Лабораторна робота № 10.
ВИВЧЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ ТЕПЛОВОГО РОЗШИРЕННЯ ВОДИ
Мета роботи: Дослідити,як залежить коефіцієнт теплового розширення води від температури.
Прилади і матеріали: Тонкостінна скляна колба об'ємом 0,5л з пробкою, через яку пропущенітрубка довжиною 40см з внутрішнім діаметром біля 2мм і термометр, посудинаоб'ємом 2-Зл, вода, кухонна сіль, лід, молоток, велика кювета.
Теоретичні відомості.
Водамає багато особливостей, які різко виділяють її з усіх інших рідин. Питоматеплоємність води (4186 />) значно вища, ніж у інших речовин(майже в 10 разів більша, ніж у заліза, і в 35 раз більша, ніж у свинцю).Велика питома теплота пароутворення води (2,45 /> при 20°С); з усіх рідин (крімртуті) вода має найбільше значення коефіцієнту поверхневого натягу (72,7 /> при 20°С). Призниженні температури вода спочатку стискується, досягаючи максимальної густинипри 4°С (точніше, при 3,98°С), а потім починає розширюватись, хоч температураїї знижується. При замерзанні вода розширюється, а не стискується, як більшістьречовин, і густина її зменшується. Об'єм льоду на 9% більший від об'єму рідкоїводи, з якої він утворюється, тому лід плаває на поверхні води. Всі цівластивості пояснюються структурою води. Молекула води схожа на рівнобедренийтрикутник, в основі якого два протони, а у вершині — атом кисню. В кристалільоду між молекулами води існують водневі зв'язки, що виникають за рахунокковалентної взаємодії атома водню однієї молекули з атомом кисню другої. Врезультаті утворюється сітчаста (ажурна) структура, в якій багато пустот.Розміри цих пустот трохи більші діаметра молекул. Пустоти утворюють канали,оточені кільцями, кожне з яких складається з шести молекул води. В зв'язку зтакою будовою лід має густину меншу, ніж вода.
Речовини,між молекулами яких існують водневі зв'язки, в процесі плавлення частково цізв'язки втрачають. За даними рентгенографічних досліджень встановлено, що уводі в основному зберігається розташування молекул, властиве структурі льоду.Однак строгий порядок в розташуванні молекул під час плавлення льодупорушується, пустоти частково заповнюються і густина збільшується. Принагріванні води від 0°С до 4°С продовжується зміна просторової структури,причому ефект зменшення об'єму за рахунок більш щільної упаковки молекулперевищує результат зростання теплового руху молекул. Тому в інтервалітемператур від 0°С до 4°С густина води зростає. При нагріванні вище 4°С об'ємводи буде вже збільшуватись.
/>Слід відмітити, що вода неєдина речовина, у якої спостерігається аномальне теплове розширення. Алмазпочинає розширюватись при охолодженні нижче 42°С, йодисте срібло при нагріваннівід -10°С до +142°С зменшує свій об'єм.
Вданій роботі пропонується визначити температурний коефіцієнт об'ємногорозширення води в інтервалі температур від 0°С до 20°С. Нагадаємо, щокоефіцієнт об'ємного розширення β дорівнює:
/> (1)
Приладдля визначення коефіцієнта об'ємного розширення зображено на рис 1. Вінскладається з колби 1, яка закрита гумовою пробкою 2. Через пробку пропущенотермометр 3і скляна трубка 4 довжиною 30-40 см з внутрішнім діаметром біля 2мм. Поруч з трубкою розміщена лінійка 5. Колба заповнюється водою так, щобпісля закривання пробкою в ній не було бульбашок повітря, а рівень води втрубці 4 був приблизно на висоті ¾ від довжини трубки при температурі20°С. Як правило, до початку роботи колба вже буде заповнена водою. Для змінитемператури води в колбі її ставлять в іншу посудину 6 з водою; знижуватитемпературу води в посудині можна з допомогою льоду 7, підвищувати — доливаючиневеликими порціями теплу воду або просто залишивши колбу в повітрі кімнати.
Об'ємколби визначається при її заповненні; в даній установці V0=290мл.
Хід роботи.
1.Виміряйте внутрішній діаметр трубки d. Дляцього виріжте з цупкого паперу трикутник з висотою АВ=1 см і основою СВ=10см. (рис.2). При зображенні на папері трикутникапоставте на ньому поділки через 1 або 2мм. При акуратному виготовленнітрикутника похибка визначення діаметра не буде перевищувати 0,1-0,2мм. Длявизначення діаметра в отвір трубки (зверху) введіть трикутник гострим кутом Стак, щоб сторони трикутника СА і СВ доторкнулись до країв трубки. Визначте, наяку відстань трикутник опустився в трубку. Наприклад, краї трубки знаходятьсянавпроти поділки 2,6см; це означає, що діаметр трубки дорівнює 2,6мм.
/>
2. Якщо вода в колбі маєкімнатну температуру, то налийте в посудину 6 холодну воду (приблизно на 4-5см)і поставте в посудину колбу. Запишіть покази термометра і положення стовпчикаводи в трубці 7 за шкалою лінійки 5.
3.Приблизно 0,5кг льоду розбийте молотком на шматочки (лід слід тримати в руціабо використовувати спеціальну підставку).
4.Одразу покладіть увесь лід в посудину 6 і записуйте положення стовпчика води іпокази термометра через 1ºС.
5.При температурі води в колбі біля 2°С зниження температури стає надтоповільним. Прискорити охолодження можна, посипавши лід в посудині кухонноюсіллю.
6.Після того, як вода в колбі охолоне до 0°С, витягніть колбу з посудини іпоставте її в кювету на лабораторному столі.
7.Вода в колбі буде повільно нагріватись від оточуючого повітря. Знову через 1ºСзаписуйте покази термометра і положення стовпчика води в трубці.
8.Який висновок можна зробити за даними досліду?
9.Обчисліть температурний коефіцієнт об'ємного розширення води за формулою (1).Нагадаємо, що V0= 290 мл;
Розрахункивиконайте для інтервалів температур:0°- 1º, 1º- 2°, 2°- 3°, 3°- 4°,4°- 5°, 5°- 6°, 6°- 7°, 7°- 8°, 8º- 10º, 10°-15°, 15°-20.
Додаткове завдання.
Виконайтеобчислення температурного коефіцієнту об'ємного розширення води з врахуваннямрозширення скла.
Контрольні запитання.
1.Чому при нагріванні тіла розширюються?
2.Як визначити коефіцієнт об'ємного розширення твердих тіл через їх коефіцієнтлінійного розширення?
3.В чому полягають і чим пояснюються особливості теплового розширення води?
Табл.1.Температурний коефіцієнт об'ємного розширення водиТемпература води 1º 2º 3º 4º 5º 10º 20º 30º 40º
/> — 63 — 49 — 31 — 15 0,0 17 95 210 300 390
Температурнийкоефіцієнт лінійного розширення скла дорівнює />об’ємного – />