Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом відриву крапель

 

РОБОТА 2.3. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КРАПЕЛЬ

 

 

Мета роботи: вивчити явище поверхневого натягу; визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Прилади та обладнання: скляна бюретка з краном, склянки з рідинами.

 

 

Поверхневі властивості рідини обумовлені особливостями взає- модії молекул у поверхневому шарі. Товщина цього шару дорівнює декільком молекулярним відстаням, тобто приблизно 10-9м.

Поки молекула знаходиться у глибині рідини, вона рівномірно оточена іншими молекулами, які в середньому притягують її у всі

сторони з однаковими силами. Рівнодійна цих сил дорівнює нулю (рис.1, молекула 1). Рівнодійна ж сил притягання, які діють на моле- кули поверхневого шару, не дорівнює нулю (оскільки над поверхнею рідини знаходиться газ, густина якого в багато разів менша, ніж гус- тина рідини) і направлена всередину рідини (див. рис.1, молекула 2). Перехід молекули з глибини рідини в поверхневий шар супроводжу- ється роботою проти сил молекулярного притягання. Тому молекули

поверхневого шару мають додаткову потенціальну енергію порівняно з молекулами в решті об'єму. Намагаючись зменшити енергію, повер- хня скорочується. Поверхневий шар рідини знаходиться в напруже-

 

 

ному стані, схожому на розтягнуту плівку, яка прагне скоротитися. У поверхневому шарі діють сили поверхневого натягу F, які направлені по дотичній до поверхні перпендикулярно до будь-якого елемента лі- нії на поверхні рідини і які пропорційні довжині контуру l:

 

F = σl

 

, (1)

 

де σ − коефіцієнт поверхневого натягу.

З формули (1) випливає, що σ чисельно дорівнює силі поверхне-

вого натягу, яка припадає на одиницю довжини лінії на поверхні ріди-

ни і вимірюється в Н/м.

У даній роботі використовується один із методів визначення кое- фіцієнта поверхневого натягу рідини − метод відриву крапель. Із

скляної бюретки капає рідина. Поки крапля мала, вона не відриваєть- ся. Її утримують сили поверхневого натягу. Краплина відривається в

 

той момент, коли сила тяжіння краплі mg

 

буде дорівнювати рівно-

 

 

дійній сил поверхневого натягу F, що діють уздовж кола шийки кра- плі (див. рис. 2):

F = mg. (2)

 

F

 

 

mg

 

Pис.1 Pис.2

 

 

Сила поверхневого натягу визначається з виразу:

 

F =σπd

 

, (3)

 

де l = πd

 

 

− периметр шийки краплини в момент її відриву. Отже, в

 

момент відриву краплини

 

 

 

mg =σπd.

 

 

Звідси знаходимо σ:

mg

σ =. (5)

πd

Коефіцієнт σ2 досліджуваної рідини визначаємо, порівнюючи його з відомим σ1 другої рідини.

Нехай визначений об'єм рідини V містить n1 крапель однієї рі- дини (еталонної) і n2 крапель другої (досліджуваної). При цьому сили тяжіння однієї краплі відповідно дорівнюють:

 

 

 

m1 g

 

 

= ρ 1Vg n1

 

 

 

і m2 g

 

 

= ρ 2Vg, (6)

n2

 

де ρ1, ρ 2 − густини відповідних рідин. Тому

 

 

 

σ 1 =

 

 

m1 g

 

πd

 

 

= ρ1Vg

πdn1

 

 

 

i σ2 =

 

 

m2 g

 

πd

 

 

= ρ2Vg

πdn2

 

 

 

. (7)

 

З формули (7) маємо:

 

 

 

σ 2 =σ

 

 

 

n1 ρ2

n2 ρ1

 

 

. (8)

 

Отже, якщо відомий коефіцієнт поверхневого натягу якоїсь кон- кретної рідини, то цим методом можна визначити коефіцієнт поверх- невого натягу будь-якої іншої рідини.

 

 

Порядок виконання роботи

1. Наповнюють бюретку дистильованою водою.

2. Обережно відкривають кран, щоб краплі капали рівномірно. Відраховують n1 − кількість крапель з об’єму 2 мл. Дослід повторюють декілька разів.

3. Те ж саме роблять з іншою рідиною. Відраховують n2 − кількість крапель з такого ж самого об'єму (2 мл).

