Контрольные вопросы

1. Что такое вязкость жидкости?

2. Записать формулу Ньютона для силы внутреннего трения.

3. Что такое коэффициент динамической вязкости?

4. Чем отличается ламинарное течение от турбулентного?

5. Что такое кинематическая вязкость?

6. Что такое поток жидкости?

7. Запишите закон Пуазейля для скорости ламинарного течения.

8. В чем сущность метода Стокса?

9. Назвать силы, действующие на тело, движущееся в вязкой среде и указать их направление.

10. Первый закон Ньютона и его применение в данной лабораторной работе.

11. Качественное влияние температуры на коэффициент вязкости в жидкостях и газах.

12. Возможные применения метода Стокса.

13. Опишите капиллярный метод определения вязкости.

14. В чем сущность ротационного метода определения вязкости?

Лабораторная работа диффузия в газах

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Знакомство с компьютерной моделью, описывающей диффузию молекул идеального газа

• Экспериментальное подтверждение закона диффузии.

• Экспериментальное определение средней скорости теплового движения частиц в данной модели.

Данная лабораторная содержит описания, в которых используются компьютерные модели, разработанные фирмой «Физикон».

Для начала работы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой сборника компьютерных моделей. После этого появится начальная картинка, имеющая вид

После этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, установив ее маркер над названием радела, в котором расположена данная модель.

Выберите «Термодинамика и молекулярная физика», «Диффузия». Нажмите кнопку с изображением страницы во внутреннем окне.

Краткая теория

При нарушении равновесия макросистема стремится вернуться в равновесное состояние.

ЯВЛЕНИЯМИ ПЕРЕНОСА называются процессы, связанные с возникновением в веществе НАПРАВЛЕННОГО ПЕРЕНОСА (потока) массы, импульса или внутренней энергии.

ДИФФУЗИЯ есть процесс установления внутри фаз вещества равновесного распределения концентраций, который обеспечивается направленным переносом массы этого вещества. Диффузия обусловлена тепловым движением молекул и проявляется в самопроизвольном выравнивании концентраций в смеси нескольких веществ.

САМОДИФФУЗИЯ имеет место при самопроизвольном выравнивании концентрации однородного вещества, если по некоторым причинам равновесное распределение концентрации было нарушено.

ДЛИНА СВОБОДНОГО ПРОБЕГА  есть среднее расстояние, пролетаемое частицей между двумя последовательными столкновениями. Эффективный диаметр частицы есть минимальное расстояние, на которое сближаются центры двух сталкивающихся частиц.

Если в начальный момент времени имеет место неоднородное распределение плотности вещества  вдоль только одной оси (например, ОХ), тогда возникает одномерная диффузия, связанная с переносом массы М вдоль этой оси ОХ. Для двухкомпонентной системы (например, смеси двух газов) одномерная диффузия описывается первым законом Фика:

где dM - масса одного компонента (индексы для характеристик данного компонента пропущены), которая переносится за время dt через элементарную площадку, перпендикулярную оси ОХ, имеющую площадь dS, в направлении убывания плотности этого компонента, градиент плотности первого компонента, D - коэффициент диффузии.

Для смеси «красных» и «зеленых» частиц, имеющих одинаковую массу m каждой частицы, dM = m·dN ,  = m , а , где dN - количество частиц, проходящих через dS за время dt, которое равно , где разность числа частиц в левом и правом сосудах N = N₂ - N₁ , N₂ = N₀ - N(t) , N₁ = N(t) , X = L_отв , объем сосуда V = 20 cм³ , dS есть площадь отверстия. Решаем уравнение методом разделения переменных:

. Интегрируем слева от 0 до N(t), а справа - от 0 до t и получаем:

или .

Обратите внимание на 2 системы частиц, находящихся в начальный момент в левом (красные) и в правом (зеленые) объемах. Они абсолютно упруго сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Количество частиц N₀ каждой компоненты равно 100 и данная система является хорошей “механической” моделью идеального газа.

Нажмите мышью кнопку «Старт» во внутреннем окне экрана.

В процессе исследований можно останавливать движение всех молекул (при нажатии кнопки «» сверху во внешнем окне) и получать как бы “мгновенные фотографии”. Для продолжения наблюдений надо нажать кнопку «», расположенную сверху во внешнем окне. Количество частиц подсчитывается автоматически и высвечивается над соответствующими столбиками. Для установки нового диаметра трубки надо нажать «»сверху во внешнем окне и кнопки «Старт» и «Выбор» внизу во внутреннем окне.

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.