Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути



Скачать 111.84 Kb.
Дата11.07.2014
Размер111.84 Kb.
ТипЛабораторная работа
Лабораторная работа №1
Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути.
Цель работы: изучить устройство и принцип работы контактных термометров. Определить температурный коэффициент объемного расширения спирта.

Приборы и принадлежности: термометры различной конструкции. Жидкостный термометр с термометрическим телом – спиртом и ртутью; средства измерения линейка, штангенциркуль.
1.1. Теоретическое введение
Прибор, измеряющий температуру, называется термометром («гр. thermos – теплый, metron – мера). Существуют контактные и бесконтактные термометры.

Контактный термометр приводят в контакт с исследуемым телом. При тепловом равновесии температура термометра равна температуре исследуемого тела. Однако следует помнить, что термометр измеряет свою собственную температуру, и если контакт с телом плохой, то может возникнуть существенная ошибка. Другой источник ошибки — слишком массивный термометр. Теплоемкость термометра должна быть много меньше теплоемкости тела.

Принцип работы бесконтактных термометров основан на явлении изменения показателя преломления вещества при увеличении его температуры.

В контактном термометре может быть использовано любое свойство вещества или устройства, зависящее от температуры. Поскольку таких свойств очень много, разновидностей термометров тоже много.

В дилатометрическом термометре используется зависимость линейных размеров тела или объема вещества от температуры.

В первом известном человечеству термометре в качестве такого вещества был взят воздух. Изобрёл его Галилей. Данный термометр, или «термоскоп» показан на рис.1.





Рис 1. Термоскоп Галилея
Он состоял из стеклянной трубки с шариком на конце. Колба согревалась рукой, а трубка опускалась в чашку с водой. Часть воздуха при нагревании выходила из колбы. После снимания руки с колбы термоскопа по мере остывания воздуха вода поднимается вверх по трубке. Высота подъема воды в трубке служила количественной мерой предварительного нагревания термоскопа. Показания искажались изменением барометрического давления. Обратите внимание на то, что движение жидкости в трубке обратно тому, к какому мы привыкли в большинстве современных термометров.

Изобретатель Гийом Амонтон усовершенствовал термометр Галилея: U - образная трубка наполнялась ртутью, один конец трубки был открыт, другой соединялся с баллоном, содержащим воздух (рис.2). \ Это был первый газовый термометр. Температура измерялась по высоте столбика ртути.



Рис 2.
Газовый термометр

В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, - теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.




Рис 3. Разновидности жидкостных термометров
Жидкостный термометр делается в виде узкого капилляра, переходящего в нижней части в шарик, в котором находится основная масса жидкости. При расширении жидкость входит в капилляр, заполняя его до определенного деления (используется разница температурных коэффициентов расширения жидкости и стекла.). По градуированной шкале определяется измеряемая температура тела.

Для того чтобы измерения по термометру были точны и сравнимы друг с другом, устройство шкалы термометра должно основываться на двух постоянных точках, по которым можно проконтролировать термометры.

В термометре Фаренгейта за низшую постоянную точку взята температура смеси льда, обыкновенной соли и нашатыря.

Полагая, что это самая низкая из возможных температур, какие можно получить искусственно, Фаренгейт принял се за нуль. Высшей постоянной точкой была температура человеческого тела, которая была обозначена числом 12. Расстояние между постоянными точками было разделено на 12 равных частей, или градусов, и такие же деления были нанесены в обе стороны от постоянных точек. Впоследствии, чтобы сделать величину градуса более удобной, эти числа были умножены на 8. Тогда точка замерзания воды по новой шкале оказалась 32 , а точка кипения воды 212°.

После Фаренгейта были предложены многие другие шкалы и конструкции термометров. Из всех шкал до нашего времени дошли только две.

