A 13

coeficientul de dilatare liniară a solidelor.

Obiectiv: determinarea coeficientului de temperatură pentru dilatarea liniară a barelor din materiale dure.

Echipamente: dispozitiv pentru determinarea coeficientului de dilatare liniară (PRTT), probe de tije (oțel, aluminiu, sticlă), indicator IC, etrier.

Când temperatura se schimbă, volumul solidului se schimbă: pe măsură ce crește temperatura, volumul crește, iar când corpul se răcește, se contractă. Fenomenul schimbării mărimii și volumului de solide cu o schimbare de temperatură se numește expansiune termică.

Care sunt motivele pentru expansiunea corpurilor când sunt încălzite? De ce, atunci când sunt încălzite (răcite), distanțele medii dintre atomi cresc (scăderea)?

Imaginea moleculară a expansiunii termice. Dependența energiei potențiale a interacțiunii moleculelor cu distanța dintre ele face posibilă determinarea cauzei apariției expansiunii termice. Luați în considerare în Fig. 1 și Fig. 2 cum depind forțele interacțiunii intermoleculare a moleculelor și energia potențială a interacțiunii moleculelor cu distanța dintre ele.

Dacă moleculele sunt la distanțe care depășesc dimensiunile lor de mai multe ori, atunci forțele de interacțiune dintre ele practic nu afectează forțele de interacțiune cu acțiune scurtă. La distanțe care depășesc 2-3 diametre moleculare, forța repulsivă F2 este practic zero. Observați doar forța de atracție F1. Pe măsură ce distanța scade, forța de atracție crește, în timp ce forța repulsivă crește și ea. La o anumită distanță r0. aproximativ egal cu diametrul moleculei, modulul forței atractive este egal cu modulul forței respingătoare. Cu o scădere suplimentară a distanței, învelișurile electronice ale moleculelor încep să se suprapună, ceea ce duce la o creștere foarte rapidă a forței respingătoare. Curbele forțelor de interacțiune sunt asimetrice. Distanța r0 este poziția de echilibru a atomului. În această poziție, energia sa potențială este mai mică decât în orice poziție vecină - graficul dependenței energiei potențiale de distanța trece printr-un minim în acest punct (figura 2).

Astfel, molecula (atomul) se află în interiorul puțului potențial și face oscilații fără să părăsească această "groapă", de la un "perete" la celălalt.

Curba potențială de energie este puternic asimetrică. Ea crește foarte rapid de la valoarea minimă a Ep0 cu scăderea lui r și crește relativ încet cu creșterea r. La zero absolută într-o stare de echilibru, moleculele ar fi la o distanță r0 una de cealaltă. care corespunde valorii minime a energiei potențiale Ep0. Pe măsură ce crește încălzirea, energia cinetică a moleculelor crește și încep să oscileze în apropierea poziției de echilibru. Gama de oscilații este determinată de valoarea medie a energiei. Dacă curba potențială a energiei a fost simetrică, atunci poziția medie a moleculei ar corespunde în continuare distanței r0. Ce ar însemna invarianța generală a distanțelor medii între molecule după încălzire, armonicitatea oscilațiilor în jurul poziției de echilibru și, în consecință, absența expansiunii termice.

De fapt, atomii din grila de cristal efectuează oscilații anharmonice (adică, non-armonice).

Pe măsură ce crește temperatura, oscilațiile oscilațiilor cresc; energia (nivelul de energie) al particulelor crește. Astfel, de exemplu, la o temperatură T1, nivelul de energie este E1. la T2 - nivelul E2. În primul caz, particula oscilează în apropierea poziției r1. în al doilea cu o amplitudine mai mare - aproximativ r2. care corespund noilor poziții de echilibru. Se poate observa din figura 2 că, odată cu creșterea temperaturii, acest punct - punctul poziției de echilibru - se îndreaptă spre dreapta, adică în direcția distanțelor interatomice mari. Prin urmare, cauza expansiunii termice a corpurilor este evidentă.

