Тема: Определение коэффициента термического расширения (объемного) жидкости

Отчёт по лабораторной работе

По дисциплине: Физика

Тема: Определение коэффициента термического расширения (объемного) жидкости

 

 

Санкт-Петербург

г.

Цель работы - Измерение изменения объема воды при нагреве её от 0ºC до 90ºC. Определение показателя коэффициента термического расширения.

Краткое теоретическое содержание:

В данной работе исследуется изменение объема воды в диапазоне температур от 0°С до 40¸90°С, максимальная температура ограничена длиной измерительной трубки. Вода находится в колбе из кварцевого стекла, коэффициент термического расширения которого ничтожно мал, и им при выполнении данной работы можно пренебречь. Измерительная трубка выбирается диаметром в несколько миллиметров, что позволяет пренебречь силами поверхностного натяжения.

Колба с водой помещена в термостат, который позволяет устанавливать температуру в интервале 20¸90°С, т.е. выше температуры окружающего воздуха. Для проведения измерений в интервале 0¸20°С термостат в начале работы заполняется смесью льда и воды, что обеспечивает начальную температуру 0°С.

Коэффициент термического расширения воды - величина, характеризующая относительную величину изменения объема воды с увеличением температуры на 1⁰ К, при постоянном давлении.

Фа́зовый перехо́д (фазовое превращение) в термодинамике - переход вещества из однойтермодинамической фазы в другую при изменении внешних условий

При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B8%D0%BD%D0%B0>: удельный объём <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BE%D0%B1%D1%8A%D1%91%D0%BC>, количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Подчеркнём: имеется в виду скачкообразное изменение этих величин при изменении температуры, давления и т. п., а не скачкообразное изменение во времени.

Наиболее распространённые примеры фазовых переходов первого рода:

§ плавление и кристаллизация

§ испарение <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> и конденсация <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F>

§ сублимация <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_(%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0)> и десублимация <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D1%81%D1%83%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F>

При фазовом переходе второго рода <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D1%85%D0%BE%D0%B4%D1%8B_%D0%B2%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0> плотность и внутренняя энергия не меняются, так что невооружённым глазом такой фазовый переход может быть незаметен. Скачок же испытывают их производные по температуре и давлению: теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, различные восприимчивости и т. д.

объем термодинамический вода нагрев

Схема установки

 

Колба 1 помещена в термостатированный объем 3, по которому циркулирует вода с температурой, заданной термостатом 4. Колба закрыта и сверху в неё вставлена измерительная трубка 2, позволяющая измерять высоту столба жидкости, вытесненной из колбы при нагревании.

Температура измеряется термометром 5. Термостат 4 управляется с пульта 6

Расчетные формулы

Средний коэффициент термического расширения воды a:

 

 

Где , D- диаметр трубки, и - максимальная высота жидкости и начальная высота жидкости, - начальный объем воды, 0,5 л, t - температура, в ºC

Коэффициент термического расширения воды для n-ого интервала:

 

где

 

- высота столба воды в начале n - интервала;

- высота столба воды в конце n - интервала;

- температура воды в начале n - интервала;

- температура воды в конце n - интервала.

Таблица зависимости изменения объема и коэффициента термического расширения от температуры

 

Таблица 1

Ед. измерений	T, ºC	h, см
		3,5		-4.039*10^(-3)
		3,2	-2,12*10^(-8)	-4.056*10^(-3)
		2,9	-4,239*10^(-8)	-1.357*10^(-3)
		2,8	-4,946*10^(-8)	-1.359*10^(-3)
		2,7	-5,652*10^(-8)	1.361*10^(-3)
		2,8	-3,533*10^(8)	2.711*10^(-3)
			-3,533*10^(8)	2.725*10^(-3)
		3,2	-2,12*10^(-8)	4.056*10^(-3)
		3,5		6.732*10^(-3)
			3,532*10^(-8)	6.687*10^(-3)
		4,5	7,065*10^(-8)	9.3*10^(-3)
		5,2	1,201*10^(-7)	9.38*10^(-3)
		5,9	1.696*10^(-7)	0.012
		6,8	2.331*10^(-7)	0.012
		7,7	2.967*10^(-7)	0.013
		8,7	3.674*10^(-7)	0.016
		15,1	8.195*10^(-7)	0.02
		23,5	1.413*10^(-6)	0.022
		33,8	2.141*10^(-6)	0.023
		45,7	2.981*10^(-6)	0.027
			3.427*10^(-6)	-

 

Примеры вычислений:

Средний коэффициент термического расширения воды .

 

 

Коэффициент расширения на интервале.

 

 

Графическое задание:

График зависимости изменения объема воды от температуры

 

Рис. 1

 

График зависимости изменения объема воды от температуры

 

Рис. 2

 

График зависимости коэффициента термического расширения

Рис. 3

 

Погрешности:

Погрешность вычисления среднего коэффициента термического расширения:

 

△α_ср=α_ср( =

 

Вывод: Проделав данную лабораторную работу, получил коэффициент термического расширения . При нагревании от 0 до 4 градусов Цельсия вода сжимается (см. Рис. 2), а, значит, коэффициент термического расширения принимает отрицательные значения, которые приведены в таблице 1, а при последующем нагревании расширяется (с. Рис. 1, 2), причем коэффициент термического расширения воды с каждым градусом становится больше (см. Рис. 3).