Měření teplotní roztažnosti

Podobné dokumenty
Měření teplotní roztažnosti

Kalorimetrická měření I

Měření měrného skupenského tepla tání ledu

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

VÝUKOVÝ MATERIÁL Ing. Yvona Bečičková Termika VY_32_INOVACE_0301_0212 Teplotní roztažnost látek. Fyzika 2. ročník, učební obory Bez příloh

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

Molekulová fyzika a termika:

Měření měrné telené kapacity pevných látek

Vlastnosti kapalin. Povrchová vrstva kapaliny

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Teplotní roztažnost pevných látek. stud. skup.

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

HUSTOTA PEVNÝCH LÁTEK

měření teploty Molekulová fyzika a termika Teplotní délková roztažnost V praxi úlohy

Stanovení hustoty pevných a kapalných látek

Úloha č.2 Vážení. Jméno: Datum provedení: TEORETICKÝ ÚVOD

2.1 Empirická teplota

Měření modulů pružnosti G a E z periody kmitů pružiny

LOGO. Struktura a vlastnosti kapalin

JEVY NA ROZHRANÍ PEVNÉHO TĚLESA A KAPALINY

TESTY Závěrečný test 2. ročník Skupina A

Teplotní roztažnost. Teorie. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

2 Jevy na rozhraní Kapilární tlak Kapilární jevy Objemová roztažnost kapalin 7

Mol. fyz. a termodynamika

Struktura a vlastnosti kapalin

Fyzika - Sexta, 2. ročník

Měření povrchového napětí

Mezi krystalické látky nepatří: a) asfalt b) křemík c) pryskyřice d) polvinylchlorid

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

Přírodní vědy aktivně a interaktivně

VÝUKOVÝ MATERIÁL Ing. Yvona Bečičková Tematická oblast. Termika Číslo a název materiálu VY_32_INOVACE_0301_0220 Anotace

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

STRUKTURA A VLASTNOSTI KAPALIN

LEE: Stanovení viskozity glycerolu pomocí dvou metod v kosmetickém produktu

Měření prostupu tepla

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

Digitální učební materiál

MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMODYNAMIKA

1. Měření hustoty látek. Úkol 1: Stanovte hustotu tělesa přímou metodou a pomocí Tabulek určete druh látky, z níž je těleso zhotoveno.

LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

Látkové množství n poznámky 6.A GVN

6. Jaký je výkon vařiče, který ohřeje 1 l vody o 40 C během 5 minut? Měrná tepelná kapacita vody je W)

POZNÁMKA: V USA se používá ještě Fahrenheitova teplotní stupnice. Převodní vztahy jsou vzhledem k volbě základních bodů složitější: 9 5

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

4 Stanovení krystalického podílu semikrystalických polymerů z hustotních měření

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

ZMĚNY SKUPENSTVÍ LÁTEK

3. Měření viskozity, hustoty a povrchového napětí kapalin

Termodynamika 2. UJOP Hostivař 2014

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

Laboratorní práce č. 4: Určení hustoty látek

FYZIKA 6. ročník 2. část

Fyzikální praktikum I

Jiří ŠVEC 1, Pavel ŠVEC 2 OBJEMOVÉ ZMĚNY LÁTEK

SERIOVÉ A PARALELNÍ ZAPOJENÍ PRUŽIN

pracovní list studenta Kmitání Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

8 Elasticita kaučukových sítí

Závislost odporu kovového vodiče na teplotě

10. Energie a její transformace

Laboratorní úloha č. 4 - Kmity II

STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

VLASTNOSTI KAPALIN. Část 2. Literatura : Otakar Maštovský; HYDROMECHANIKA Jaromír Noskijevič; MECHANIKA TEKUTIN František Šob; HYDROMECHANIKA

Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Název DUM: Hustota Číslo DUM: III/2/FY/2/1/9 Vzdělávací předmět: Fyzika Tematická oblast: Fyzikální veličiny a

TEPELNÉ JEVY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Tercie

Měření momentu setrvačnosti

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

FYZIKA 6. ročník 2. část

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

Řešení úloh krajského kola 60. ročníku fyzikální olympiády Kategorie A Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 3), V. Vícha (4)

Vnitřní energie. Teplo. Tepelná výměna.