4. За таблицями знаходять ρ1, ρ 2, σ 1.

5. За робочою формулою (8), використовуючи середні значення,

‹ n1 ›, ‹ n2 › розраховують ‹ σ2 ›. Дані заносять у таблицю.

 

σ

6. Визначають відносну похибку ε

σ

2

 

і довірчу границю сумарних

 

σ

похибок ?

 

за формулами:

 

ε ε ε ε

σ 2 σ 1 1 2

 

ε ρ1

 

ε ρ2 ? 2 σ ε 2

 

σ
 

= + n + n + +,

 

= ? ?.

 

 

№ п/п Табличні величини Результати прямих вимірювань Результати непрямих вимірювань
ρ1, кг/м ρ 2, кг/м σ 1, Н/м n1 n2 σ 2, Н/м
             

 

3 3

 

 

Запитання для самоконтролю

 

1. Вкажіть причини молекулярного тиску в рідинах.

2. Чим обумовлений поверхневий натяг?

3. Дайте визначення коефіцієнта поверхневого натягу. В яких одиницях він вимірюється?

4. Опишіть явища на границі рідини з твердим тілом. Що нази- вається крайовим кутом змочування?

5. Запишіть формулу Лапласа і поясніть її.

6. Що таке капілярні явища? Наведіть доведення формули для висоти підняття рідини у капілярі.

7. Як використовують капілярні явища в процесах обробки ґру-

нту?

 

РОБОТА 2.4

 

 

ВИЗНАЧЕННЯ ЗМІНИ ЕНТРОПІЇ ПРИ НАГРІВАННІ І ПЛАВЛЕННІ ОЛОВА

 

 

Мета роботи: визначити приріст ентропії олова при його нагрі- ванні і плавленні.

Прилади та обладнання: тигель з оловом, електроплитка, термопара, градуйований графік термопари, мікровольтметр,

секундомір, склянка з водою.

 

 

За визначенням, ентропія S − це функція стану системи, дифе- ренціал якої дорівнює елементарній приведеній теплоті:

dS = δQ, (1)

T

 

де δQ

 

 

− означає нескінченно малу кількість теплоти, яку отримала

 

система при оборотному теплообміні з резервуаром, що має темпера- туру T. Термодинамічна температура T, яка вимірюється в кельвінах, пов’язана з температурою t за шкалою Цельсія таким співвідношен- ням:

 

T = t +273,15. (2) Для практичних цілей потрібно знати не саму величину ентропії

S, а лише її зміну ?S. Якщо ентропію в стані 1 позначити S1, а в стані

2 − S2, то зміна ентропії при оборотному переході системи із стану 1

до стану 2 дорівнює:

 

δQ

2

?S = S1 − S2 = ∫

1 T

 

 

. (3)

 

При зміні температури від Т до T + dT однорідне тіло одержує елементарну кількість теплоти

 

δQ=cmdT

 

, (4)

 

де c − питома теплоємність; m − маса тіла.

При нагріванні тіла від температури T1 до T2 згідно з (3) і (4)

зміна ентропії становить:

 

 

 

S = cm

 

 

T2 dT

 

 

= cmln T2

 

 

 

. (5)

 

T

? ∫

 

T T1

У випадку ізотермічного (Т = const) переходу із стану 1 до ста- ну 2 співвідношення (3) має вигляд:

Q

 

?S =

T

 

, (6)

 

де Q − кількість теплоти, одержаної тілом у процесі 1 → 2.

 

 

У даній лабораторній роботі визначається зміна ентропії олова при його нагріванні і плавленні. Якщо спочатку температура олова дорівнює кімнатній, то при підведенні теплоти олово спочатку нагрі- вається до температури плавлення, а потім плавиться при постійній температурі.

Приріст ентропії ?S1 при нагріванні олова від кімнатної темпе- ратури Tк до температури плавлення Tпл (перший етап процесу нагрі- вання) одержують, приймааючи у виразі (5) T1=Tк і Т2=Тпл;

 

 

?S1

 

= cmln T пл

Тк

 

 

. (7)

 

Приріст ентропії ?S2 у результаті плавлення олова при температурі

Tпл (другий етап процесу) визначають з виразу (6), приймаючи Т2=Тпл

 

і Q = λm

 

, де λ − питома теплота плавлення:

 

 

 

?S 2 =

 

Повна зміна ентропії дорівнює:

 

 

λm

T пл

 

 

 

. (8)

 

 

 

?S = ?S1

 

 

 

+ ?S 2

 

 

= cmln T пл

Т к

 

 

λm

+

T пл

 

 

(9)

 

Для обчислення ?S потрібно знати параметри, що входять в (9), зокрема необхідно виміряти температуру плавлення олова.

