Измерение коэффициента диффузии паров легко испаряющейся жидкости в воздухе.

Если в некотором объеме имеется неоднородная смесь газов (при одинаковых по всему объему давлении и температуре), то тепловое движение перемешивает их, пока повсюду не образуется однородная смесь молекул, в которой парциальное давление и плотность каждого газа будут одинаковыми во всех частях объема. Этот процесс выравнивания концентраций называется диффузией.

Рассмотрим одномерный случай, когда плотность диффундирующего газа зависит от одной лишь координа

ты (обозначим её х ), и плоскости, перпендикулярные оси ОХ , являются плоскостями равных концентраций. Тогда количество вещества dМ, перенесенное через какую-нибудь площадку S, перпендикулярную оси ОХ за время d t равно где - градиент плотности при D - коэффициент диффузии, который численно равен количеству вещества, переносимого через единичную площадку за единицу времени при единичном градиенте плотности. В общем случае D зависит от концентрации газов, однако при малой концентрации одного из газов, коэффициент диффузии можно считать постоянным, т.е. независимым от . Для определения коэффициента диффузии паров жидкости в воздухе при малых концентрациях паров применяется следующий метод: жидкость наливается на дно длинной узкой ампулки, укрепленной на чашке магнитных весов. Испаряющиеся с поверхности молекулы

	жидкости диффузионным путем (если отсутствует перемешивание газа) удаляются из ампулки. Будем исходить из предположения, что над поверхностью жидкости находится насыщенный пар. У краев ампулки концентрация молекул равна нулю. Чем выше ампулка, тем вероятнее первое предположение. При большой высоте h градиент плотности паров мал. В связи с этим диффузионный поток невелик, то есть сравнительно мало молекул пара отводится путем диффузии от поверхности жидкости. В результате процесс испарения будет успевать поставлять в пар столько молекул, что над поверхностью жидкости будет насыщенный пар. Давление его соответствует температуре Т, при которой проводится эксперимент, и определяется по графику зависимости (Т). Что касается второго предположения, то оно тем вероятнее, чем выше и уже ампулка, так как из высокой и узкой ампулки в единицу времени выходит незначительное количество паров жидкости, не создающее заметных концентраций в большом объеме, окружающем ампулку. При выполнении этих предположений коэффициент диффузии может быть легко определен. Через некоторое время после помещения ампулки на чашу весов установится постоянный диффузионный поток молекул жидкости, уходящих из ампулки. Взвешивая ее через определенные промежутки времени (5-10 мин.), получаем зависимость изменения массы жидкости от времени t, зависимость, которая при установившемся процессе в координатах от t изображается прямой. Из наклона прямой определяем D, пользуясь формулой где S – площадь сечения ампулки, h – расстояние от поверхности жидкости до краев

Литература.   1. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. – М.:Физматгиз, 1962.-466 с. 2. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. –М.:Наука, 1976.-480 с. 3. Радченко И.В. Молекулярная физика. –М.:Наука, 1965.-471 с. 4. Хайкин С.Э. Физические основы механики. –М.:Наука, 1971.-751 с. 5. Физический практикум. /Под ред. В.И.Ивероновой. –М.:Наука, 1972.-352 с. 6. Сборник описаний лабораторных работ по физике. Механика и молекулярная физика. –Харьков:изд-во ХГУ, 1971.-196 с. 7. Робертс Дж. Теплота и термодинамика. –М.-Л.:Гостехиздат, 1950.-592 с. 8. Попов М.М. Термометрия и калориметрия. –М.:изд-во МГУ, 1954.-350 с. 9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. –М.:Наука, 1964.-567 с. 10. Бочвар А.А. Металловедение. –М.:Металлургиздат, 1956.-495 с. 11. Королев Б.И. Основы вакуумной техники. –М.:Энергия, 1975.-415 с. 12. Ярвуд Д.Ж. Техника высокого вакуума. –М.:Госэнергоиздат, 1960.-184 с.

где R – универсальная газовая постоянная, i – число степеней свободы молекулы. Отношение - называется коэффициентом Пуассона. Экспериментальное устройство состоит из стеклянного баллона А, соединенного с жидкостным манометром М и насосом (см. рисунок).   Посредством крана К1 система может быть изолирована от атмосферы. Пусть в системе первоначально было Рa – атмосферное давление. В баллон А накачивают небольшое количество воздуха и закрывают кран К2. При плохом обмене теплом с окружающей средой температура воздуха в баллоне несколько повышается. Через некоторое время воздух в баллоне принимает температуру окружающей среды. При этом разность уровней в манометре становится h1. Это состояние воздуха назовем первым. Его параметры: · давление -

