коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл.
Мета роботи: визначення температурного коефіцієнта лінійного розширення стрижнів з твердих матеріалів.
Обладнання: прилад для визначення коефіцієнта лінійного розширення (ПРТТ), стрижневі зразки (сталевий, алюмінієвий, скляний), індикатор ІЧ, штангенциркуль.
При зміні температури об'єм твердого тіла змінюється: при збільшенні температури обсяг зростає, при охолодженні тіла стискаються. Явище зміна розмірів і обсягу твердих тіл зі зміною температури називається тепловим розширенням.
Які причини розширення тіл при нагріванні? Чому при нагріванні (охолодженні) середні відстані між атомами збільшуються (зменшуються)?
Молекулярна картина теплового розширення. Залежність потенційної енергії взаємодії молекул від відстані між ними дозволяє з'ясувати причину виникнення теплового розширення. Розглянемо на рис. 1 і рис. 2 як залежать сили міжмолекулярної взаємодії молекул і потенційна енергія взаємодії молекул від відстані між ними.
Е
Таким чином, молекула (атом) знаходиться всередині потенційної ями і робить коливання не виходячи з цієї "ями", від однієї її "стінки" до іншої.
Крива потенційної енергії сильно несиметрична. Вона дуже швидко зростає від мінімального знченія Ер0 при зменшенні r і порівняно повільно зростає при збільшенні r. При абсолютному нулі в стані рівноваги молекули перебували б один від одного на відстані r0. відповідному мінімальному значенню потенційної енергії Ер0. У міру нагрівання кінетична енергія молекул збільшується і вони починають здійснювати коливання біля положення рівноваги. Розмах коливань визначається середнім значенням енергії. Якби крива потенційної енергії була б симетрична, то середнє положення молекули як і раніше відповідало б віддалі r0. Що означало б загальну незмінність середніх відстаней між молекулами при нагріванні, гармонійність коливань біля положення рівноваги, і, отже, відсутність теплового розширення.
Насправді атоми кристалічної решітки роблять ангармонічного (тобто не гармонійні) коливання.
При підвищенні температури розмах коливань збільшується, тому що зростає енергія (енергетичний рівень) частки. Так, наприклад, при температурі Т1 енергетичний рівень E1. при Т2 - рівень E2. У першому випадку частка коливається біля положення r1. у другому з більшою амплітудою - близько r2. які відповідають новим положенням рівноваги. З рис.2 видно, що при підвищенні температури ця точка - точка положення рівноваги - зміщується вправо, тобто в сторону великих міжатомних відстаней. Звідси очевидна причина теплового розширення тіл.
До
тобто фізичний зміст коефіцієнта лінійного розширення α - коефіцієнт лінійного розширення α показує на яку частку свого первісного значення змінюються лінійні розміри тіла при зміні температури на один Кельвін.
Аналогічно коефіцієнт об'ємного розширення β визначається зі співвідношення:
тобто коефіцієнт об'ємного розширення β дорівнює відносній зміні обсягу
З формул (1) і (2) випливає, що
Внаслідок анізотропії кристалів коефіцієнт лінійного розширення
Для кристалів з кубічної симетрією, а також для ізотропних тіл (більшість металів), коефіцієнт лінійного розширення однаковий в усіх напрямках, і в цьому випадку
Коефіцієнти лінійного розширення практично залишаються постійними, якщо інтервали температур, в яких вони вимірюються, порівняно невеликі (кілька десятків градусів). Взагалі ж коефіцієнти теплового розширення (
Для більшості речовин коефіцієнт лінійного розширення малий, його значення складають 10 -5 ÷ 10 -6 К -1. Особливо малий коефіцієнт лінійного розширення в діапазоні температур від -30 ° С до + 100 ° С у инвара (сплав заліза і нікелю). Тому інвар застосовують для виготовлення точних інструментів, використовуваних при визначенні розмірів тіл. Лінійні розміри самого інструменту з инвара мало залежать від коливань температур.
Теплове раширение тел враховується при конструюванні всіх установок, приладів і машин, що працюють в змінних температурних умовах.
У
Нагрівач включається в мережу напругою 220 В за допомогою кнопки (6); при включенні повинна спалахнути лампочка (3). Випробовувані стрижні нагріваються від кімнатної температури до температури кипіння води 100 ° С (373 К).
Порядок виконання роботи
Завдання 1.Ізмереніе подовження стрижнів при нагріванні і обчислення коефіцієнта лінійного розширення.
Виміряйте штангенциркулем початкову довжину стрижня ℓ1 і відповідну температуру T1 (кімнатна температура).
В пробірку (2) вставте стрижень (1) і заповніть її водою на один сантиметр нижче краю пробірки (2).
Вставте пробірку зі стрижнем в гніздо нагрівача, підведіть шток індикатора (4) і встановіть його на стрижень. Підтримуючи рукою корпус індикатора і обертаючи його обойму, встановіть нуль шкали проти кінця стрілки.
Увімкніть кнопкою (6) нагрівач. При появі інтенсивного випаровування вимкніть нагрівач кнопкою (6) і стежте (нагрівання за інерцією триватиме) за показаннями індикатора. Максимальний показ індикатора, відповідне кипіння води, і є
Обережно (за допомогою сухої ганчірки) витягніть пробірку зі стрижнем з нагрівача, вилийте гарячу воду і поставте пробірку в Пробіркодержателі.
Аналогічні дії і вимірювання (див. Пункти 1-5) виконайте з іншими стрижнями.
Після охолодження стрижнів і пробірки до кімнатної температури вимірювання повторіть.
Обчисліть середній температурний коефіцієнт
