Вивчення особливостей теплового розширення води

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 пропущені трубка довжиною 40см з внутрішнім діаметром біля 2мм і термометр, посудина об'ємом 2-Зл, вода, кухонна сіль, лід, молоток, велика кювета.

Теоретичні відомості.

Вода має багато особливостей, які різко виділяють її з усіх інших рідин. Питома теплоємність 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 (крім ртуті) вода має найбільше значення коефіцієнту поверхневого натягу (72,7 при 20°С). При зниженні температури вода спочатку стискується, досягаючи максимальної густини при 4°С (точніше, при 3,98°С), а потім починає розширюватись, хоч температура її знижується. При замерзанні вода розширюється, а не стискується, як більшість речовин, і густина її зменшується. Об'єм льоду на 9% більший від об'єму рідкої води, з якої він утворюється, тому лід плаває на поверхні води. Всі ці властивості пояснюються структурою води. Молекула води схожа на рівнобедрений трикутник, в основі якого два протони, а у вершині - атом кисню. В кристалі льоду між молекулами води існують водневі зв'язки, що виникають за рахунок ковалентної взаємодії атома водню однієї молекули з атомом кисню другої. В результаті 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 з такою будовою лід має густину меншу, ніж вода.

Речовини, між молекулами яких існують водневі зв'язки, в процесі плавлення частково ці зв'язки втрачають. За даними рентгенографічних досліджень встановлено, що у воді в основному зберігається розташування молекул, властиве структурі льоду. Однак строгий порядок в розташуванні молекул під час плавлення льоду порушується, пустоти частково заповнюються і густина збільшується. При нагріванні води від 0°С до 4°С продовжується зміна просторової структури, причому ефект зменшення об'єму за рахунок більш щільної упаковки молекул перевищує результат зростання теплового руху молекул. Тому в інтервалі температур від 0°С до 4°С густина води зростає. При нагріванні вище 4°С об'єм води буде вже збільшуватись.

Слід відмітити, що вода не єдина речовина, у якої спостерігається аномальне теплове розширення. Алмаз починає розширюватись при охолодженні нижче 42°С, йодисте срібло при нагріванні від -10°С до +142°С зменшує свій об'єм.

В даній роботі пропонується визначити температурний коефіцієнт об'ємного розширення води в інтервалі температур від 0°С до 20°С. Нагадаємо, що коефіцієнт об'ємного розширення β дорівнює:

(1)

Прилад для визначення коефіцієнта об'ємного розширення зображено на рис 1. Він складається з колби 1, яка закрита гумовою пробкою 2. Через пробку пропущено термометр 3і скляна трубка 4 довжиною 30-40 см з внутрішнім діаметром біля 2 мм. Поруч з трубкою розміщена лінійка 5. Колба заповнюється водою так, щоб після закривання пробкою в ній не було бульбашок повітря, а рівень води в трубці 4 був приблизно на висоті ¾ від довжини трубки при температурі 20°С. Як правило, до початку роботи колба вже буде заповнена водою. Для зміни температури води в колбі її ставлять в іншу посудину 6 з водою; знижувати температуру води в посудині можна з допомогою льоду 7, підвищувати - доливаючи невеликими порціями теплу воду або просто залишивши колбу в повітрі кімнати.

Об'єм колби визначається при її заповненні; в даній установці V₀=290мл.

Хід роботи.

1. Виміряйте внутрішній діаметр трубки d. Для цього виріжте з цупкого паперу трикутник з висотою АВ=1 см і основою СВ=10см. (рис.2). При зображенні на папері трикутника поставте на ньому поділки через 1 або 2мм. При акуратному виготовленні трикутника похибка визначення діаметра не буде перевищувати 0,1-0,2мм. Для визначення діаметра в отвір трубки (зверху) введіть трикутник гострим кутом С так, щоб сторони трикутника СА і СВ доторкнулись до країв трубки. Визначте, на яку відстань трикутник опустився в трубку. Наприклад, краї трубки знаходяться навпроти поділки 2,6см; це означає, що діаметр трубки дорівнює 2,6мм.

2. Якщо вода в колбі має кімнатну температуру, то налийте в посудину 6 холодну воду (приблизно на 4-5см) і поставте в посудину колбу. Запишіть покази термометра і положення стовпчика води в трубці 7 за шкалою лінійки 5.

3. Приблизно 0,5кг льоду розбийте молотком на шматочки (лід слід тримати в руці або використовувати спеціальну підставку).

4. Одразу покладіть увесь лід в посудину 6 і записуйте положення стовпчика води і покази термометра через 1ºС.

5. При температурі води в колбі біля 2°С зниження температури стає надто повільним. Прискорити охолодження можна, посипавши лід в посудині кухонною сіллю.

6. Після того, як вода в колбі охолоне до 0°С, витягніть колбу з посудини і поставте її в кювету на лабораторному столі.

7. Вода в колбі буде повільно нагріватись від оточуючого повітря. Знову через 1ºС записуйте 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;

Розрахунки виконайте 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.

Виконайте обчислення температурного коефіцієнту об'ємного розширення води з врахуванням розширення скла.

Контрольні запитання.

1. Чому при нагріванні тіла розширюються?

2. Як визначити коефіцієнт об'ємного розширення твердих тіл через їх коефіцієнт лінійного розширення?

3. В чому полягають і чим пояснюються особливості теплового розширення води?

Табл.1. Температурний коефіцієнт об'ємного розширення води