VLASTNOSTI VLÁKEN. 3. Tepelné vlastnosti vláken

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Mechanické kmitání - určení tíhového zrychlení kyvadlem

Testové otázky za 2 body

Základy molekulové fyziky a termodynamiky

LOGO. Molekulová fyzika

Počítačem podporované pokusy z mechaniky

3.5 Tepelné děje s ideálním plynem stálé hmotnosti, izotermický děj

Zákony ideálního plynu

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

Ideální plyn. Stavová rovnice Děje v ideálním plynu Práce plynu, Kruhový děj, Tepelné motory

F8 - Změny skupenství Číslo variace: 1

Teplota a její měření

9. Struktura a vlastnosti plynů

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

ρ = 0 (nepřítomnost volných nábojů)

ZÁKLADNÍ ŠKOLA KOLÍN II., KMOCHOVA 943 škola s rozšířenou výukou matematiky a přírodovědných předmětů

MĚŘENÍ RELATIVNÍ VLHKOSTI. - pro měření relativní vlhkosti se používají metody měření

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

Fyzikální praktikum 1

Stanovení měrného tepla pevných látek

DUM č. 12 v sadě. 10. Fy-1 Učební materiály do fyziky pro 2. ročník gymnázia

FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 8: Závislost odporu termistoru na teplotě

Testové otázky za 2 body

Transkript:

KATEDRA EXPERIMENTÁLNÍ FYZIKY PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA UNIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM Z MOLEKULOVÉ FYZIKY A TERMODYNAMIKY Měření teplotní roztažnosti

Úvod Zvyšování termodynamické teploty T způsobuje zvětšení amplitud kmitů atomů v krystalové mřížce pevných látek Křivka potenciální energie U vazebných sil odpovídá pouze v prvním přiblížení parabole harmonického oscilátoru; zpravidla je plošší v případě větších vzdáleností mezi atomy než při menších vzdálenostech Pokud je amplituda kmitů větší, rovnovážná poloha se tedy posouvá do větších vzdáleností mezi atomy Průměrná vzdálenost mezi atomy roste, jakož i celkový objem V (za stálého tlaku p) Objemová roztažnost kapalin a délková roztažnost pevných látek je funkcí teploty Obrázek 1: Grafické znázornění obecné závislosti potenciální energie U na vzájemné vzdálenosti r dvou molekul Tato teplotní objemová roztažnost je charakterizována součinitelem objemové roztažnosti ( ), kde V je objem tělesa, teplotní změna objemu při konstantním tlaku p Obrázek 2: Vztah mezi objemem V a teplotou t: a) ethyl acetát, b) líh, c) olivový olej, d) glycerol, e) voda Tabulka [1] zobrazuje součinitele objemové roztažnosti vybraných kapalin 1

Kapalina β / 10-3 K -1 Voda 0, 20 Glycerol 0, 50 Olivový olej 0, 72 Líh 1, 11 Ethyl acetát 1, 37 Tabulka 1: Součinitel objemové teplotní roztažnosti kapalin při teplotě 20 C Pro tělesa, u kterých převládá jeden rozměr (např tyč), zavádíme délkovou roztažnost, která je analogicky charakterizována součinitelem délkové roztažnosti ( ), kde l je délkový rozměr tělesa Obrázek 3: Vztah mezi délkou l a teplotou t: a) hliník, b) mosaz, c) měď, d) ocel, e) sklo Duran, f) křemičité sklo Tabulka [2] zobrazuje součinitele délkové roztažnosti některých materiálů Materiál α / 10-5 K -1 Hliník 2, 20 Mosaz 1, 80 Měď 1, 60 Ocel 1, 10 Sklo Duran 0, 32 Křemičité sklo 0, 05 Tabulka 2: Součinitele délkové roztažnosti materiálů při teplotě 20 C 2

Délková roztažnost pevných látek Při určování délkové roztažnosti stanovujeme závislost l = f(t) U homogenní tyče, která má při teplotě 0 C délku l 0 a při teplotě t délku l t, je prodloužení (1) přímo úměrné délce l 0 a teplotě t Tedy kde α je součinitel délkové roztažnosti udávající závislost na druhu látky, pro který platí, (2) Délku tyče při teplotě t lze pak vyjádřit vztahem Jednotkou součinitele délkové roztažnosti je K -1 Dříve používaná jednotka součinitele délkové roztažnosti C -1 není přípustná Hodnota koeficientu α je číslo velmi malé, řádově 10-6, viz tab [2] Objemová roztažnost pevných látek Máme homogenní a izotropní látku Uvažujeme-li hranol, který při teplotě 0 C má rozměry a 0, b 0, c 0 a při teplotě t rozměry a, b, c, pak platí Po vynásobení máme ( ), Vzhledem k tomu, že α je malé číslo, lze jeho druhou a třetí mocninu zanedbat a máme Položíme-li, lze psát 3

