Томский государственный университет
Институт дистанционного образования

Заочная

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ШКОЛА




Молекулярная физика и термодинамика


Перечень опытов

  1. Доска Гальтона.
  2. Манометр с теплоприемником (первое начало термодинамики).
  3. Адиабатическое расширение газа.
  4. Свойства насыщенных паров.
  5. Опыт Дарлинга (второе начало термодинамики).
  6. Молекулярные силы.
  7. Мениски.
  8. Давление внутри мыльного пузыря.
  9. Капилляры.
  10. Подъем жидкости в клине.

Видеофильм "Молекулярная физика и термодинамика"

Описание опытов

Опыт 1. Доска Гальтона

Оборудование: доска Гальтона, сухой горох.

Доска Гальтона представляет собой ящик, на задней стенке которого укреплены: вверху две наклонные планки, образующие воронку; в середине несколько рядов вбитых в стенку и расположенных в шахматном порядке гвоздей; внизу система одинаковых вертикальных ячеек. Передняя стенка ящика стеклянная.

Бросим в воронку одну горошину и проследим за ее движением. Горошина, претерпев ряд столкновений с гвоздями, попадет в какую-то ячейку. Предсказать заранее, с какими гвоздями столкнется горошина и в какую ячейку попадет, невозможно. Это случайные процессы. Так будет происходить с любой другой горошиной.

Будем сыпать в воронку горох непрерывным потоком. Заранее можно быть уверенным в том, что в центральные ячейки попадет большее число горошин, чем в периферийные. Такое распределение горошин мы и наблюдаем в опыте.

Результаты опыта можно обсудить следующим образом. Мы не знаем, как будет вести себя любая отдельная частица-горошина, но мы знаем, как будет себя вести большое множество частиц-горошин. Такой вывод и характеризует статистический подход к изучению молекулярных систем.

Опыт 2. Манометр с теплоприемником (первое начало термодинамики)

Оборудование: жидкостный U-образный манометр с теплоприемником, настольная лампа.

Термодинамический подход к изучению молекулярных систем заключается в том, что состояние молекулярной системы определяется через изменение ее внутренней энергии.

Первое начало термодинамики утверждает: внутреннюю энергию молекулярной системы можно изменить либо в процессе совершения работы, либо в процессе теплопередачи.

Возьмем жидкостный U-образный манометр, на одном колене которого укреплен теплоприемник, а другое открыто.

Накроем теплоприемник платком (чтобы тепло от руки не передавалось теплоприемнику) и будем оказывать на него давление рукой. Деформируя теплоприемник, мы изменяем давление газа и, следовательно, изменяем внутреннюю энергию газа в теплоприемнике. Газ, в свою очередь, совершает работу над столбом жидкости и поднимает его уровень в свободном колене.

Осветим теплоприемник светом от настольной лампы. Тепловое излучение лампы будет поглощаться теплоприемником, и это приведет к нагреванию газа, то есть к изменению его внутренней энергии. Газ, в свою очередь, совершит работу над столбом жидкости и поднимет уровень жидкости в открытом колене манометра.

Опыт 3. Адиабатическое расширение газа

Оборудование: бутылка со смесью воды и этилового спирта, заткнутая пробкой с пропущенной сквозь нее стеклянной трубкой, вакуумный насос.

Адиабатический процесс протекает в молекулярной системе при ее термодинамической изоляции, то есть молекулярная система не может обмениваться с окружающей средой теплом. Осуществить в реальности такую изоляцию невозможно. Но если процесс в молекулярной системе будет протекать очень быстро, а изоляция обладает низкой теплоемкостью и теплопроводностью, то такой процесс можно считать почти адиабатическим.

Внутри бутылки имеется жидкость, смесь паров воды и спирта, воздух. Соединяем бутылку и насос вакуумным шлангом и накачиваем в бутылку воздух. Когда силы давления газовой смеси превысят силы трения и атмосферного давления, пробка будет выбита из бутылки. Работу по выбиванию пробки совершила газовая смесь. Так как процесс выбивания пробки очень быстр, то газовая смесь не смогла обменяться теплом с окружающей средой и, следовательно, совершила работу за счет своей внутренней энергии. Но, уменьшив свою внутреннюю энергию, смесь охладилась, тогда часть молекул паров спирта и воды сконденсировалась, и в бутылке появился туман.

Опыт 4. Свойства насыщенных паров

Оборудование: прибор для демонстрации газовых законов, ацетон, вакуумный насос, спиртовой факел.

Прибор для демонстрации газовых законов представляет собой стеклянную колбу, соединенную вакуумными шлангами с гофрированным цилиндром, вакуумметром и вакуумным насосом. Для изменения объема гофрированного цилиндра последний соединен с рычагом. Все элементы смонтированы на несущей раме. У стеклянной колбы имеется еще один отросток - шлюзовая камера с двумя вакуумными кранами.

Для показа опытов с насыщенными парами используем легко испаряющуюся жидкость - ацетон.

Из системы откачиваем воздух и пережимаем шланг, ведущий к насосу, зажимом. Через шлюзовую камеру, чтобы в колбу не попал воздух, заливаем ацетон в таком количестве, чтобы на дне колбы образовалось немного жидкого ацетона. Вакуумметр показывает давление насыщенных паров ацетона.

Медленно изменяем с помощью рычага объем гофрированного цилиндра. Стрелка вакуумметра стоит на одном месте. Это подтверждает тот факт, что давление насыщенных паров не зависит от объема.

Закрепляем рычаг (фиксируем постоянный объем цилиндра) и спиртовым факелом подогреваем колбу. Давление насыщенных паров увеличивается.

Опыт 5. Опыт Дарлинга (второй закон термодинамики)

Оборудование: высокий цилиндрический стакан, плитка, дистиллированная вода, окисленный анилин.

Второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: "Периодически работающая тепловая машина должна иметь три части: нагреватель, рабочее тело и холодильник".

Рабочее тело получает тепло от нагревателя, часть тепла переводит в механическую работу, а часть выбрасывает в холодильник.

Опыт Дарлинга - это модель тепловой машины.

На дно стакана наливаем анилин, сверху добавляем воду и помещаем стакан на плитку.

При комнатной температуре плотность анилина больше плотности воды и он находится под водой. При температуре выше 60 С плотность анилина становится меньше плотности воды и анилин всплывает вверх. Вверху анилин отдает тепло окружающему воздуху, охлаждается и тонет.

Таким образом, мы имеем: нагреватель - плитка, холодильник - воздух в верхней части стакана, рабочее тело - анилин. Анилин, получив тепловую энергию от плитки, совершает работу по подъему самого себя вверх, часть энергии сбрасывает в холодильник, охлаждается.

Опыт 6. Молекулярные силы

Оборудование: два свинцовых цилиндра с крючками, набор гирь, штатив, подушка.

Два свинцовых цилиндра с хорошо зачищенными плоскими торцами соединяем торцами и сильно прижимаем (на сколько хватает силы рук) друг к другу. Цилиндры сцепляются. Подвешиваем цилиндры за один крючок к штативу, а на другой крючок навешиваем гири, предварительно положив под цилиндры подушку.

Сцепление цилиндров объясняется восстановлением молекулярных связей между поверхностными молекулами на торцах цилиндров. Восстановленные связи таковы, что выдерживают нагрузку на разрыв в 5-7 кг.

Опыт 7. Мениски

Оборудование: узкая стеклянная кювета, ртуть, вода, пластиковый стержень, оптическая скамья, дуговая лампа, подъемный столик.

В стеклянную кювету наливаем ртуть, воду и вставляем пластиковый стержень. Устанавливаем кювету на подъемный столик и помещаем столик внутрь оптической скамьи между конденсатором и объективом. Перемещением объектива формируем на экране наблюдения резкое изображение кюветы с жидкостями.

Вблизи границы жидкости и твердого тела свободная поверхность жидкости искривляется. Эту искривленную часть поверхности жидкости называют мениском.

Если жидкость смачивает твердое тело (например, вода - стекло), то мениск принимает вогнутую относительно основной массы жидкости форму.

Если жидкость не смачивает твердое тело (например, ртуть - стекло), то мениск принимает выпуклую относительно основной массы жидкости форму.

Кривизна мениска зависит от свойств жидкости и размеров ее свободной поверхности.

Под искривленной поверхностью жидкости создается дополнительное давление - давление Лапласа.

Опыт 8. Давление внутри мыльного пузыря

Оборудование: мыльный раствор, стеклянный тройник с двумя воронками и шлангом.

Окунаем одну из воронок тройника в мыльный раствор и через шланг выдуваем мыльный пузырь. Пузырь имеет форму сферы, так как ее площадь наименьшая среди всех других геометрических фигур равного объема.

Оставив шланг открытым, наблюдаем уменьшение объема пузыря. Это говорит о том, что под искривленной поверхностью пузыря давление повышенное (больше атмосферного).

Окунаем попеременно обе воронки в мыльный раствор и выдуваем два разных по размерам пузыря, после чего шланг пережимаем. Наблюдаем за тем, как пузырь малого радиуса уменьшается, а большой увеличивается. Это объясняется тем, что под сферической мыльной пленкой давление

где α - коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора, R - радиус пузыря. Следовательно, в пузыре с большим радиусом давление меньше, чем в пузыре с меньшим радиусом, и воздух из маленького пузыря перетекает в большой.

Опыт 9. Капилляры

Оборудование: сообщающиеся стеклянные капиллярные трубки разных радиусов, ртуть, вода, оптическая скамья, дуговая лампа, подъемный столик.

Один набор капилляров заполняем ртутью, а другой - водой и устанавливаем на подъемный столик, который помещаем внутрь оптической скамьи между конденсором и объективом. Перемещая объектив, формируем на экране наблюдения четкое изображение жидкостей в капиллярах.

В капиллярных трубках с водой уровень жидкости наибольший в самом тонком капилляре и наименьший - в наиболее толстом.

Максимальное опускание в самом тонком капилляре, а в толстом уровень ртути наибольший.

Эти эффекты объясняются тем, что под искривленной поверхностью (под мениском) существует добавочное давление Лапласа, которое может быть как отрицательным, так и положительным. Все зависит от того, какой мениск - выпуклый или вогнутый.

Высота подъема или опускания жидкости в капилляре находится по формуле Жюрена:

где α - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, r - радиус мениска, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, θ - угол смачивания. Если θ острый (смачивающая жидкость) - cosθ > 0, если θ тупой (несмачивающая жидкость) - cosθ < 0.

Опыт 10. Подъем жидкости в клине

Оборудование: воздушный клин между двумя стеклами, кювета с подкрашенной жидкостью, оптическая скамья, дуговая лампа, подъемный столик.

Вертикальный воздушный клин, созданный между двумя стеклянными пластинками, помещаем в кювету с подкрашенной водой и устанавливаем на подъемном столике, расположенном внутри оптической скамьи между конденсором и объективом. Перемещая объектив, формируем на экране наблюдения четкую картину положения жидкости в клине.

Вода смачивает стекло и в силу капиллярного эффекта будет подниматься в клине. Причем чем тоньше клин, тем высота поднятия жидкости будет больше. Следовательно, поверхность жидкости внутри клина будет иметь вид вогнутой гиперболы, что полностью соответствует формуле Жюрена.

© 2006-2009 Томский государственный университет Томский государственный университет  Институт дистанционного образования  Национальный фонд подготовки кадров