5. Що таке внутрішня енергія ідеального газу?

Внутрішня енергія ідеального газу –це сума кінетичних енергій всіх його молекул. Молекули ідеального газу при температурі Т>0 K перебувають у безперервному хаотичному русі і, стикаючись між собою і з стінками посудини, в якій знаходиться ідеальний газ. Тому внутрішня енергія ідеального газу при температурі, вищій за абсолютний нуль завжди буде більшою нуля. U > 0 при Т > 0.

__________________________________________________________________________Лабораторна робота № 8 з молекулярної фізики

Визначення коефіцієнта динамічної в’язкості повітря

1. Явища переносу. Внутрішнє тертя в газах.

2. Коефіцієнт динамічної та кінематичної в’язкості газу.

3. Залежність коефіцієнта в’язкості від температури і тиску газу.

4. Теорія методу. Формула Пуазейля та робоча формула.

1. Явища переносу – це явища, які виникають у газі при встановленні термодинамічної рівноваги у нерівноважному газі і пов’язані з перенесенням маси (дифузія), кінетичної енергії (теплопровідність) і імпульсу (внутрішнє тертя або в’язкість).

Між шарами газу, що переміщуються паралельно один одному з різними за величиною швидкостями, виникають сили тертя:

де - коефіцієнт динамічної в’язкості;

- модуль градієнта швидкості руху газу в напрямку перпендикулярного до потоку газу;

S – площа між сусідніми шарами, на яку по дотичній діє сила F.

Явище виникнення таких сил називають внутрішнім тертям (або в’язкістю). З формули випливає, що коефіцієнт внутрішнього тертя чисельно рівний силі, яка діє по дотичній на 1 см площі, взятої на межі між шарами, що рухаються один відносно одного при градієнті швидкості 1 см/сек на 1 см.

Взаємодія між шарами здійснюється перенесенням імпульсу з одного шару в інший. При переході із шару з більшою швидкістю в шар з меншою швидкістю молекули переносять з собою більший імпульс, прискорюючи рух одного шару і навпаки.

2. Коефіцієнт динамічної в’язкості газу – імпульс, який переноситься молекулами у шар одиночної площі ( 1 м²) за одиницю часу (1 с) при градієнті швидкості 1 м/с на 1 м.

Коефіцієнт кінематичної в’язкості повітря – це коефіцієнт динамічної в’язкості, поділений на густину повітря:

.

3. Коефіцієнт динамічної в’язкості повітря визначається формулою

η = mn = ρ

Звідси видно, що коефіцієнт в’язкості не залежить від тиску і густини газу, оскільки ρ ~ р, а ~ . Оскільки ~ , то η ~ – коефіцієнт динамічної в’язкості прямо пропорційний кореню квадратному температури

4. Метод вимірювання коефіцієнта динамічної в’язкості полягає в вимірюванні швидкості проходження повітря через капіляр відомого радіуса і різниці тисків на кінцях капіляра і знаходження з формули Пуазейля коефіцієнта динамічної в’язкості

– формула Пуазейля.

Тоді коефіцієнт динамічної в’язкості обчислюється за формулою:

Для визначення коефіцієнта динамічної в’язкості повітря при закритому верхньому кранові аспіратора відкривають нижній кран. Через витікання води тиск в балоні зменшиться і в нього через капіляр буде засмоктуватися повітря. Швидкості руху шарів повітря на різних відстанях від осі капіляра будуть різними. Найбільша швидкість буде на осьовій лінії капіляра. Оскільки швидкості різні, то має місце сила внутрішнього тертя.

На кінцях капіляра буде різниця тисків (тиск на вході більший, на виході менший). Різниця тисків буде постійною, якщо встановиться ламінарна течія (така течія, при якій швидкості руху газу в напрямку, перпендикулярному до осі трубки рівна нулю). Швидкість витікання води можна відрегулювати так, щоб течія ламінарною, тобто покази манометра будуть постійними. Це означає, що різниця тисків повітря на кінцях капіляра є постійною:

де і - тиск повітря за межами аспіратора і всередині аспіратора відповідно; h – покази манометра (в мм.вод.ст.).

Об’єм повітря, що протікає через капіляр за час t рівний об’єму води, що витікає з нижнього крану аспіратора і обчислюється за формулою Пуазейля:

,

де r – радіус капіляра; l – довжина капіляра.

Із рівності (2.11) маємо:

,

або

.

Знаючи коефіцієнт динамічної в’язкості, можна визначити коефіцієнт кінематичної в’язкості: . де - густина повітря при кімнатній температурі.

8