Лабораторная работа № 42
1. Цель работы: закрепление теоретических знаний по теме 5.2. “Реальные газы, жидкости и твердые тела”
приобретение практических навыков
изучение методики расчетов
2. Порядок подготовки к выполнению работы изучить теоретический материал и ответить на вопросы
3. Порядок выполнения лабораторной работы
4. Подведение итогов выполнения работы
предъявить результаты, подготовка и оформление отчета, заполнить таблички, произвести обработку результатов измерений
5. техника безопасности при выполнении лабораторной работы стандартная
Цель работы: Изучить тепловое движение микрочастиц в кристаллах и определить средний температурный коэффициент линейного расширения металла.
При нагревании кристаллических тел увеличивается амплитуда колебаний их атомов около положения равновесия в узлах кристаллической решётки. Однако этот факт не может служить причиной теплового расширения, т.к. в этом случае размеры цепочки атомов увеличивались бы только на удвоенную величину амплитуды таких колебаний, которая, в свою очередь, не превосходит расстояние между атомами, по порядку величины совпадающего с размерами самих атомов. Увеличение размеров тел при нагревании составляет заметную величину, гораздо большую размеров атомов.
Следовательно, причиной теплового расширения является изменение расстояний между атомами в кристаллической решётке. Для твёрдых тел экспериментально хорошо подтверждается формула
l=l0(1+αΔt’),
где l0 - начальная длина стержня
l - длина стержня при нагревании на Δt градусов
α- коэффициент линейного расширения (температурный) (ТКЛР).
Однако это соотношение не является универсальным даже при малых изменения температуры. Известны многочисленные отклонения от него. Все они объясняются тем, что кристаллическая решётка вещества может перестраиваться и при различных условиях оказывается устойчивым только определённый вид этой решётки.
Хорошо известно, что объём заданной массы воды минимален при температуре 4ºС. Это означает, что «стержень» из воды при 4ºС имеет α=0, при tº > 4ºС α>0 и при t <4ºС α<0. Кроме воды такими же свойствами обладают и другие вещества.
Прибор позволяет определять ТКЛР стержней из различных материалов с высокой точностью, т.к. обеспечивает равномерный прогрев по длине стержня без использований водяной ванны или лучевого нагрева.
α= 
Δl=l-l0
Поэтому измерив начальную длину стержня l0, удлинение стержня при нагреве Δ l и определив изменение температуры стержня 
º можно определить α.
Прибор также позволяет демонстрировать сокращение растянутой резиновой нити при нагревании. Этот эффект был обнаружен ещё 1805г. Гухом в экспериментах с полосками натурального каучука. Примерно через 50 лет Джоуль провёл ряд тщательных измерений и подтвердил вывод Гуха. Только полимеры в высокоэлластичном состоянии обладают таким свойством.
Температурным коэффициентом объемного расширения β называется относительное изменение объема V при нагревании тела на один кельвин
β = 
.
Для анизотропных веществ температурное расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) a, который определяется как
a = 
,
где l – размер тела в данном направлении.
Помимо коэффициентов a и β, которые называют истинными, для характеристики температурного расширения используют средние температурные коэффициенты расширения, определяемые, как средние значения истинных коэффициентов на конечном интервале температуры ∆Т:
; β = 
,
а также (для анизотропных веществ) средний по направлению ТКЛР aср = 
. Единица измерения всех температурных коэффициентов расширения К-1.
Существует приближенная феноменологическая связь между теплоемкостью СV вещества при постоянном объеме и его изометрической сжимаемостью kT, описываемая законом Грюнейзена:
β = g 
, kT = 
,
где Р – давление; g - так называемая постоянная Грюнейзена, а также различные эмпирические соотношения, например
a 
,
где Тпл – температура плавления вещества; А = 7,24 · 10-2 для веществ с металлическим характером связей, А = 11,5 · 10-2 для щелочно – галлоидных соединений.
В общем случае a и β зависят от давления, температуры, химического состава, структуры тела и его фазового перехода, а также за счет сложения электронного, магнитного и решеточного вкладов в температурное расширение, которые в определенных температурных интервалах могут быть различными по знаку и сравнимыми по значению.
Описание установки:
Установка состоит из сопротивления МЛТ, внутри которого расположен медный стержень и термометр. Верхний конец стержня жестко фиксирован, а нижний упирается в штифт индикатора. При нагревании сопротивление от сети ~220В нагревается и стержень. При этом он расширяется, давит на штифт; в результате индикатор фиксирует удлинение.
