4. Контрольные вопросы

1. Что называется вязкостью? Каков механизм вязкости жидкости?

2. Напишите уравнение движения шарика в цилиндре, заполненном вязкой жидкостью.

3. Какое движение жидкости называется ламинарным, турбулентным?

4. Как зависит вязкость жидкости от температуры и относительной молекулярной массы?

5. Каков физический смысл имеет коэффициент внутреннего трения (вязкости)?

6. Какие силы действуют на шарик, падающий в жидкости?

7. Как вычисляется сила вязкого трения по закону Ньютона, как она направлена, от чего зависит?

8. Почему измерения коэффициента вязкости по методу Стокса верны только при малых скоростях движения шарика?

9. Как в данной работе определяется коэффициент вязкости?

10. Указать на схеме (рис. 8.2) направление градиента скорости и потока импульса для явления переноса, моделируемого данным опытом.

Лабораторная работа № 9 определение удельной теплоёмкости твердых тел

Цель работы: определение удельной теплоёмкости образцов металлов калориметрическим методом с использованием электрического нагрева.

Оборудование: экспериментальная установка ФПТ1-8, набор исследуемых тел, электронные весы.

1. Краткая теория и методика выполнения работы

Для увеличения температуры тела к нему необходимо подвести некоторое количество тепла. Экспериментально установлено, что для большинства тел изменение их температуры пропорционально величине подводимого тепла. Коэффициент пропорциональности называется теплоёмкостью тела:

, (9.1)

где – подведенное тепло,– теплоемкость,– изменение температуры.

Если сравнить два тела, изготовленные из одного материала, массы которых отличаются в два раза, то очевидно, что для нагрева более тяжелого тела потребуется в два раза больше энергии, чем для нагрева более легкого тела до той же температуры. Поэтому, наряду с коэффициентом теплоёмкости, рассматривается коэффициент удельной теплоёмкости, который характеризует вещество, из которого изготовлено тело, и равен теплоёмкости единицы массы этого вещества:

, (9.2)

где – удельная теплоёмкость вещества,– теплоёмкость тела, изготовленного из этого вещества,– масса тела. Заметим, что теплоёмкость является величиной аддитивной. То есть, если совместно нагревать два тела, теплоёмкости которых равныи, то теплоёмкость тела, сложенного из этих двух, будет равна:.

Из теории идеального газа известно, что средняя кинетическая энергия одноатомных молекул: , где постоянная Больцмана. Среднее значение полной энергии частицы при колебательном движении в кристаллической решетке: . Полную внутреннюю энергию одного моля вещества твёрдого тела получим, умножив среднюю энергию одной частицы на число независимо колеблющихся частиц, содержащихся в одном моле, т. е. на число Авогадро:

, (9.3)

где Дж/(мольК)  универсальная газовая постоянная.

Для твёрдых тел, вследствие их малого коэффициента теплового расширения, теплоёмкости при постоянном давлении и постоянном объёмепрактически не различаются. Поэтому с учетом формулы (10.3), молярная теплоёмкость твёрдого тела будет определяться как:

. (9.4)

Молярная теплоёмкость может быть представлена как произведение молярной массы на величину удельной теплоёмкости:. Подставляя численное значение универсальной газовой постоянной, получим:Дж/(мольК). Равенство (9.4), называемое законом Дюлонга и Пти, выполняется с довольно хорошим приближением для многих веществ при комнатной температуре и позволяет рассчитать по известным значениям удельной теплоёмкости молярные массы простых кристаллических твёрдых тел.

Со снижением температуры теплоёмкость твёрдых тел уменьшается, приближаясь к нулю при . Вблизи абсолютного нуля молярная теплоёмкость всех тел пропорциональна, и только при достаточно высокой, характерной для каждого вещества, температуре начинает выполняться равенство (9.4). Эти особенности теплоёмкостей твёрдых тел при низких температурах можно объяснить с помощью квантовой теории Энштейна и Дебая.

Для экспериментального определения теплоёмкости исследуемое тело помещается в калориметр. Если температуру калориметра с исследуемым образцом очень медленно увеличивать от начальной (комнатной температуры) до некоторой температуры, причем, то энергия электрического токабудет расходоваться на нагревание образцаи калориметра:

, (9.5)

где и сила тока и напряжение нагревателя;  время нагревания; и массы калориметра и исследуемого образца; и удельные теплоёмкости калориметра и исследуемого образца;  потери тепла в теплоизоляцию калориметра и в окружающее пространство.

Для исключения из уравнения (9.5) количества теплоты, израсходованной на нагрев калориметра и потери теплоты в окружающее пространство, необходимо при той же мощности нагревателя нагреть пустой калориметр (без образца) от начальной температуры на ту же разность температур. Потери тепла в обоих случаях будут практически одинаковыми и малыми, если температура защитного кожуха в обоих случаях постоянна и равна комнатной:

. (9.6)

Из уравнений (9.5) и (9.6) следует:

. (9.7)

Уравнение (9.7) может быть использовано для экспериментального определения удельной теплоёмкости исследуемого материала. Изменяя температуру калориметра, необходимо построить график зависимости времени нагрева от изменения температуры исследуемого образца , по угловому коэффициенту которогоравногоможно определить удельную теплоёмкость образца.