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分子運動實驗的實驗操作與現象

作者: 2018年02月07日 來源:全球化工設備網 瀏覽量:
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【實驗操作與現象】布朗運動的演示(1)把約300粒鋼球放入模擬箱內,使鋼球大體鋪滿箱底一層,再將布朗粒子(發泡塑料塊)放入,這時把浮動活塞插入并蓋上蓋板。在活塞桿上套一帶孔的橡膠塞,用它調節并固定浮動活塞

【實驗操作與現象】

  • 布朗運動的演示

(1)把約300粒鋼球放入模擬箱內,使鋼球大體鋪滿箱底一層,再將布朗粒子(發泡塑料塊)放入,這時把浮動活塞插入并蓋上蓋板。在活塞桿上套一帶孔的橡膠塞,用它調節并固定浮動活塞在一定高度上(一般可在10—15cm高度)。

(2)接通電源,振子鋼球在振板的撞擊下(振子也相互碰撞)作混亂運動。調節電壓可使振子混亂運動激烈程度變化。這時,可以看到布朗粒子在鋼球(分子)碰撞下不斷運動。由于布朗粒子形狀不規則,實驗中可看到布朗粒子邊轉邊移動,形成明顯的布朗運動。

2.氣體壓強統計意義的演示

(1)實驗原理

理論研究表明,氣體壓強可由分子對某一面(如器壁)碰撞造成的沖量變化求出,而每一瞬間哪些分子碰撞器壁,碰撞時傳給器壁沖量的大小,都具有偶然性,因而反映大量分子碰撞沖量的統計平均(氣體壓強)必有起伏。起伏的大小與分子數有關(起伏與1/n成比例),當分子密度n小時,其起伏就大;而分子數密度n大時,其起伏小。利用分子運動理論演示器就可以演示氣體壓強的這種統計意義。

(2)實驗操作

在方箱中裝幾十個振子,這時振板使少量振子振動造成的壓強值就很不穩定,實驗時我們看到浮動活塞上下起伏很大;當方箱中放入大量振子時,就會看到有一個穩定的壓強值,這時浮動活塞在大量振子的撞擊下處于某一位置,起伏很小。

3.理想氣體狀態方程的演示

利用分子運動理論關于理想氣體模型的假設,可推導出理想氣體的狀態方程,即

(74-1)

對于一定質量(一定或總分子數一定)的理想氣體,從其狀態方程可知,當溫度一定時,氣體壓強與分子數密度成正比。

在模擬箱中放入振子約300粒,即分子總數N=300個,如圖74-2所示。在電機額定轉數情況下,由于振板的撞擊造成振子的混亂運動,產生一定壓強(由浮動活塞的重量表示),這時可測得浮動活塞在位置;在電機額定轉數不變情況下,這相當于保證溫度恒定(即造成的振子混亂運動激烈程度不變),用備制的砝碼將活動活塞重量增加一倍,這時壓強變為,可測得浮動活塞在位置;當壓強為時,測得容積為

由此可知,當壓強為時,相應的分子密度;當壓強為時,;當壓強為;可見,在溫度一定(電機轉速一定)時,壓強與粒子數密度成正比,即。

4.實際氣體狀態方程的演示

(1)實驗原理

對于鋼球模型,實際氣體狀態方程可寫為:

(74-2)

式中為氣體質量,為氣體摩爾質量,為一修正值,是鋼球振子本身的體積。本演示儀可在電機額定功率下(對應溫度一定)通過實驗求得,從而演示實際氣體狀態議程。

(2)演示方法

在模擬箱中鋪滿一層鋼球振子(300粒),令電機在某一額定轉速下,造成浮動活塞在A位置,如圖74-2所示。保證電機額定轉速不變,用備制砝碼使浮動活塞加重一倍,是活塞達到B位置。按理想氣體考慮,在溫度及粒子數一定情況下,氣體壓強和體積之積為一常量,即pV=常量

本實驗對應的情況是

圖74-2

依上所述計算,圖中C線上面的容積正是理想氣體分子活動的容積,而C線下到振板(居中位置)的容積則是實際氣體分子(鋼球振子)本身有一定體積所造成的體積修正量。實驗測出的大小,再與鋼球振子(粒)本身體積相比,計算結果表明:

 ( 74-3)

由此可見,考慮到分子本身體積的影響,實際氣體分子活動容積應為,這樣就演示了一種氣體的狀態方程。

5.玻爾茲曼分布律的演示

(1)實驗原理

在重力場中理想氣體分子數密度按高度服從玻爾茲曼分布律,即

 (74-4)

(2)演示方法:

1)在模擬箱中放入振子300粒(或更多此),蓋好蓋板,并把分子數分離隔槽(多層插板)端頭插在有縫隙的箱擋板中。

2)調整電壓(一般不必太大,如5V)使振子振起來,這時大量振子在重力場中按高度形成一定分布。穩定片刻后,迅速用手把多層插板插入模擬箱之中,此時振子就被分離隔槽分割在不同高層里。關掉電源。

3)把方箱向右側傾斜,各層的振子鋼球則在各自的隔槽中排布起來。

觀測各層粒子數的多少,從隔槽的第一層起,畫一曲線,可以看出該曲線隨著高度按的負指數衰減,從而演示了玻爾茲曼分布律。

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