Модернизированное устройство для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул газа
MODERNIZED DEVICE FOR DETERMINING AVERAGE PATH LENGTH AND EFFECTIVE DIAMETER OF GAS MOLECULES

Изобретение относится к области молекулярной физики, в которой изучаются строение и свойства веществ.
Известно устройство (Рис. 1) для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул воздуха, содержащее стеклянный цилиндрический сосуд 5, заполненный до проведения эксперимента на 4/5 объема дистиллированной водой 6, с присоединенным к нижней его части стеклянным краном 7 и с отходящим от верхней его части стеклянным конусообразным горлом 2, в которое герметично и прочно вставлена пробка 1 с капилляром 3, надежно закрепленным в пробке при помощи уплотнительной заливки; крепежное приспособление в виде металлического штатива, в лапке 4 которого закреплен стеклянный цилиндрический сосуд 5, а на его опорной ножке установлен мерный стеклянный стакан 9 для сбора сливаемой дистиллированной воды 8 из стеклянного цилиндрического сосуда 5 по его нижнему стеклянному крану 7 [1, 2, 3].
Основными недостатками прототипа (Рис. 1) являются:
1. Существенная погрешность (до 3-5%) при визуальном измерении уровня воды в цилиндре устройства.
2. Устройство предназначено только для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул воздуха, а для других газов не приспособлено.
Технический результат изобретения состоит в модернизации конструкции устройства для повышения точности прецизионного визуального измерения уровня воды в стеклянном цилиндре и использования устройства для определения средней длины пробега и эффективного диаметра не только молекул воздуха, но и молекул других газов (кислород, азот, углекислый газ и др.) с соответствующими физическими поправками.
Для достижения указанного технического результата модернизированное устройство для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул газа, содержащее стеклянный цилиндрический сосуд, заполненный до проведения эксперимента на 4/5 объема дистиллированной водой, с присоединенным к нижней его части стеклянным краном и с отходящим от верхней его части стеклянным конусообразным горлом, в которое герметично и прочно вставлена пробка с капилляром, надежно закрепленным в пробке при помощи уплотнительной заливки; крепежное приспособление в виде металлического штатива, в лапке которого закреплен стеклянный цилиндрический сосуд, а на его опорной ножке установлен мерный стеклянный стакан для сбора сливаемой дистиллированной воды из стеклянного цилиндрического сосуда по его нижнему стеклянному крану, снабжено припаянным к средней боковой части стеклянного цилиндрического сосуда стеклянным трубчатым уровнемером с измерительной шкалой, отходящим от верхней боковой части стеклянного цилиндрического сосуда стеклянным вакуумным краном, припаянными к стеклянной монолитной пробке со шлифом горла тремя вращательными стеклянными «рожками», присоединенными последовательно и герметично к капилляру из нержавеющей стали гибким полимерным капилляром, стеклянным трубчатым тройником с тремя стеклянными вакуумными кранами и полимерной надуваемой-сдуваемой камерой со стеклянным вакуумным краном.
На рис. 2 схематично изображено предлагаемое модернизированное устройство для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул газа. Модернизированное устройство для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул газа содержит стеклянный цилиндрический сосуд 5, заполненный до проведения эксперимента на 4/5 объема дистиллированной водой 6, с присоединенным к нижней его части стеклянным краном 7 и с отходящим от верхней его части стеклянным конусообразным горлом 2 со шлифом, в которое герметично и прочно вставлена стеклянная пробка 1 с капилляром 3 из нержавеющей стали, надежно закрепленным в пробке при помощи уплотнительной заливки 16 из эпоксидной смолы (герметик); крепежное приспособление в виде металлического штатива 4, 10, 12, 13, в лапке 4 которого закреплен стеклянный цилиндрический сосуд 5, а на его опорной ножке 10 установлен мерный стеклянный стакан 9 для сбора сливаемой дистиллированной воды 8 из стеклянного цилиндрического сосуда 5 по его нижнему стеклянному крану 7, припаянный к средней боковой части стеклянного цилиндрического сосуда 5 стеклянный трубчатый уровнемер 11 с измерительной шкалой, отходящий от верхней боковой части стеклянного цилиндрического сосуда 5 стеклянный вакуумный кран 14, припаянные к стеклянной монолитной пробке 1 горла 2 три вращательные стеклянные «рожка» 15, присоединенные последовательно и герметично к капилляру 3 гибкий полимерный капилляр 17, стеклянный трубчатый тройник 20 с тремя стеклянными вакуумными кранами 18, 19 и 21 и полимерную надуваемую-сдуваемую камеру 22 со стеклянным вакуумным краном 23.
