Внутреннее трение в газах

Саратовский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА (метод капель)

Методические указания к выполнению

лабораторной работы по физике для студентов

всех специальностей всех форм обучения

САРАТОВ 2011

Составили – Шумилин А.И.

Древко Д.Р.

Сиволобов В.В

Болотина Э.Н.

Рецензент – д.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики СГТУ
Е.Н. Минаев.

Цель работы: Определение средней длины свободного пробега молекул воздуха. Знакомство с явлением внутреннего трения.

Приборы и принадлежности: сосуд с краном и капиллярной трубкой, стаканчик, большой сосуд, технические весы, часы с секундной стрелкой.

Внутреннее трение в газах

Явление внутреннего трения (вязкости) в газах связано с возникновением сил трения между слоями газа, перемещающимся параллельно друг другу с различными по величине скоростями.

Сила внутреннего трения, которую нужно преодолеть, чтобы два слоя скользили один по другому, определяется формулой Ньютона.

где — градиент скорости, равный изменению скорости на каждую единицу расстояния в направлении Z, перпендикулярном скорости;

S — площадь соприкосновения слоев;

η — коэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость газа.

Причиной возникновения сил трения служит перенос импульса молекулами, пролетающими сквозь плоскость скольжения. Молекулы газа находятся в хаотическом тепловом движении и в то же время имеют направленное движение со скоростью, равной скорости слоя.

Когда молекулы из быстродвижущегося слоя пролетают в слой, обладающий меньшей скоростью, а молекулы медленного слоя – в быстрый, они переносят импульс, связанный с направленным движением. Вследствие этого возникают силы, стремящиеся затормозить движение быстрого слоя и ускорить движение медленного. В этом и состоит проявление внутреннего трения.

Из молекулярно-кинетической теории следует, что динамическая вязкость газа связана с длиной свободного пробега его молекул:

, (1)

где ρ — плотность газа;

— средняя скорость теплового движения молекул;

— средняя длина свободного пробега.

Длиной свободного пробега называется расстояние, которое молекула проходит между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами. Для отдельных молекул длина свободного пробега между двумя данными столкновениями различна, однако, в силу хаоса в движении молекул среднее значение этой величины для данного состояния газа будет постоянным.