В первой шкале разметка производится по двум постоянным точкам: точке замерзания и точке кипения воды при нормальном давлении. Шарик термометра опускается в тающий снег или лед, и на шкале отмечается положение столбика жидкости. Затем шарик и часть трубки термометра помещаются в пары кипящей воды при нормальном атмосферном давлении, и снова отмечается положение жидкости. После этого расстояние между двумя отмеченными точками делят на сто равных частей. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами. Эта шкала теперь не совсем правильно носит имя шведского физика и астронома Цельсия. Этой шкалой пользуются уже более 200 лет почти во всём мире. Она удобна, проста и практична.

Вторая шкала, в которой 00 - температура смеси льда и воды, и 800 - температура кипения воды - была предложена французским ученым Рене Реомюром в 1730 году и носит его имя.

В мире широко распространены две шкалы, и Фаренгейтова и Цельсия (стоградусная), поэтому стоит задача перевода показаний одной шкалы в другую. Схема на рис. 4 поможет это сделать. Между точками замерзания и кипения воды размещено 180° Фаренгейта и только 100° Цельсия. Это значит, что один градус Фаренгейта соответствует 100/180, или 5/9 градуса Цельсия. Наоборот, градус Цельсия равняется 9/5 градуса Фаренгейта.

В качестве простого примера найдем, чему соответствует по стоградусной шкале 68°F. Прежде всего, заметим, что нулевые точки на этих двух шкалах не совпадают. Далее, необходимо учесть, что отсчет по стоградусной шкале ведется, начиная от точки замерзания воды (выше 0е). Первым шагом поэтому будет вычитание 32°С от показания термометра по Фаренгейту:

68°-32°=36°F

Потом находим градусный эквивалент 36°F:
5/9 от 36°, или 20°С
При измерении температуры по шкале Цельсия зависимость давления любого газа от температуры при постоянном объеме имеет вид:

, (1)

где - давление газа при 0°С; - давление газа при температуре t, - термический коэффициент давления, равный



Из выражения (1) следует, что, если вещество до температуры -273,15°С остается в газообразном состоянии, его давление при этой температуре должно стать равным нулю. Эту температуру выбрали за начало отсчета новой температурной шкалы — абсолютный нуль, а за единицу измерения температуры по абсолютной шкале приняли кельвин (К), равный 1°С. Связь между температурой t по шкале Цельсия в градусах Цельсия и температурой T в Кельвинах, отсчитываемой от абсолютного нуля и называемой абсолютной температурой, определяется выражениями:



(2)

где символом обозначена абсолютная температура, соответствующая температуре 0°С и равная 273,15 К.

Границы температурных шкал в термометрах зависят от назначения термометра.

Большинство бытовых термометров содержат в качестве термометрического вещества ртуть, некоторые — спирт. Так как спирт замерзает при —112°С и кипит при 78°С, то он может применяться в любом месте земной поверхности для измерения температуры воздуха в диапазоне от —80 до +70 °С как внутри помещения, так и снаружи.

Ртуть же замерзает при —39°С , а стекло размягчается при 500—600°С, поэтому ее нельзя применять для измерения температуры наружного воздуха во время зимы и местностях, где температура падает ниже этого значения.

Химические и технические термометры должны быть ртутными, если они предназначены для измерения сравнительно высоких температур. Ртутные термометры применяются также в медицине как более точные. Медицинский термометр показан на рис.5 .

Данный термометр обладает особенностью. После измерения им уровень ртути в капилляре не опускается, несмотря на остывание термометра. Это достигается благодаря тому, что шарик сообщается с измерительным капилляром через более узкий капилляр. При нагревании ртуть проталкивается через узкое место, а при остывании столбик ртути рвется в этом месте и ртуть не возвращается в шарик, фиксируя максимальную температуру. Для возвращения ртути термометр необходимо сильно встряхнуть.

Ртутный термометр, который используется не только для измерения температуры, но и для ее регулирования, называется контактным (рис. 6), так как в него введена тонкая контактная проволочка. При повышении температуры ртуть замыкает контакты. Положение верхнего контакта можно менять магнитом. Сила тока в термометре должна быть небольшой, а при необходимости регулирования токов большой силы используют реле.