1
2
3
Эксперимент на модернизированном устройстве для определения средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул газа (азот, кислород, аргон, углекислый газ и др.), кроме атмосферного воздуха, проводится следующим образом. Предварительно производится монтаж устройства на рабочем столе с ровной поверхностью в лаборатории при комнатной температуре. К стойке 12 штатива при помощи зажима 13 прикрепляется лапка 4. Цилиндр (сосуд) 5 внутренним объемом порядка 0,2-0,3 л закрепляется в лапке 4 штатива. Кран 7 устанавливается в положение «закрыто». Мерным стаканом 9 через открытое горло 2 в цилиндр 5 на 4/5 объема заливается дистиллированная вода 6. Держа за рожки 15 в горло 2 герметично вставляется пробка 1 со шлифом, смазанным вакуумной смазкой. По центру и насквозь в пробку 5 вставлен короткий капилляр 3 внутренним диаметром 0,3-0,6 мм и длиной 70-90 мм. В пробке 1 капилляр 3 прочно герметично закреплен при помощи заливки 16 из эпоксидной смолы (герметик). К капилляру 3 последовательно прочно и герметично присоединяются длинный полимерный капилляр 17 внутренним диаметром 0,3-0,6 мм и длиной 0,3-0,6 м, тройник 20 с тремя кранами 18,19 и 21, полимерная (резиновая, полиэтиленовая) камера 22 с краном 23. При помощи вакуумной резиновой трубки патрубок крана 19 присоединяется к газометру с исследуемым газом (кислород, азот, углекислый газ и др.). Кран 18 устанавливается в положение «закрыто». Краны 19, 21, 23 устанавливаются в положение «открыто». Из газометра по крану 19 в тройник 20, а затем в камеру 22 подается исследуемый газ. При этом в течении порядка одной минуты производится «промывка» тройника 20 и камеры 22 от остатков атмосферного воздуха, выводя их наружу через кран 23. Затем кран 23 устанавливается в положение «закрыто». Камера 22 заполняется исследуемым газом объемом порядка 0,5-0,6 л. Далее кран 19 устанавливается в положение «закрыто» и тем самым прекращается подача исследуемого газа из газометра в тройник 20. Кран 14 устанавливается в положение «открыто». При этом исследуемый газ из надутой камеры 22 под действием силы сжатия поступает по тройнику 20, капиллярам 17, 3 в цилиндр 5 и выходит наружу через кран 14. Из камеры 22 выходит наружу по крану 14 примерно половина объема газа и тем самым в течении порядка одной минуты производится «промывка» тройника 20, капилляров 17 и 3, сосуда 5 от остатков воздуха. Затем кран 14 устанавливается в положение «закрыто». На опорной металлической ножке 10 штатива по центру под краном 7 цилиндра 5 устанавливается предварительно взвешенный на электронных аналитических весах мерный стакан 9. В лабораторный журнал записывается показание уровнемера - высоты h столба воды 6 в цилиндре 5. Открывается кран 7 и при помощи электронного (механического) секундомера засекается время (в секундах) слива воды 6 из цилиндра 5 в стакан 9. При достижении сливной воды 8 в стакане 9 порядка 75-100 см кран 7 устанавливается в положение «закрыто», а секундомер - в положение «стоп». В лабораторный журнал записывается показание уровнемера 11 - высота h столба воды 6 в цилиндре 5. В лабораторный журнал также записываются показания давления атмосферного воздуха, температура воздуха, температура сливной воды 8 в стакане 9. Стакан 9 со сливной водой 8 взвешивается на электронных аналитических весах. По разнице веса стакана со сливной водой 8 и пустого стакана 9 определяется привес равный массе сливной воды 8 в стакане 9. Применяя справочную величину плотности воды при данной температуре с высокой точностью рассчитывается объем сливной воды 8 в стакане 9, результат которого записывается в лабораторный журнал.
После проведения эксперимента из цилиндра 5 через кран 7 вода 6 полностью сливается порциями в стакан 9, а из него вода 8 сливается в специальную емкость. Краны 19, 23 и 14 устанавливаются в положение «открыто». Далее производятся необходимые расчеты по физическим формулам для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул исследованного газа.
1
2
3
Для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул атмосферного воздуха эксперимент проводится следующим образом. Краны 7 и 14 цилиндра 5, кран 21 тройника 20 устанавливаются в положение «закрыто». Краны 18,19 тройника 20 устанавливаются в положение «открыто». Мерным стаканом 9 через открытое горло 2 в цилиндр 5 на 4/5 объема заливается дистиллированная вода 6. Держа за рожки 15 в горло 2 герметично вставляется пробка 1 со щлифом, смазанным вакуумной смазкой. На опорной металлической ножке 10 штатива по центру под краном 7 цилиндра 5 устанавливается предварительно взвешенный на электронных аналитических весах мерный стакан 9. В лабораторный журнал записывается показание уровнемера - высоты h столба воды 6 в цилиндре 5. Открывается кран 7 и при помощи электронного (механического) секундомера засекается время (в секундах) слива воды 6 из цилиндра 5 в стакан 9. При достижении сливной воды 8 в стакане 9 порядка 75-100 см кран 7 устанавливается в положение «закрыто», а секундомер - в положение «стоп». В лабораторный журнал записывается показание уровнемера 11 - высота h столба воды 6 в цилиндре 5. В лабораторный журнал также записываются показания давления атмосферного воздуха, температура воздуха, температура сливной воды 8 в стакане 9. Стакан 9 со сливной водой 8 взвешивается на электронных аналитических весах. По разнице веса стакана со сливной водой 8 и пустого стакана 9 определяется привес равный массе сливной воды 8 в стакане 9. Применяя справочную величину плотности воды при данной температуре с высокой точностью рассчитывается объем сливной воды 8 в стакане 9, результат которого записывается в лабораторный журнал.
После проведения эксперимента из цилиндра 5 через кран 7 вода 6 полностью сливается порциями в стакан 9, а из него вода 8 сливается в специальную емкость. Краны 19, 23 и 14 устанавливаются в положение «открыто». Далее производятся необходимые расчеты по физическим формулам для определения средней длины пробега и эффективного диаметра молекул атмосферного воздуха.
Информационные источники
1. Самсонова Н.П., Ничипорук Л.С. Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха // Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика». Тюмень: Изд-во «РИО ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ», 2012 - С. 4-8.
2. Савельев И.В. Курс физики. T. l. М.: Изд-во «Наука», 1989 - 352 с.
3. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Издательский центр «Академия», 2014 - С. 91-92.