Objemová roztažnost kapalin Kapaliny mění s teplotou svůj objem, a to více než pevné látky Pro malé teplotní rozdíly platí vztah (3) kde β je koeficient objemové roztažnosti kapaliny Obecně však závislost objemu kapaliny na vzrůstu teploty není lineární a je nutné užít empirických složitějších vztahů, které mají obvykle tvar kde A, B, C jsou konstanty, které je nutné určit měřením Číselné hodnoty koeficientu β ve vztahu (3) závisí na druhu kapaliny, teplotě a tlaku, viz tab [1] S rostoucí teplotou se prudce zvětšuje a s tlakem prudce zmenšuje Většina kapalin se vzrůstající teplotou zvětšuje svůj objem a zmenšuje svoji hustotu Anomálie vody Voda je kapalina s odchylkou Jde o tzv anomálii vody, která se projevuje tím, že v intervalu teplot od 0 C do 3,98 C má anomální teplotní roztažnost Ohříváme-li vodu za normálního tlaku v tomto teplotním intervalu, zmenšuje svůj objem a při 3,98 C má největší hustotu Při této teplotě je β = 0 Teplota, při které má voda maximální hustotu, je závislá na tlaku Příčinou anomálie vody je její složení z různých molekul Měření teplotní roztažnosti Měření součinitele roztažnosti kapalin pyknometrem Pomocí této metody určíme relativní součinitel objemové roztažnosti β, který je dán jako rozdíl mezi objemovou roztažností zkoumané kapaliny a objemové roztažnosti skla Obrázek 5: Pyknometr Pyknometr o objemu V naplníme zkoumanou kapalinou o teplotě t 0 a hustotou ρ 0 Hmotnost kapaliny v pyknometru je Při zahřátí pyknometru zvětší kapalina svůj objem a hustota kapaliny se zmenší Platí 4

[ ( )], [ ( )] [ ( )] Rozdíl hmotností kapaliny v pyknometru Odtud vyjádříme součinitel objemové roztažnosti kapaliny jako ( ) Skutečný součinitel objemové roztažnosti kapaliny získáme po opravě o roztažnost skla 2 1 Pomůcky Pyknometr, destilovaná voda, zkoumaná kapalina (ethanol), digitální váhy, teploměr, filtrační papír 22 Postup měření Zvážíme prázdný a suchý pyknometr hmotnost m 1 Pyknometr naplníme měřenou kapalinou o teplotě t 0 a určíme hmotnost pyknometru m 2 Hmotnost kapaliny v pyknometru určíme Pyknometr vložíme do vodní lázně, vyčkáme, dokud se teploty nevyrovnají kapalina přestane vytékat kapilárou v zátce, a určíme teplotu t Pyknometr vyjmeme, osušíme a po ochlazení na teplotu místnosti zvážíme hmotnost m 3 Hmotnost kapaliny v pyknometru určíme, úbytek hmotnosti určíme Vypočítáme součinitel objemové roztažnosti Měření opakujeme pro 3 pyknometry, vypočítáme jeho nejpravděpodobnější hodnotu z hodnot β, její chybu a relativní chybu měření ( ) ( ) ( ) Výsledek měření opravíme o roztažnost skla n t 0 [ C] 1 2 3 m 1 m 2 m 0 t [ C] m 3 m m 5

Tabulka 5: Ukázka tabulky pro zápis dat při měření n β [K -1 ] 1 2 3 ( β ) 2 [(K -1 ) 2 ] δ(β ) [%] Tabulka 6: Ukázka tabulky pro zápis dat při měření Výsledek měření porovnáme s tabulkovými hodnotami Měření provádíme s kapalinami, které vykazují lineární roztažnost, rozdíly teplot pro všechna měření udržujeme stejné Příklady k úloze 1 Jak se změní poloměr železné obruče, která má při teplotě 480 C poloměr 60 cm, jestliže ji ochladíme na teplotu 20 C Součinitel teplotní délkové roztažnosti železa je 1, 210-5 K -1 2 O kolik promile se zvětší objem měděného tělesa při zahřátí z t 1 = 18 C na t 2 = 150 C? Součinitel teplotní délkové roztažnosti mědi je 1, 6210-5 K -1, takže objemová roztažnost je β = 3α 3 Vypočtěte jaká je hustota rtuti při teplotě 0 C a při teplotě 100 C, když při teplotě 10 C má rtuť hustotu ρ 10 = 13, 57 g cm -3 4 Dokažte, že u izotropního pevného tělesa se teplotní součinitel objemové roztažnosti β přibližně rovná trojnásobku teplotního součinitele délkové roztažnosti α pro tutéž látku 6