Иногда в дилатометрическом термометре используется расширение твердого стержня (рис. 7, а).

Однако чаще изготавливают биметаллическую пластинку — склеивают или скрепляют две гибкие металлические пластинки с разными температурными коэффициентами расширения (рис.7 б, в). При нагревании биметаллическая пластинка изгибается.

В качестве термометров используют также различные физико-химические индикаторы температуры — вещества, которые изменяют свое состояние (плавятся, кипят, изменяют цвет и т. д.) при определенных температурах. Например, такими индикаторами могут быть термочувствительные краски, В последнее время стали широко применять некоторые жидкие кристаллы — вещества, плавно меняющие свой цвет от красного до фиолетового.

Термочувствительные краски не требуют никакой дополнительной аппаратуры, с их помощью можно измерять температуру в труднодоступных местах (детали работающего двигателя, детали, находящиеся под высоким напряжением). Эти краски показывают не только температуру в какой-либо одной точке, но и распределение температуры по поверхности, обозначая расположение изотерм t°(x, у) (т. е. визуализируют температурное поле). Недостатками их являются недолговечность, зависимость от освещения и малая точность.

Датчиками температуры с электрическим выходом являются электрические термометры: термометры сопротивления и термопары. Металлический термометр сопротивления - это катушка с проводом (рис. 8), сопротивление которого возрастает с температурой: R = R0 (1 + αt).

Для устойчивости к окислению берут тонкую платиновую проволоку (платиновый термометр) диаметром менее 0,1 мм. Сопротивление измеряется мостом, шкала которого может быть проградуирована в градусах.



Термопары в отличие от термометра сопротивления являются активными электрическими датчиками температуры. На рисунке 9 показана схема термопары, состоящая из двух разных металлов, двух спаев между ними (чаще всего провода свариваются) и прибора, измеряющего разность потенциалов (милливольтметр, потенциометр, цифровой прибор). Если температуры Т1 и Т2 спаев 1 и 2 двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь, неодинаковы, то в ней будет циркулировать электрический ток

Один спай приводится в тепловой контакт с исследуемым телом, другой поддерживается при постоянной температуре, например, находится в сосуде с тающим льдом. Возникает ЭДС, пропорциональная разности температур спаев:



E=а(Т1 2,),
где измеряется в микровольтах на градус Кельвина и называется коэффициентом термо-ЭДС.

Если проволоки однородны, то температуры в промежуточных точках не играют роли. Провод внутри измерительного прибора обычно медный. Поэтому если один из проводов термопары тоже медный, то температура клемм прибора не важна. Если же термопара составлена из двух не медных проводов, то необходим контроль температуры обоих спаев, соединяющих термопару с медным проводом прибора.


1.2. Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути.
Температурный коэффициент объемного расширения определяется по формуле:

(1)

Пусть объем шарика , радиус капилляра r, а высота столбика жидкости в капилляре h. Тогда:





,

V – объём жидкости до нагревания

- объём жидкости после нагревания

- высота столбика жидкости в капилляре до нагревания,

- высота столбика жидкости в капилляре после нагревания

Отсюда температурный коэффициент объемного расширения будет равен:



(2)

Измеряя величины ∆h; t; Vо; r термометра определить β в мм на 1°С.

Температурный коэффициент объемного расширения β спирта в 6 раз выше, чем у ртути, соответственно и чувствительность у спиртового термометра выше. Для данной жидкости чувствительность тем больше, чем больше объем шарика и чем тоньше капилляр. Однако сужение капилляра одновременно сужает диапазон измерений
1.3. Порядок выполнения работы


  1. Измерить температуру в лаборатории по термометру на стенде.

  2. С помощью штангенциркуля определить объём спиртаV0 в термометре при t1.

