A hőtágulási együttható meghatározása
Az egyetemen végzett tanfolyam során a hallgatók laboratóriumi munkájának elvégzése az oktatási technológia egyik formája. Elősegíti a diákok kompetenciakomplexumának kialakulását, például: a képességet a kognitív és a kreatív tevékenységhez; a különböző forrásokból származó információval való foglalkozás készségének a szakmai problémák megoldására való alkalmassága stb.
A laboratóriumi munka módszertani utasításait a diákok önálló munkájára tervezték. Ezek tartalmazzák a témával kapcsolatos legfontosabb elméleti információkat, valamint a laboratóriumi munkák végrehajtásának és nyilvántartásának sorrendjét.
A laboratóriumi munka során a hallgatónak meg kell értenie a laboratóriumi munkában figyelembe vett jelenség vagy folyamat fizikai jelentését. Ezért tanácsos a munkához csak az e fejezetnek megfelelő elméleti és módszertani anyag tanulmányozása után folytatódni.
Az egyetem diplomások számára szükséges kompetenciák kialakítása mellett a laboratóriumi munkák független elvégzése hozzájárul a hallgatók előkészítéséhez a vizsgára.
Laboratóriumi munka №10
A hőtágulási együttható meghatározása
(lineáris) szilárd test
1) meghatározza a fémhuzal hőmérsékletét, amikor elektromos áram áramlik rajta;
2) mérje fel a vezeték meghosszabbítását melegítéskor;
3) határozza meg a lineáris hőtágulási együtthatót.
A tapasztalat azt mutatja, hogy a csökkenő hőmérséklet mellett a szilárd anyagok tömörödnek, és a hőmérséklet emelkedése mellett a testméret emelkedik, amit termikus terjeszkedésnek neveznek. A merev test egy dimenziójának kiterjedését lineárisnak nevezik (1. Ennek a jelenségnek a jellemzőjével a termikus lineáris terjeszkedés együtthatóját lehet bevezetni.
Legyen 10 a test hossza T1 hőmérsékleten. E test meghosszabbodása # 8710; l a T2 hőmérsékletre hevítve arányos a kezdeti l0 hosszúsággal és a hőmérséklet-változással DT = T2 - T1:
ahol a a lineáris hőtágulási együttható, amely a test relatív megnyúlását jellemzi # 8710; l / l0. ha a testet 1 fokkal felmelegítik.
A test hossza T2 hőmérsékleten:
A legtöbb szilárd anyag hőtágulása nagyon elhanyagolható, és körülbelül 10 -5 -10 -6 K-1. Ezért a testhossz 0 ° C-on nagyon eltérő a test hosszától eltérő hőmérsékleten, például szobahőmérsékleten.
A szilárd test az anyag négy aggregált állapotának egyike, amely különbözik a többi aggregátumállapottól (folyadék, gázok, plazma) az alakzat stabilitásától. A szilárd anyagok tulajdonságai az atomok (vagy ionok) rendezett elrendezésének köszönhetők, amelyekből szilárd testek állnak össze a kristályrács helyén. A kristályrács típusát az atomok típusa és az egymás közötti kölcsönhatások jellege határozza meg.
Bármilyen hőmérsékleten az atomok kis egyensúlyt mutatnak az egyensúlyi helyzetek (csomók) közelében, és az oszcillációk amplitúdója növekvő hőmérséklet mellett növekszik. A szilárd anyagok fűtés során történő terjeszkedésének oka az atomok hőtágulási amplitúdójának növekedése és az egymás közötti átlagos távolság növekedése.
Meg kell jegyezni, hogy a növekedés a rezgési amplitúdó magasabb hőmérsékleteken már önmagában nem azt jelentette, hogy hőtágulási a kristály, ha ezek ingadozások szigorúan harmonikus (vagyis rezgések által leírt a szinusz függvény). Tény, hogy a növekedés az amplitúdó a harmonikus rezgések a két szomszédos atomjához a szilárd nem vezetne növekedéséhez átlagos távolság közöttük, hiszen harmonikus oszcilláció esetén mindegyik atom közel áll a szomszédos atomok egyikéhez, amint eltolódik a másikból. Az a helyzet, hogy a szilárd részecskék vibrációja nem harmonikus.
Az atomok rezgéseinek a kristályban való rezgése a harmonikus (harmonikusság) miatt a vonzó erők aszimmetriája és az atomok között fellépő visszataszító erők következménye. A növekvő vibrációs amplitúdóval az egymás felé közeledő atomok közötti visszataszító erő gyorsabban növekszik, mint a vonzás ereje, amikor egy atomot eltávolítanak a másikról. Ez azzal a ténnyel jár, hogy az atomok interakciójának EP (r) potenciális energiagörbéje nem szimmetrikus az egyensúlyi helyzetben.
Az 1. ábrán. A 2. ábra ezt a görbét mutatja (egyenes vonal) a két szomszédos atom közti r távolság függvényében, amelyek közül az egyik a 0. pontban van rögzítve, a második pedig r távolságban van. A 2. ábrán az atomok harmonikus rezgései (szaggatott vonal) esetén a kölcsönhatás potenciális energia görbéje látható. Ezeknek a görbéknek a legkisebb pozíciója határozza meg az atomok közötti r0 egyensúlyi távolságot, vagyis ha az egymás közötti kölcsönhatás nulla. Amikor r
Az atom teljes energiájának értékeit ábrázoljuk a testhőmérséklet értéksorozatánál a potenciális energia görbe alapján (3.
Az EP0 egy atom minimális energiája, amelyet akkor kapna, ha nyugalmi helyzetben vannak a szomszédos atomtól. E1. E2. ..., E5 - az atom vibrációs energiája T1 hőmérsékleten. T2, ..., T5. volt. Az ábrából látható, hogy amikor a testhőmérséklet emelkedik, az oszcillációk energia- és amplitúdója növekszik. Az atom jobbra történő elmozdulása nagyobb, mint az elmozdulás balra. Ennek eredményeképpen az atom átlagos helyzete (a 3. ábrán feltüntetett pontok szerint) eltér az r0-tól jobbra és minél nagyobb annál nagyobb a rezgő atom teljes energiája E. Következésképpen az atom teljes energiájának (vagy hőmérsékletének) növekedése az rT atomok közötti átlagos távolságot növeli. A számítás azt mutatja, hogy ez a növekedés közvetlenül arányos a szilárd anyag abszolút hőmérsékletével:
Ez a növekedés az atomok közötti átlagos távolságban, amikor fűtött, és a szilárd anyagok lineáris hőtágulásának oka.