Expansiunea termică este caracterizată de coeficienți de dilatare liniară și volumetrică. Lăsați corpul la temperatura T1 să aibă o lungime ℓ1. dar la o temperatură de

(în cazul în care

- un interval relativ mic de temperaturi) are o lungime ℓ2. atunci coeficientul de dilatare liniară este determinat din relația:

și anume semnificația fizică a coeficientului de dilatare liniară α - coeficientul de expansiune liniară α indică la ce proporție din valoarea sa inițială dimensiunile liniare ale corpului se schimbă cu o schimbare de temperatură cu un Kelvin.

În mod similar, coeficientul de expansiune volumetrică β este determinat din relația:

și anume coeficientul de expansiune a volumului β este egal cu schimbarea relativă a volumului

atunci când temperatura este schimbată cu 1 K sau arată cât de mult fiecare unitate din volumul inițial variază odată cu schimbarea temperaturii cu 1 K.

Din (1) și (2) rezultă că

Din cauza anizotropiei cristalelor, coeficientul de expansiune liniară

pot fi diferite în direcții diferite, prin urmare.

Pentru cristalele cu simetrie cubică, precum și pentru corpurile izotropice (majoritatea metalelor), coeficientul de dilatare liniară este același în toate direcțiile, iar în acest caz

Coeficienții de dilatare liniară rămân practic constanți dacă intervalele de temperatură în care sunt măsurate sunt relativ mici (câteva zeci de grade). În general, coeficienții de expansiune termică (

și

) depind de temperatură: cu scăderea temperaturii, coeficienții

și

scăderea și, pe măsură ce se apropie de temperatura absolută zero, tind să fie zero.

Pentru cele mai multe substanțe, coeficientul de dilatare liniară este mic, iar valorile sale sunt 10 -5 ÷ 10 -6 K -1. În mod deosebit mic este coeficientul de dilatare liniară în intervalul de temperaturi de la -30 ° C la +100 ° C în Invar (un aliaj de fier și nichel). Prin urmare, Invar este utilizat pentru a produce instrumentele exacte folosite pentru determinarea dimensiunilor corpurilor. Dimensiunile liniare ale instrumentului însuși din Invar depind foarte puțin de fluctuațiile de temperatură.

Expansiunea termică a corpurilor este luată în considerare la proiectarea tuturor instalațiilor, instrumentelor și mașinilor care funcționează în condiții de temperatură variabilă.

în

Construcția dispozitivului de măsurare este prezentată în Fig. 3. Banda de testare (1) din tubul de testare (2) cu apă la temperatura camerei este plasată într-un încălzitor electric. Capătul superior al tijei atinge tija indicatorului de lungime (4), care este fixată pe suportul (5) (suportul se poate roti în jurul axei coloanei cu 90 °).

Încălzitorul este conectat la rețeaua de 220 V cu ajutorul butonului (6); atunci când porniți, lumina (3) trebuie să se aprindă. Tijele de testare sunt încălzite de la temperatura camerei până la punctul de fierbere al apei de 100 ° C (373 K).

Ordinea de executare a muncii

Sarcina 1. Măsurarea alungirii tijelor în timpul încălzirii și calcularea coeficientului de dilatare liniară.

Măsurați lungimea inițială a tijei ℓ1 și temperatura corespunzătoare T1 (temperatura camerei) cu o etrier.

Introduceți tija (1) în tubul de testare (2) și umpleți-o cu apă la un centimetru sub marginea tubului (2).

Introduceți tubul cu tija în priza încălzitorului, aduceți tija indicator (4) și montați-o pe tija. În timp ce țineți carcasa indicatorului cu mâna și rotiți colivia, setați punctul zero al scării până la capătul săgeții.

Porniți încălzitorul (6). Dacă are loc o evaporare intensă, opriți încălzitorul cu butonul (6) și supravegheați (încălzirea inerțială va continua) după indicarea indicatorului. Indicația maximă a indicatorului, care corespunde fierberii apei, este

Cu atenție (cu o cârpă uscată), scoateți tubul cu tija de la încălzitor, turnați apa caldă și plasați tubul în tubul de testare.

Acțiunile și măsurătorile similare (vezi punctele 1-5) fac cu alte tije.

După răcirea tijei și a tubului la temperatura camerei, repetați măsurarea.

Calculați coeficientul mediu de temperatură

prin formula (1) pentru fiecare tija. Înregistrați rezultatele măsurătorilor și calculelor din tabelul 1.

Pagina anterioară

Pagina următoare

A 13

Trimiteți-le prietenilor: