Методические указания а. Д. Рожковский (стр. 14 из 20)

Б). Нажмите кнопку Продолжить. Пронаблюдайте за числом столкновений частиц со стенками в левой и правой части объема. Дождитесь. когда это число достигнет величины ~ 1000, нажмите кнопку Стоп, запишите эти значения и сравните. Большое между ними различие или нет? Будет ли существенно отличаться давление в правой и левой частях объема? Нажмите кнопку Продолжить. Переместите мышью перегородку в левое крайнее положение, при этом объем левой части станет в два раза меньше, чем правой. Снова нажмите кнопку Продолжить, чтобы очистить окна с числом столкновений, и также, как в предыдущем случае (когда это число достигнет величины ~ 1000), нажмите кнопку Стоп и запишите эти значения. Сравните число столкновений в правой и левой частях объема. Во сколько раз, и в какой части объема число столкновений будет больше? В какой части будет давление больше и во сколько раз? С какой стороны на перегородку будет действовать большая сила слева или справа? Если бы перегородка была не закреплена, осталась бы она в том же положении? Если дать возможность перегородке свободно перемещаться, будет ли в этом случае изучаемая термодинамическая система находиться в состоянии равновесия.

В). Нажмите кнопку Продолжить и верните перегородку в центральное положение. Включите Нагрев и увеличьте температуру в правой части объема ~ в два или в три раза. Выключите нагрев и запишите значения температур после нагрева. Нажатием кнопки Продолжить очистите окна числа столкновений, а затем дождитесь, когда это число достигнет величины ~ 1000, нажмите кнопку Стоп, запишите эти значения и сравните. Во сколько раз, и в какой части объема число столкновений будет больше? На основе формул в теоретической части ответьте, в какой части объема будет давление больше и во сколько раз? Почему число столкновений и давление изменились не одинаково? Если дать перегородке свободно перемещаться останется ли система в том же состоянии? Как будет перемещаться перегородка? Можно ли в этом случае эту систему с подвижной перегородкой считать находящейся в термодинамическом равновесии?

Г). Запишите значение температур в левой и правой частях объема. Нажмите кнопку Продолжить и удалите перегородку. Когда частицы перемешаются, нажмите кнопку Стоп. Поскольку перегородки нет, в окнах значений температуры приводятся величины, рассчитанные на основе средней кинетической энергии "синих" и "оранжевых" частиц. Запишите эти значения и найдите их среднюю величину. Нажимая кнопки Продолжить и Стоп повторите измерения и расчеты 3-4 раза. Почему температура "синих" и "оранжевых" частиц меняется, а среднее значение остается постоянным? Чему равна температура газа? Найдите среднее значение температуры до удаления перегородки и сравните с найденным значением. Как определить температуру смеси двух равных по объему газов, если до смешения она была разной?

Д). Нажмите кнопку Стоп. Переключателем режима работы выберите режим 4-12(1/1), т.е. 4 частицы слева, 12 - справа, массы частиц одинаковые. Нажмите кнопку Пуск. По значениям приведенных температур и по формулам в теоретической части определите внутреннюю энергию для левой и правой половины объема. Сравните ее со значениями температур. Чем внутренняя энергия идеального газа отличается от его температуры? Найдите суммарную внутреннюю энергию двух частей объема. Изменится ли она, если убрать перегородку. На основании суммарной внутренней энергии рассчитайте, какой станет температура газа, если убрать перегородку и частицы из двух половин объема перемешаются. Удалите перегородку, и после того как частицы перемешаются, остановите движение. По приведенным в окнах значениям температуры, рассчитанным на основе средней кинетической энергии "синих" и "оранжевых" частиц, рассчитайте температуру газа. При расчете учтите, что 4/16 от всех частиц имеет одно величину средней кинетической энергии (температуры), а 12/16 другое значение. Сравните полученный результат с рассчитанным на основе суммарной внутренней энергии.

Е). Нажмите кнопку Стоп. Переключателем режима работы выберите режим 8-8(2/1), т.е. 8 частиц слева, 8 - справа, масса каждой частицы слева в два раза больше, чем справа. Нажмите кнопку Пуск. Остановите движение. Запишите значения температур и значения скоростей частиц в левой и правой частях объема. По приведенным скоростям частиц, рассчитайте средний квадрат скоростей в правой и левой частях объема. Сравните со значениями температур. Объясните, чем вызвана разница?

