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. ............