13. Некоторые элементы вакуумной техники…………….44 14. Получение низких давлений…………………………...46 15. Термопарный манометр - вакууметр ………………….51 16. Изучения зависимости коэффициента теплопроводности газа от давления………………………………………...55 17. Измерение коэфициента диффузии паров легко испаряющеяся жидкости в воздухе…………………………….59 18. Построение диаграммы состояния системы олово-свинец термическим методом и определение эвтектической точки………………………………………………………...63 19. Определение удельной теплоемкости твердых тел методом адиабатического калориметра……………………..68 20. Определение теплоемкости металлов методом охлаждения………………………………………………………..72 21. Определение коэффициента теплопроводности металлов…………………………………………………………..76 22. Определение коэффициента Пуассона по методу Клемана и Дезорама…………………………………………....79 23. Определение коэффициента Пуассона из зависимости скорости звука в газе от температуры по методу стоячей волны………………………………………………………..83

· удельный объем - · температура – Т1 Кратковременным поворотом крана К1 систему соединяют с атмосферой. При этом происходит быстрое расширение воздуха. Давление в системе становится равным атмосферному, а температура из-за быстрого расширения несколько понижается. Параметры второго состояния: · давление - · удельный объем - · температура - Переход от первого состояния ко второму описывается уравнением Пуассона: (1) или (2) Как только давление в системе станет равным атмосферному, кран К1 закрывают. После этого, охладившийся при расширении воздух за время нагревается до температуры окружающей среды и давление возрастает. Параметры третьего состояния: · давление - · удельный объем - · температура - Второе и третье состояния связаны уравнением изохоры:

Содержание 1. Определение коэффициента поверхностного натяжения при помощи горизонтального капилляра..............................3 2. Определение коэффициента поверхностного натяжения по поднятию жидкости в капиллярах………………………5 3. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости по методу открывания кольца…………………...7 4. Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры по методу максимального давления в пузырьке………………………...…………………...9 5. Определение коэффициента внутреннего трения методом Стокса…………………………………………………..12 6. Определение зависимости коэффициента вязкости жидкости от температуры посредствам капиллярного вискозиметра…………………………………………………………16 7. Определение зависимости коэффициента вязкости от температуры………………………………………………...20 8. Определение длинны свободного пробега и эффективного диаметр молекул газа по коэффициенту внутреннего трения………………………………………………………..21 9. Определение молекулярного веса легко испаряющейся жидкости…………………………………………………….24 10. Определение теплоты парообразования легко летучей жидкости по зависимости давления насыщенных паров от температуры………………………………………………...27 11. Изучение законов броуновского движения, и определения размеров взвешенных частиц…………………………30 12. Изучение двумерного распределения Максвелла...….35

(3) из (2) и (3) получаем: (4) или (5)     Разложив это выражение по формуле бинома Ньютона и ограничившись членами первого порядка, получим: (6)   Выполнение работы 1. Определяют времена и установления термодинамического равновесия. Для этого в баллон нагнетают воздух до давления, превышающего атмосферное на 7-8 см высоты столба жидкости в манометре и, измеряя давление в системе через 10-15 сек, строят график (7) Кратковременным поворотом крана К1 систему соединяют с атмосферой. Кран К1 закрывают, когда уровни жидкости в манометре станут одинаковыми. Строят график (8) 2. Из графиков (7) и (8) определяют времена и установления термодинамического равновесия. 3. Измеряют h1 и h2. 4. Вычисляют .

2.настраивают приборы. Манипуляции 1 и 2 производит преподаватель или лаборант. 3. При заданной частоте генератора медленно двигают рукоятку (8). При этом на экране осциллографа происходит изменение амплитуды колебаний. Записывают все те N положения указателя рукоятки (8), при которых наблюдается максимум амплитуды колебаний. Среднее расстояние между двумя соседними положениями указателя есть . Включают нагреватель и операцию «3» повторяют через интервал температуры 9-12 градусов, повышая температуру до 110-120 градусов Цельсия. Во время каждых измерений, температуру воздуха в трубе поддерживают по возможности постоянной. Для этого в электрическую цепь нагревателя вводят реостат. Так как во время опыта температура будет немного меняться, ее измеряют в начале и в конце опыта и берут среднее значение. (Гц) N1 см N2 см N3 см CT см/с                     4. По формуле (7) вычисляют скорость звука. 5. Строят график зависимости , где T – температура взята по шкале Кельвина. 6. Вычисляют коэффициент Пуассона по формуле (5). Отношение берут из графика . 7. Вычисляют погрешность определения .