Лабораторная работа № 9. Форма отчета.

Общие требования к оформлению.

Работа выполняется на листах бумаги формата A4, или на двойных тетрадных листах.

В заголовке указываются:

Фамилия и инициалы студента, № группы
НАЗВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Каждое задание лабораторной работы оформляется как ее раздел и должно иметь заголовок. В отчете по каждому заданию, должны быть даны ответы на все вопросы и, если это указано, сделаны выводы и приведены необходимые рисунки. Результаты тестовых заданий обязательно должны быть показаны преподавателю. В заданиях, включающих в себя измерения и расчеты, должны быть приведены данные измерений и данные проведенных расчетов.

Задание. Тепловое движение.

А). Ответы на вопросы. Расчеты. Таблица результатов:

№	1	2	3	4	5	6	7	8	<v²>	<E_кин.>	T
v_л	-	-	-
v_л²	<v_л²>	<E_кин.л>	T_л
v_п	-	-	-
v_п²	<v_п²>	<E_кин.п>	T_п

Сравнение расчетных данных, с приведенными значениями в рабочем окне.

Б). Результаты наблюдений. Значения числа столкновений в левой и правой части объема, до перемещения перегородки и после перемещения. Ответы на вопросы.

В). Значения температур и числа столкновений в левой и правой частях объема. Ответы на вопросы.

Г). Значение температуры в левой и правой частях объема. Три – четыре значения температуры в левой и правой частях объема и их средние значения, после удаления перегородки. Ответы на вопросы. Среднее значение температуры до удаления перегородки. Ответы на вопросы.

Д). Расчет внутренних энергий в правой и левой частях объема, для случая, когда количество частиц в них разное. Сравнение этих значений со значениями температур. Ответы на вопросы. Значение суммарной внутренней энергии системы. Ответ на вопросы. Расчет температуры, которая установится после удаления перегородки. Расчет температуры системы на основании приведенных в рабочем окне температур "синих" и "оранжевых" частиц, с учетом их количества. Сравнение и вывод.

Е). Значения температур и значения скоростей частиц в левой и правой частях объема. Расчет средних значений квадрата скорости частиц в правой и левой частях объема. Сравнение с температурой. Ответы на вопросы.

Контрольные вопросы для проверки усвоения темы лабораторной работы:

1. Чем отличается описание термодинамических систем в классической термодинамике от молекулярно-кинетической теории?
2. Какие макроскопические параметры идеального газа описывают его состояние и как они взаимосвязаны?
3. Почему при описании состояния идеального газа в молекулярно-кинетической теории используются средние значения?
4. За счет чего возникает давление на стенки сосуда, в котором находится газ и от чего величина этого давления зависит?
5. Мерой чего является температура?
6. Поясните понятие внутренней энергии газа? В чем ее сходство и отличие от температуры?
7. Как определить температуру смеси, если температура компонента 1 была в два раза больше температуры компонента 2, и их смешали в отношении 2 объема 1-го к 4-м 2-го?
8. В каком случае мы будем наблюдать тепловое равновесие после удаления перегородки, которая разделяет на две не равные части объем газа, при равенстве внутренних энергий этих частей или при равенстве их температур?

Лабораторная работа № 10. ОПИСАНИЕ

Тепловое движение (2)

Рабочее окно

Вид рабочего окна приведен на Рис. 7.1. В левой части рабочего окна приведена модель распределения хаотически движущихся частиц между двумя одинаковыми частями объема А и Б. Справа вверху приведен график отклонений системы от равномерного распределения в процессе наблюдений.

Рисунок 7.1.

В нижней правой части окна расположены кнопки управления, окно индикации температуры и счетчик времени. Там же расположена таблица возможных способов распределения частиц в левой и правой частях объема. В третьей колонке таблицы суммируется время нахождения системы в каждом из возможных состояний в течение времени наблюдений. Кнопкой Пуск запускается движение частиц, при этом начальные скорости и расположение частиц задаются случайным образом. В окошке рядом с кнопкой Пуск задается число частиц. Кнопка Стоп останавливает движение. При нажатии на кнопку Продолжить движение возобновляется, и очищается окно с графиком отклонения системы от равномерного распределена и третья колонка таблицы возможных состояний системы. При помощи кнопки Нагрев можно увеличивать температуру в правой части моделируемого объема. Кнопка Выкл. отключает нагрев.