Схему установки зображено на рис.1. Тигель (1) з оловом нагрі- вається на електроплитці (2). Для вимірювання температури олова ви- користовують термопару. Один із спаїв (3) термопари занурений у ти-

гель з оловом, другий (4) - у склянку з водою. За наявності різниці те- мператур спаїв у колі термопари виникає термоелектрорушійна сила

(т.е.р.с.), яку вимірюють мікровольтметром V. Залежність т.е.р.с. від різниці температур спаїв близька до лінійної, її зображено на градуйо-

ваному графіку термопари. Графік додається до установки і викорис-

товується для визначення температури плавлення олова.

 

 

Порядок виконання роботи

1. Заносять у табл. 1 значення табличних величин для олова:

 

 

с = 230

 

 

Дж;

кг ⋅К

 

 

 
кг

λ = 5,86⋅10 Дж;

 

 

маса олова в досліді m = 0,100 кг.

2. За допомогою термометра визначають кімнатну температуру

tк і розраховують температуру Tк за формулою (2).

3. Вмикають електроплитку і стежать за показами вольтметра V.

 

Починаючи з напруги V ≈ 4мВ

 

, записують у табл. 2 у графу "Нагрі-

 

вання" покази мікровольтметра через кожну хвилину.

Спочатку значення V збільшуватимуться − підвищується темпе- ратура твердого олова. Потім настане момент, коли покази вольтметра

практично не змінюватимуться (V=const=Vпл) − процес плавлення олова відбувається при сталій температурі Тпл = const. Після того, як все олово розплавиться, починається швидке зростання значень V (це нагрівається розплав). Вимірювання припиняють, записавши декілька даних для третьої ділянки кривої. Нагрівання в цілому продовжується приблизно 20 хв.

4. Вимикають електроплитку і, дочекавшись, коли покази вольт- метра почнуть зменшуватись, записують їх у табл. 2 у графу "Охоло-

 

 

"Охолодження" з інтервалом в одну хвилину. Час відраховують від умовного нуля.

5. За даними табл. 2 будують графік залежності показів вольт-

метра V від часу τ для нагрівання та охолодження.

6. За графіками визначають середнє значення Vпл, яке відпові- дає ділянкам кривих, паралельних осі абсцис τ.

7. Використовуючи градуйований графік, за значенням Vпл зна-

 

ходять температуру:

 

?t = tпл − tв,

 

де tпл − температура гарячого спаю, що дорівнює температурі плавлення олова; tв − температура холодного спаю, що дорівнює тем- пературі води у склянці; tв вимірюють термометром, а tпл розрахову- ють за формулою tпл= tв+ ? t. Тпл обчислюють за формулою (2). Усі дані заносять до табл. 1.

8. За формулою (9) розраховують ? S.

Таблиця 1

 

№ п/п Табличні величини Результати прямих вимірю- вань Результати непрямих вимірювань
C, Дж/кгК λ, Дж/кг m, кг tк, 0С tв, 0С Тк, К Vпл, мВ ? t, 0С tпл, 0С Тпл, К ?S, Дж/К
                       

 

  τ, хв Нагріва- ння Охолод- ження
V, мВ V, мВ
… … …  

 

Таблиця 2

 

 

V

3 4

 

 

 

Pис.1

 

 

Запитання для самоконтролю

 

1. Які процеси називають оборотними, необоротними? Наведіть приклади.

2. Що таке приведена теплота?

3. Дайте визначення ентропії, укажіть одиницю її вимірювання.

4. Який фізичний зміст ентропії?

5. Сформулюйте принцип зростання ентропії.

6. Наведіть різні формулювання другого закону термодинаміки.

7. Дайте виведення робочої формули.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Визначення прискорення вільного падіння за допомогою математичного маятника | Визначення вологості повітря
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-05; Просмотров: 397; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.014 сек.