Исследование зависимости объема спирта от температуры

Лицейские чтения

Исследование зависимости объема спирта от температуры

Исследовательская работа  по физике

                                                    Выполнил:  Сыргий Сергей,

                                                                            обучающийся 8 - 3 взвода

                                                                          МБОУ  лицея имени генерал-    

                                                                            майора Хисматулина В.И.

                                                   Руководитель: Семеннова Наталия Владиславовна,

                                                                             учитель физики                      

 Сургут, 2014

Содержание

1. Введение.

2. Теоретическая часть.

3. Практическая часть.

4. Заключительная часть.

5. Список использованной литературы

1I. Введение.

    Изучая  на уроках физики тепловые явления и тепловые свойства веществ, я узнал, что жидкости меняют свой объем при нагревании. Тема показалась мне интересной для изучения, ведь жидкости используются в технике повсеместно: жидкостные термометры, специальные жидкости в гидроприводах и гидравлических системах тормозов и амортизаторов.  Даже при добыче нефти, а мы живем в нефтедобывающем регионе, обязательно учитывают то, как меняется объем «черного золота» при изменении температуры в пластах земли. В системах отопления и в масляных трансформаторах обязательно устанавливаются расширительные баки, чтобы избыток объема воды или масла при нагревании мог там накапливаться.      

       Проблема моего исследования заключается в том, что бы выяснить характер  расширения жидкости при нагревании.

       Я выбрал в качестве исследуемой жидкости  этиловый спирт, потому что тепловые свойства воды мы изучали на уроках, и мне хотелось узнать новое, и кроме этого, именно спирт мы используем в термометрах, и он не представляет такой опасности, как ртуть, которая тоже часто применяется в градусниках.

         Цель работы «Исследование зависимости объема спирта от температуры» выяснить, как  изменяется объем спирта при его нагревании относительно первоначального объема.

Объектом моего исследования является процесс теплового расширения жидкости. Предмет исследования – тепловое расширение спирта.

В качестве рабочей гипотезы я предположил, что расширение спирта должно происходить прямо пропорционально  изменению его температуры. Но мы знаем, что есть жидкости (вода), которые при нагревании могут не только расширяться, но и сжиматься. Поэтому надо выяснить, как ведет себя именно спирт.

 Для решения стоящей передо мной проблемы сформулировал следующие исследовательские задачи: 1) изучить теоретический материал о тепловом расширении жидкостей, 2) выбрать оборудование и определить способ получения экспериментальных данных, 3)собрать лабораторную установку для измерения температуры и объема спирта, 4) провести измерения и представить результаты в виде графика, таблицы и математических расчетов.

Методы для достижения цели исследования: изучение учебной и научно-популярной литературы по данной теме, проведение экспериментальных измерений, обработка и интерпретация результатов исследования.

Новизна исследования заключалась для меня в том, что мне пришлось подбирать инструменты для исследования (выбор лабораторного оборудования) и, соответственно, метод измерения объема и температуры, которые дали бы видимый и фиксируемый результат.

Практическим результатом решения данной учебно-исследовательской проблемы будет являться способ  определения измерения малых изменений объема жидкости.

2. Теоретическая часть.

         Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, молекулы которых колеблются около положений равновесия, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждую молекулу жидкости  со всех сторон окружают другие молекулы, и  она совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее свободное  место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто, поэтому молекулы могут перемещаться по всему объему жидкости.  

Жидкости, изменяют свой объем при изменении температуры, и так как собственной формы у нее нет, то расширение происходит сразу по всем направлениям, то есть по всему объему. Физическая величина, которая выражает  способность жидкости  расширятся при нагревании  - температурный коэффициент объемного расширения (β). Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V0 пропорционально изменению температуры ΔT:

У воды, например, при температуре 20 °С βв ≈ 2·10–4 °C–1, у спирта этилового βсп ≈ 11·10–4 °C –1.

Тепловое расширение жидкости объясняет механическая теория теплоты: молекулы начинают двигаться быстрее, среднее  расстояние между ними увеличивается. Но как сами молекулы, так и расстояния между ними очень малы – меньше миллиардной доли метра, то заметить тепловое расширение можно, но измерить изменение объема не просто.