В силу ряда причин результаты отдельных экспериментов отличаются друг от друга. Поэтому опыт повторяют 10-15 раз. Из полученных результатов находят среднее значение .     Определение коэффициента Пуассона из зависимости скорости звука в газе от температуры по методу стоячей волны.   Звуковая волна представляет собой последовательные сжатия и разрежения газа, происходящие с частотой от 20 до герц. Скорость распространения звуковой волны зависит от свойств газа. Рассмотрим возникновение импульса сжатия в газе. Представим себе пластинку небольших размеров, помещенную в газ. Сообщив пластине быстрое перемещение параллельно ее плоскости, мы вызовем в прилегающем слое газа сжатие и, вследствие этого, фронт повышенного давления. Это давление вызовет движение следующего слоя и так далее. Сжатие и движение будут передаваться от слоя к слою. В газе, вправо от пластины, будет распространяться продольный импульс сжатия. Распространение импульса обусловлено наличием упругих сил, возникающих в газе. Газы обладают упругостью лишь в отношении объема и не обладают упругостью в отношении сдвига. Поэтому в газе будут распространяться только продольные импульсы. Скорость распространения продольного импульса в газе можно рассчитать. Пусть импульс сжатия соответствует увеличению плотности на и увеличению давления на . Через площадку S, перпендикулярную к направлению распространения импульса, за время проходит часть импульса сжатия , где c – скорость распространения импульса (рис.1).

трубы (1), звукового генератора (2), осциллографа (3), термометра или термопары с милливольтметром (4). На концах трубы помещены телефоны (5) и (6), один из которых является передатчиком колебаний, а другой приемником. На трубе сверху помещена обмотка, служащая для увеличения температуры воздуха внутри трубы. Обмотка включается в сеть с напряжением 127 вольт. Силу тока в обмотке можно изменять посредством реостата (7). Телефон (5), во избежание порчи от нагревания, заключен в футляр и омывается проточной водой.   рис.2   Звуковой сигнал генератора вызывает колебания мембраны телефона (6) и подается на осциллограф. Расстояние между телефоном и микрофоном можно изменять посредством рукоятки (8). При этом указатель рукоятки передвигается вдоль шкалы линейки (9).   Выполнение работы. 1. Осторожно открывают водяной кран, питающий охлаждение телефона (5). (На рисунке не показан). Включают питание генератора и осциллографа от сети переменного тока ; ждут прогрева – около 5 минут и

рис.1   Масса газа, расположенного справа от площадки S, возрастает на величину . При этом через площадку передается импульс . Вместе с тем, слева на площадку действует сила , так как , то (1) Скорость перемещения импульса сжатия определяется тем, как изменяется плотность среды при изменении давления. Упругие свойства газа зависят от температуры. При быстром сжатии газа выделяется тепло, которое не успевает распространиться на соседние объемы. Сжатие газа без отвода тепла называется адиабатическим. Адиабатический процесс в газе описывается уравнением Пуассона, а именно: где - коэффициент Пуассона. Так как плотности обратно пропорциональны объемам, то:

	. (2) Дифференцируя выражение (2), находим: . В случае малых сжатий то: . (3) При этом скорость распространения импульсов сжатия (см. (1) и (3)) . (4) Из уравнения Менделеева-Клапейрона следует, что и соотношение (4) можно представить так: . (5) Значит скорость распространения импульса сжатия (звука) растет пропорционально корню квадратному из температуры. Звуковые волны можно рассматривать как ряд малых импульсов сжатия, следующих вплотную друг за другом и распространяющихся с одинаковой скоростью. Пусть звук распространяется в трубе, диаметр которой меньше длины волны, но все же не слишком тонкой и обладающей гладкими стенками. При этих условиях стенки не вносят значительного затухания. Они обеспечивают распространение колебаний вдоль трубы. Если в одном конце трубы нахо
		дится поршень, совершающий гармонические колебания, то по столбу газа, заключенному в трубе, распространяется звуковая волна, которую можно считать плоской. Если второй конец трубы закрыт твердой стенкой, то звуковая волна будет отражаться от этой стенки, причем, фаза волны деформации останется прежней, а фазы волны скорости изменятся на (скорость изменит знак на обратный). При наложении отраженной волны на бегущую может образоваться стоячая волна с распределением смещений y: (6) где A – амплитуда, - круговая частота колебаний, - длина бегущей волны, - координата, определяющая положение точек среды, t – время. Если при отражении не происходит потерь энергии, на закрытом конце трубы всегда образуется узел смещений. Расстояние между соседними узлами или пучностями равно половине длины бегущей волны. Меняя частоту возбуждения, мы будем получать в закрытой трубе стоячие волны всякий раз, когда вдоль трубы будет укладываться целое число полуволн. Скорость звука определится по формуле: (7) где - длина волны, - частота собственных колебаний столба воздуха, равная частоте вынужденных колебаний.   Описание устройства Измерительное устройство (рис.2) состоит из длинной