Файл: Работы лабораторного практикума.docx

МИНИСТЕРСТВО ПРОСВЕЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И.Н. УЛЬЯНОВА»


МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА:

РАБОТЫ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Ульяновск

2022

УДК 52 ББК 22.6 К 76

Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВО «УлГПУ им. И.Н. Ульянова»

Рецензент:

Шишкарев В.В., кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой физики и технических дисциплин ФГБОУ ВО «УлГПУ им. И.Н. Ульянова».
Кошелев Н.А.,

Молекулярная физика: работы лабораторного практикума. – Ульяновск: ФГБОУ ВО «УлГПУ имени И.Н. Ульянова», 2021. – 62 с.

6+
В учебном пособии, написанном в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего образования, представлены теоретический материал, практические задания и контрольные вопросы работ лабораторного практикума по дисциплине «Молекулярная физика и термодинамика». Учебное пособие адресовано бакалаврам, обучающимся по направлению подготовки 44.03.05, аспирантам, преподавателям.

© ФГБОУ ВО «УлГПУ имени И.Н. Ульянова», 2022

Оглавление

1. ВВЕДЕНИЕ

Данное пособие предназначено для проведения работ лабораторного практикума по дисциплине «Молекулярная физика и термодинамика». По каждой теме указана цель работы и оборудование, необходимое к занятию; кратко изложен теоретический материал, предлагаются вопросы к допуску

---

, задания, контрольные вопросы.

Выполнение работ лабораторного практикума является одной из основных и необходимых составляющих обучения студентов-физиков, а также будущих учителей физики. На текущий момент в Ульяновском государственном педагогическом университете под выполнение лабораторного практикума отдается часть практических занятий многосеместрового курса Общей и экспериментальной физики. В этом пособии собраны методические рекомендации к лабораторным работам по разделу молекулярной физики и термодинамики, стандартно выполняемым второкурсниками в 4 семестре.

При подготовке к занятиям, прежде всего, необходимо изучить основной материал, относящийся к данной теме. В качестве ориентира выбора научной информации в пособии приводится краткое изложение теоретического материала и вопросы к допуску. В конце каждой темы предложены контрольные вопросы для самоконтроля.

2. 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА.

ЦЕЛИ РАБОТЫ:

1. 
   Изучить явление испарения жидкостей; познакомиться с методами измерения абсолютной и относительной влажности воздуха.
   
2. 
   Определить абсолютную и относительную влажность воздуха при помощи психрометра.
   

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

1. 
   Психрометр аспирационный МВ-4М (психрометр Ассмана).
   
2. 
   Стакан с водой.
   
3. 
   Пипетка.
   
4. 
   Барометр.
   

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий путём вылета молекул из этого вещества, называется процессом парообразования. Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называют паром этого вещества. Обратный процесс перехода газообразного вещества в жидкое состояние называют конденсацией.

Парообразование, происходящее с открытой поверхности жидкости при любой температуре, называется испарением. Экспериментально установлены следующие закономерности испарения: а) при одинаковых условиях различные вещества испаряются с разной скоростью; б) чем больше площадь испаряющейся поверхности, тем быстрее происходит испарение; в) скорость испарения зависит от плотности паров над открытой поверхностью; испарение усиливается при движении окружающего воздуха; г) чем выше температура жидкости, тем быстрее происходит испарение; д) при испарении температура жидкости понижается.

Если достаточно большое количество жидкости находится в закрытом сосуде при постоянной температуре, то часть жидкости превратится в пар, а в дальнейшем количество жидкости остаётся неизменным. Это объясняется тем, что одновременно с процессом парообразования происходит обратный процесс конденсации. При достижении плотности (давления) пара определённого значения устанавливается динамическое равновесие между паром и жидкостью: число молекул, вылетающих из жидкости в единицу времени, равно числу молекул, переходящих за это время из пара в жидкость. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называется насыщенным.

---

Опыт показывает, что давление насыщенного пара Р_Н зависит только от вещества, из которого он состоит, и от температуры, но не зависит от объёма, который пар занимает. При изменении объёма пара равновесие между паром и жидкостью временно нарушается: усиливается либо процесс испарения, либо процесс конденсации, что приводит к восстановлению состояния динамического равновесия при первоначальном значении давления пара.

Зависимость Р_Н от температуры является нелинейной. С ростом температуры Р_Н увеличивается гораздо быстрее, чем давление идеального газа. Это связано с тем, что Р_Н возрастает не только из-за роста температуры, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара. Давление, которое пар производит в состоянии насыщения при данной температуре, является наибольшим, давление ненасыщенного пара всегда меньше Р_Н.

