение для скорости в уравнение (6) тогда:
|
|
(7)
Уравнение (7) справедливо лишь тогда, когда шарик падает в безграничной среде. Если шарик падает вдоль оси трубки радиуса R, то приходится учитывать влияние боковых стенок. Поправку в формуле Стокса для такого случая теоретически обосновал Ладенбург. Формула для определения коэффициента вязкости с учетом поправок имеет вид:
(8)
Таблица №1 Плотность некоторых веществ, r×103 кг/м3, (при 293К)
Вещество | Плотность |
Железо | 7,8 |
Никель | 8,.8 |
Олово | 7,3 |
Свинец | 11,4 |
Сталь | 7,9 |
Масло | 0,9 |
Глицерин | 1,26 |
Вода |
Таблица №2 Динамическая вязкость, h×10-3 кг/(м×с).
Вещество | h при t = 0°C | h при t = 10°C | h при t = 20°C |
Вода | - | 1.304 | 1.002 |
Глицерин | |||
Масло касторовое | - |
Порядок выполнения работы;
1. С помощью миллиметровой шкалы измерить расстояние между метками А и В.
2. Измерить диаметр шарика не менее трех раз. Найдя диаметр, как среднее арифметическое из трех измерений, результат записать в таблицу.
3. Измерить массу шарика и вычислить плотность, значение которой записать в таблицу.
4. Опустить шарик в жидкость, включить секундомер в момент прохождения шариком метки А, остановить секундомер в момент прохождения шариком метки В. Измеренное время записать в таблицу.
5. Измерьте диаметр D трубки, в которой падает шарик и запишите его в таблицу.
6. Повторить опыт от 3 - до 5 раз с разными шариками.
7. Вычислить вязкость жидкости.
8. Определить среднее значение динамической вязкости и вычислить кинематическую вязкость при данной температуре. Окончательный результат записать обязательно, указывая температуру жидкости.
9. Найти среднюю абсолютную ошибку измерения как:
10. Найти относительную ошибку как:
.
11. Окончательный результат записать в виде:
Таблица №3.
№ | d, м | t, с | l, м | T, °C | g, м/c2 | rш, кг/м3 | rж, кг/м3 | D, м | h, Па×с | hср, Па×с | n |
Контрольные вопросы.
|
|
1. Объяснить механизм возникновение вязкого трения.
2. Какие физические величины характеризуют вязкое трение. Их физический смысл.
3. Вывод расчетной формулы.
4. Какие методы определения вязкости Вам известны и чем они отличаются. Содержание этих методов.
5. Определение динамической вязкости.
6. Определение кинематической вязкости.
7. Связь между динамической и кинематической вязкостью.
8. В каких единицах измеряется вязкость?
9. Как изменяется вязкость жидкостей от температуры? Обоснуйте свой ответ.
Литература:
1. Савельев И.В. т.1 стр.102 - 107.1977.
2. Радченко И.В. Молекулярная физика. М.1965.
3. Стрелков С.П. Механика стр. 136 - 143. 1975.
4. Евграфова Н.Н., Каган В.Л. “Руководство к лабораторным работам по физике, 1970, с.63-92.
Лабораторная работа № 5
Определение коэффициента поверхностного
натяжения жидкости
Цель работы: освоить метод отрыва капли для вычисления коэффициента поверхностного натяжения жидкости
Приборы и принадлежности: бюретка с жидкостью в штативе, стакан, термометр, аналитические весы с разновесами, штангенциркуль