  3. Определить и при нагревании до 800 С.

  4. Рассчитать температурный коэффициент объемного расширения спирта.

  5. Произвести такой же расчет для ртутного медицинского термометр.

  6. Полученные данные занести в таблицу 1.

  7. Сравнить полученные данные со справочными, приведёнными в таблице 2.

Таблица 1

Экспериментальные и расчетные данные


Определяемые величины



r



t1

t2

t



Спиртовой термометр






















Ртутный термометр

























  1. Сделать вывод о зависимости температурного коэффициента объёмного расширения от рода жидкости.

Таблица 2.



Справочные коэффициенты температурного расширения некоторых жидкостей

Жидкость

Коэффициент  , 1/град.

Вода

0.00015

Спирт

0.00110

Ртуть

0.00018

Глицерин

0.00050

Масла

0.00074

Нефтепродукты

0.00082


1.4. Требования к отчету
Отчет должен содержать:

  1. Титульный лист, где указывается номер работы, её название, номер группы, фамилия и инициалы студента.

  2. Цель работы.

  3. Конструкции основных видов термометров и термопар.

  4. Расчет температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути.

  5. Вывод.


1.5. Контрольные вопросы


  1. Чем отличается контактные и бесконтактные термометры?

  2. Назовите основные виды контактных термометров.

  3. Чем определяется диапазон измерений жидкостных термометров?

  4. В чем заключается принципиальное отличие медицинского термометра от других жидкостных?

  5. Как осуществить перевод температуры по шкале Цельсия в шкалу Фаренгейта. Приведите пример.

  6. Что такое абсолютная шкала температур? Какова её связь со шкалой Цельсия? Приведите формулу пересчёта температур.

  7. Какие существуют датчики температуры с электрическим выходом?




Похожие:

Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconЛабораторная работа №41 определение ширины запрещенной зоны полупроводника и температурного коэффициента сопротивления металла
Цель работы: исследование зависимости сопротивления полупроводника и металла от температуры, определение ширины запрещенной зоны...
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconЛабораторная работа №6 определение температурной зависимости коэффициента вязкости жидкости
Целью работы является измерение коэффициента вязкос-ти жидкости методом Стокса и получение эмпирической за-висимости вязкости от...
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconЛабораторная работа №29 определение отношения удельных теплоемкостей воздуха методом адиабатического расширения
Удельной теплоемкостью называется количество тепловой энергии, необходимое для нагревания единицы массы вещества на 1К
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconЛабораторная работа № определение термического коэффициента сопротивления металлов
При изменении температуры проводника изменяется его сопротивление. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры...
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconЛабораторная работа №5 определение коэффициента внутреннего трения воздуха и длины свободного пробега молекул
Экспериментальное определение коэффициентов внутрен-него трения и диффузии воздуха, длины свободного пробе-га и эффективного диаметра...
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconЛабораторная работа 08 Изучение дифракции рентгеновских лучей на кристаллах Москва 2005 г. 1 лабораторная работа 08
Цель работы: определение расстояний между атомными плоскостями в кристалле по имеющейся рентгенограмме
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconЛабораторная работа №1 Работа в Oracle Database Express Edition 1 Лабораторная работа №6
Лабораторная работа Выполнение расчетов с использованием программирования в среде Visual Basic for Applications
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconОпределение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель
...
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconРабота №1. Измерение β-излучения 40К счетчиком Гейгера-Мюллера. Определение содержания калия в различных химических соединений и пищевых продуктов
Определение коэффициента связи между скоростью счета препарата и его абсолютной удельной активностью
Лабораторная работа №1 Определение температурного коэффициента объемного расширения спирта и ртути iconЛабораторная работа №20 определение коэффициента внутреннего трения (вязкости) жидкости методом стокса
Цель работы: изучить движение твёрдого тела (шарика) в вязкой жидкости; определить коэффициенты динамической и кинематической вязкости...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org