В результате испарения воды с поверхности водоемов, почвы, а также с растительных покровов в атмосферном воздухе всегда содержится водяной пар. Содержание водяного пара в воздухе и степень его насыщения существенно влияют на природные явления, на условия существования растений и животных, на условия жизни и деятельности человека. Поддержание определённой влажности требуется при многих технологических процессах, а также в книгохранилищах и музеях.

Абсолютной влажностью воздуха называют величину, численно равную массе водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха (т. е. плотность водяного пара в воздухе при данных условиях). Обычно абсолютную влажность выражают в г/м³. В метеорологии абсолютную влажность воздуха характеризуют не плотностью, а парциальным давлением (упругостью) водяного пара, выраженным в мм. рт. ст.

Часто бывает необходимо знать, насколько водяной пар в воздухе близок или далек от состояния насыщения. Поэтому кроме абсолютной влажности введено понятие относительной влажности. Относительной влажностью r называется отношение абсолютной влажности (или упругости) к плотности (или упругости) насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах.

Степень насыщения водяного пара характеризуют также дефицитом влажности D = Р

---

_Н - Р. Если изобарически понижать температуру воздуха, то при определенной температуре водяной пар в нем станет насыщенным. При дальнейшем охлаждении пар начинает конденсироваться в жидкость, образуя росу. Температура, до которой необходимо охладить воздух (при неизменной влажности), чтобы водяной пар в нем стал насыщенным, называется точкой росы.

АСПИРАЦИОННЫЙ ПСИХРОМЕТР АССМАНА.
Влажность воздуха определяют с помощью приборов – гигрометров. Существуют гигрометры различных типов. Сегодня наиболее распространены электронные гигрометры, разделенные по принципу действия на несколько типов. Также часто встречаются психрометры - гигрометры, содержащие сухой и смоченные термометры, косвенно определяющие влажность воздуха по понижению температуры смоченного твердого тела.

Психрометр Ассмана (Рис.1, Рис.2) состоит из двух одинаковых ртутных термометров 1 и 2, закрепленных в специальной оправе. Резервуары термометров помещены в двойную трубчатую защиту с воздушной прослойкой, которая предохраняет термометры от нагревания Солнцем. С этой целью защитные трубки никелируются и тщательно полируются. В верхней части защитные трубки соединены с трубкой главного воздухопровода, помещенной между термометрами и верхним концом сообщающейся с аспиратором. Аспиратор состоит из вентиляторного диска с часовым механизмом, закрытым колпаком. Пружина механизма заводится посредством ключа. Резервуар правого термометра обернут тканью (батистом) и перед работой смачивается чистой дистиллированной водой при помощи пипетки.

Вращением вентилятора в прибор засасывается воздух, который обтекая резервуары термометров, проходит по главному воздуховоду к аспиратору и выбрасывается последним наружу через имеющиеся прорези. Вода, которой смочен резервуар «влажного» термометра, испаряется, в результате чего происходит охлаждение резервуара. Масса воды, испаряющейся в единицу времени с поверхности батиста, зависит от степени насыщения воздуха водяными парами, от скорости движения воздуха, от площади поверхности батиста S и даже от атмосферного давления. Важным преимуществом психрометра Ассмана является постоянная скорость движения воздуха. На испарение массы воды m требуется количество тепла:

---

, (1.1)

где – удельная теплота парообразования. Очевидно, что температура воды, смачивающей батист, будет понижаться до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие: потеря тепла при испарении будет компенсироваться притоком тепла при нагревании мокрого батиста более теплым воздухом. Температура «влажного» термометра будет ниже, чем температура «сухого». Психрометрическая формула устанавливает следующую зависимость:

, (1.2)

где - температура «сухого» термометра, - температура «влажного» термометра, – давление (упругость) насыщенного водяного пара при температуре , – давление (упругость) водяного пара при температуре , – атмосферное давление, а – постоянная психрометра.



Рисунок 1. Схема психрометра Ассмана
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Подготовить психрометр Ассмана к работе: смочить водой обернутой батистом резервуар правого – «влажного» - термометра и завести пружину механизма аспиратора.

2. Измерить температуру «сухого» и «влажного» термометров ( и ). Обратить внимание на то, что температура «влажного» термометра сначала понижается, а затем начинает повышаться. В качестве следует взять минимальное значение температуры. Проделать не менее пяти опытов.

3. Для каждого опыта подсчитать разность температур и по таблице 2 найти относительную влажность воздуха r.

4. По таблице 3 найти давление насыщенного пара Р_Н при температуре

---