Bartosz Celmer Wrocław dn.20.XII.1999

LABORATORIUM FIZYKI OGÓLNEJ

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 29

TEMAT: WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ROZSZERZALNOŚCI CIEPLNEJ` METODĄ

ELEKTRYCZNĄ.

1. OPIS TEORETYCZNY.

Zjawisko rozszerzalności cieplej polega na zmianie rozmiarów ciał spowodowanej wzrostem temperatury, jeśli w danym zakresie temperatur nie występują przejścia fazowe. Zwiększonym rozmiarom ciała odpowiada w obrazie mikroskopowym większa średnia odległość między jego atomami. Wzrost średnich odległości ,międzyatomowych towarzyszący wzrostowi temperatury ciała, znajduje uzasadnienie w charakterze wzajemnych oddziaływań między atomami tego ciała.

Doświadczenie wskazuje na istnienie między atomami ciał stałych, cieczy i gazów zarówno sił przyciągania jak i odpychania. Zależność tych sił od wzajemnej odległości między atomami jest różna dla sił przyciągania i odpychania. Dla bardzo małych odległości przeważają siły odpychania, dla większych - przyciągania.

Gdy odległość między sąsiadującymi atomami jest mniejsza od r0, przeważają siły odpychania, gdy odległość ta jest większa od r0 - siły przyciągania. W ten sposób r0 jest odległością między atomami, odpowiadającą stanowi równowagi, w jakiej znajdowałyby się atomy wówczas, gdyby nie było ruchu cieplnego zakłócającego równowagę.

Ze wzrostem temperatury zwiększa się amplituda drgań poszczególnych atomów. Gdyby wychylenia z położenia równowagi były w obydwie strony jednakowe, średnia odległość między atomami byłaby niezależna od amplitudy i równa r0. Samo zwiększenie amplitudy drganie prowadziłoby zatem do zwiększenia objętości ciała. Sytuacja taka wystąpiłaby wówczas, gdyby zależność siły wypadkowej działającej na atom wychylony z położenia równowagi od wielkości tego wychylenia była liniowa. Wówczas krzywa przedstawiająca zależność energii potencjalnej od wzajemnej odległości byłaby symetryczna względem osi przechodzącej przez punkt r0. W rzeczywistości jednak siła przywracająca atom do położenia równowagi nie ma przebiegu liniowego w otoczeniu punktu r0, czego konsekwencją jest asymetria krzywej przedstawiającej zależność energii potencjalnej od wzajemnej odległości między atomami (rys. 1). Atom o całkowitej energii równej E drga wokół punktu r0, któremu odpowiada minimum energii potencjalnej, ponieważ cząstka o energii całkowitej równej E nie może znaleźć się w obszarze, któremu odpowiada energia potencjalna większa od E. Jak widać z rysunku 1, maksymalne wychylenia atomu z położenia równowagi nie są symetryczne względem r0. Wraz ze wzrostem energii obszar dostępny dla danego atomu poszerza się, co odpowiada większej amplitudzie drgań, a średnie położenie atomu r względem najbliższego sąsiada przesuwa się ku wartościom większym od r0.

Zwiększenie średniej odległości między atomami ciała stałego podczas jego nagrzewania jest przyczyną liniowej i objętościowej rozszerzalności ciała. W celu ilościowego ujęcia zjawiska rozszerzalności cieplnej ciał stałych wprowadza się pojęcie współczynnika rozszerzalności liniowej. Współczynnik rozszerzalności liniowej można zdefiniować równaniem:

Badanie rozszerzalności cieplnej ciał stałych jest oparte zwykle na prawie opisującym zależność długości ciała od temperatury :

lt = l0(1 +  T)

gdzie

lt - długość ciała w temperaturze T,

l0 - długość ciała w temperaturze T0,

T = T - T0,

- współczynnik rozszerzalności liniowej.

Przekształcenie powyższego równania pozwala wyznaczyć współczynnik na podstawie zmierzonej zależności względnego wydłużenia od przyrostu temperatury. Wartość współczynnika jest bowiem równa tangensowi kąta nachylenia krzywej na wykresie, przedstawiającym zależność wydłużenia względnego od przyrostu temperatury.

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA.

Wyznaczenie długości drutu w temperaturze pokojowej.

Wyznaczenie przyrostu długości drutu w funkcji temperatury.

3. WYZNACZENIE DŁUGOŚCI DRUTU W TEMPERATURZE POKOJOWEJ.

T0= (26,00,1) C

l0=(1,1100,004)m

4. WYZNACZENIE PRZYROSTU DŁUGOŚCI DRUTU W FUNKCJI TEMPERATURY.

T [C]	(T) [C]	T [C]	(T) [C]	l [m]	(l) [m.]	l/l0 10-6	(l/l0) 10-6
31,1	0,1	5,5	0,2	340	5	377,4	6,91
41,2	0,1	15,2	0,2	710	5	788,1	8,39
51,1	0,1	25,1	0,2	1090	5	1209,9	9,91
61,2	0,1	35,2	0,2	1460	5	1620,6	11,39
71,0	0,1	45,0	0,2	1850	5	2053,5	12,95
81,2	0,1	55,2	0,2	2250	5	2497,5	14,55
91,2	0,1	65,2	0,2	2640	5	2930,4	16,11
101,1	0,1	75,1	0,2	3030	5	3363,3	17,67
111,2	0,1	85,2	0,2	3420	5	3796,2	19,23
121,1	0,1	95,1	0,2	3840	5	4262,4	20,91
131,2	0,1	105,2	0,2	4240	5	4706,4	22,51
141,3	0,1	115,3	0,2	4630	5	5139,3	24,07
151,2	0,1	125,2	0,2	5040	5	5594,4	25,71

T = T - T0 = 31,1 - 26,0 = 5,5 C

(T) = T + T0 = 0,1 + 0,1 = 0,2 C

Wykres zależności przyrostu długości drutu w funkcji temperatury znajduje się na dołączonym do sprawozdania rysunku.

Na podstawie współczynnika nachylenia wykresu, do którego obliczenia posłużyliśmy się programem Excel otrzymaliśmy współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej. Ma on wartość:

Wartość obliczona na podstawie współrzędnych dwóch punktów wykresu:

5. ZESTAW PRZYRZĄDÓW.

1. Przyrząd do pomiaru wydłużenia drutu.

2. Woltomierz.

3. Autotransformator.

4. Cyfrowy miernik temperatury.

5. Transformator zabezpieczający.

6. UWAGI I WNIOSKI.

Wykres zależności jest liniowy. Nieliniowość charakterystyki dla większych temperatur mogła być spowodowana niejednakową temperaturą na całej długości drutu. Otrzymana wartość współczynnika rozszerzalności liniowej porównywalna jest z wartościami tego współczynnika dla metali.Współczynnik rozszerzalności liniowej wyznaczono w ćwiczeniu na podstawie wykresu zależności względnego wydłużenia drutu w funkcji temperatury. Jest on równy tangensowi kąta nachylenia tego wykresu. Obliczenia takego współczynnika wykonano za pomocą programu Execel. Zaistniały błąd może wynikać nie tyle z samej metody pomiaru, ale sposobu jego realizacji. Otóż ważną rzeczą przy pomiarze temperatury jest odczekanie paru minut od chwili zwiększenia napięcia na transformatorze do momentu odczytu temperatury na mierniku. Czas ten potrzebny jest, aby układ znalazł się w stanie równowagi ( ilość ciepła wydzielanego na przewodniku równa ilości ciepła odprowadzanego do otoczenia ).

---