3. Практическая часть.

1)Выбор метода и оборудования.

       Как измерять объем спирта? Сперва я взял измерительный цилиндр, заполнил его спиртом, нагрел в горячей воде до 70 °С, и стал каждый раз отмечать уменьшение объема при охлаждении на 5°С. Но значения объема практически не менялись.

Тогда я стал искать другой способ. Повторив правила техники безопасности при работе со стеклянным, электрическим оборудованием и спиртовкой, собрал установку. Установка  состоит из пробирки с плотно притертой пробкой, в которую вставлена  токая стеклянная трубка – капилляр, с нанесенными делениями в см³, цена деления 0,1 см³/дел (это ливер – прибор для получения небольших объемов жидкости). (рис. 1)

          Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.

      Приборы и материалы:  штатив с экраном-держателем, стеклянный сосуд с водой, электрический термометр с щупом,  пробирка с пробкой, стеклянная трубка-капилляр с нанесенной измерительной шкалой, спиртовка, спирт этиловый, спички.

       Суть метода: спирт в пробирке закупоривается пробкой, в которую вставлена трубка-капилляр с делениями. Пробка вкручивается в пробирку так, чтобы не осталось пузырьков воздуха, а уровень спирта совпадал с нулевым делением капиллярной трубки.(Фотография на рис. 2) Пробирка устанавливается в сосуд с водой, в воду опускаем щуп термометра, сосуд  с водой, а так же спирт, нагреваем спиртовкой. Пробирку, сосуд с водой закрепляем на штативе в подвешенном состоянии. (Фотография на  рис. 3) Снимаем показания термометра и соответствующие им значения объема спирта. (Фотография на рис. 4)  Начальная температура  установки   22 °C, нагреваем до 67  °C, так, чтобы объем увеличился до максимального значения.

    Рисунок 2.                                                                      Рисунок 3.

Рисунок 4.

Обоснование метода. Изменение объема спирта при нагревании очень невелико, и шкала обычной мензурки недостаточно чувствительна к столь малым изменениям объема. Капиллярная трубка содержит всего около 10 мл, и из-за малого диаметра изменение высоты очень заметно и хорошо фиксируется как увеличение объема спирта.

2) Результаты измерений.

Измерение изменения объема проводилось в зависимости от изменения температуры. Начальное значение объема спирта 8 см ³. Шаг изменения температуры составляет 0,5 °C,  в интервале температур от 22 °C до 63°C.  В ходе эксперимента было  установлено, что объем спирта увеличился на 9 см³.

 Результаты измерений изменения температуры и объема занес

в таблицу № 1.

Таблица № 1 Зависимость объема спирта от температуры.

     На основе табличных данных с помощью программы  Майкрософт XL была построена диаграмма зависимости объема спирта от его температуры. (рис. № 5).

Рисунок № 5.  Зависимость объема спирта от его температуры.

3)Анализ  результата исследования.

На диаграмме мы видим, что объем спирта линейно увеличивается с ростом температуры. Следовательно, гипотеза о равномерном расширении спирта при одинаковом изменении температуры, оказалась верна.

4. Заключительная часть.

В результате выполнения данной работы была установлен характер расширения жидкости. Цель исследования достигнута: подтверждена гипотеза о том, что объем спирта при нагревании расширяется линейно, то есть прямо пропорционально температуре. Именно для спирта было установлено, что в интервале температур от 22°C до 63°C его объем возрастает на 9 см³. Такая зависимость позволяет объяснить использование спирта в качестве рабочего тела в термометрах – равномерное линейное расширение позволяет принимать длину спиртового столбика в качестве отметки температуры. Задачи и методы исследования были выбраны и сформулированы корректно, что позволило получить результат, соответствующий цели исследования. Методы и проблема, представленные в учебно-исследовательской работе представляли для меня новизну, так  как мне пришлось самостоятельно их выбирать. Данная работа может представлять собой практическое пособие для исследования теплового расширения любой другой жидкости, а предложенный способ несет в себе потенциал для дальнейшего изучения и измерения характеристик объемного теплового расширения жидкостей.

5.Список использованной литературы.

1. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2012.

2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2010.