ВВЕДЕНИЕ. Предметом изучения молекулярной физики и термодинамики является строение и свойства вещества

Предметом изучения молекулярной физики и термодинамики является строение и свойства вещества. Достижения этой области физики широко реализованы в технике и, в первую очередь, в тепловых двигателях – устройствах, превращающих внутреннюю энергию вещества в механическую.

Выполнение лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике имеет целью научить студентов методике и технике проведения эксперимента, приемам обработки измерений, постановке классических опытов, тем самым подтвердив основные теоретические сведения в этой области.

В ряде случаев выполнение лабораторных работ опережает прохождение лекционного материала. Это вызывает необходимость предварительной подготовки к выполнению их. В целях повышения эффективности предварительной самостоятельной работы студентов перед описанием опытной части лабораторных работ даются рекомендации по изучению теоретического материала и ссылки на учебные пособия с указанием параграфов, которые необходимо проработать.

В качестве учебной литературы может быть использовано любое из приведенных ниже пособий.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. С а в е л ь е в, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. В 3 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика. 3-е изд., испр. М.: Наука, 1987. 350 с.

2. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф [и др.]. 4-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 1973. 384 с.

3. З и с м а н, Г.А. Курс общей физики / Г.А. Зисман, О.М. Тодес. Т. 1. М.: Наука, 1967. 336 с.

4. Г р а б о в с к и й, Р.И. Курс физики (для сельскохозяйственных институтов): учеб. пособие / Р.И. Грабовский. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1980. 607 с.

Лабораторная работа 1. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

Приборы и принадлежности: стеклянная колба, водяной манометр, стеклянный стакан, термометр, барометр-анероид.

Цель работы: убедиться в пропорциональной зависимости произведения давления газа на его объем от абсолютной температуры.

Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий: [1, гл. Х § 86; 2, гл. IХ § 9.2; 3, гл. V § 14; 4, гл. VIII § 39–40].

При подготовке важно уделить внимание отличию газообразного состояния вещества от твердого или жидкого.

Газ – вещество, находящееся в таком агрегатном состоянии, при котором его частицы слабо связаны друг с другом, движутся свободно, сталкиваясь, разлетаются в разные стороны и стремятся заполнить весь объем. Между двумя последовательными столкновениями молекулы движутся прямолинейно и, сталкиваясь со стенками сосуда, производят на них давление.

Необходимо также обратить внимание на понятие идеального газа, т.е. имеют в виду такой воображаемый газ, у которого энергия взаимодействия между молекулами настолько мала, что ею можно пренебречь. Силы взаимодействия проявляются только в момент удара. Молекулы газа можно принять за упругие материальные точки.

Следует также уяснить, что реальный газ при достаточно высокой температуре и достаточно малой плотности по своим свойствам близок к идеальному. При этих условиях среднее расстояние между молекулами значительно больше их размеров, а силы взаимодействия, быстро убывающие с увеличением расстояния между молекулами, практически равны нулю.

Параметры состояния газа (объем V, давление p, термодинамическая температура Т) связаны между собой соотношением

,

называемым уравнением Клапейрона.

Следует уяснить, что значение постоянной в этом уравнении неодинаково для различных газов. Этого недостатка лишено уравнение Клапейрона – Менделеева, которое для одного моля газа имеет следующий вид:

или ; (1.1)

для любой массы газа m –

. (1.2)

Здесь молярный объем V_м и объем V всей массы газа m связаны с массой моля газа М выражением

.

Величина R одинакова для всех газов и называется поэтому универсальной газовой постоянной.

Из уравнения (1.2), представляющего собой наиболее общую форму записи уравнения состояния идеального газа, получите, как частные случаи, законы Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля.

Хорошо усвойте физический смысл универсальной газовой постоянной R. Для этого вообразите себе, что газ в количестве одного моля, находящийся в цилиндре с поршнем, подвергнут нагреванию на один кельвин при постоянном давлении (рис. 1.1). Расширяясь, газ передвинет поршень площадью S на расстояние D h.

Рис. 1.1.

Вычислите работу, совершенную газом, зная, что сила, приложенная к поршню, F = pS. Изменение объема D V = S D h выразите, пользуясь уравнением (1.1).

В результате получите

A = R,

т.е. универсальная газовая постоянная измеряется работой, которую совершает один моль идеального газа при изобарическом нагревании его на один кельвин.