Вказівки до виконання роботи. Модуль 2. Молекулярна фізика

Лабораторна робота № 2.1. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИН МЕТОДОМ ВІДРИВУ КІЛЬЦЯ

Модуль 2. Молекулярна фізика

Контрольні запитання

1. Що розуміють під поняттям «система відліку»?

2. Що таке траєкторія, шлях та переміщення під час поступального руху?

3. Що називають швидкістю поступального руху?

4. Що таке прискорення тіла? Як класифікують рух тіла за значенням прискорення?

5. Що таке імпульс тіла та імпульс сили?

6. Сформулюйте закон збереження імпульсу у механіці.

7. Дайте визначення та запишіть формули кінетичної та потенціальної енергії.

8. Як у механіці формулюється закон збереження енергії?

9. Які фізичні процеси використовуються для визначення швидкості на приладі лабораторної установки?

10. Виконайте математичні перетворення для отримання розрахункової формули.

Мета роботи: ознайомитись з основними властивостями поверхневого шару рідин; визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: особливості рідкого стану речовини, поверхневий натяг, капілярні явища.

Література: [ 1, т.1, §§ 19.1, 19.3, 19.5; 2, §§ 60, 66; 3, 4.2, 6.2; 4, т.1, §§ 115–119; 6, §§ 4.12, 4.13; 5.5.6; 7, § 2.6].

Перед виконанням ознайомитись з вказівками до роботи № 2.5.

Поверхневі явища відіграють значну роль не тільки у природних процесах, а й у сфері виготовлення, зберігання, транспортування та використання різноманітних матеріалів, будівельних зокрема. Капілярні явища зумовлюють такі гідрофізичні властивості, як гігроскопічність, водостійкість, паропроникність, водопоглинання, гідрофільність та гідрофобність, вологі деформації (набухання та усадка), морозостійкість, корозійна стійкість, від яких залежить реакція матеріалу на дію вологи.

Рис. 2.1.1

Розглянемо поведінку молекул всередині рідини та на її поверхні (рис. 2.1.1). Очевидно, що молекула всередині рідини зазнає в середньому рівномірної дії з боку інших молекул, які її оточують, рівнодійна таких сил дорівнює нулеві. Рівнодійна сил , які діють на поверхневу молекулу, спрямована всередину рідини, поверхня якої нагадує розтягнуту плівку.

Таким чином, всі молекули в поверхневому шарі, рівному радіусу молекулярної дії, втягуються всередину рідини. Але простір всередині рідини
зайнято іншими молекулами, тому поверхневий шар справляє на рідину тиск, який називається молекулярним тиском. Теоретичні розрахунки свідчать, що молекулярний тиск є дуже великим, наприклад, для води він має порядок 11∙10⁸ Па, а для ефіру – 1,4∙10⁸ Па.

Отже, на поверхні рідини виникають сили поверхневого натягу. Сила поверхневого натягу , зумовлена взаємодією молекул рідини, викликає скорочення площі її вільної поверхні та напрямлена вздовж дотичної до цієї поверхні. Вона пропорційна довжині периметру поверхневого шару :

,

де – коефіцієнт пропорційності, який залежить від роду та стану речовини.

У наведеній формулі коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом поверхневого натягу, чисельно він дорівнює силі поверхневого натягу, яка діє на одиницю довжини вільної поверхні рідини:

, . (2.1.1)

Для перенесення молекул із глибини об’єму рідини в її поверхневий шар потрібно виконати роботу проти рівнодійної сили і тим самим збільшити потенціальну енергію молекули:

,

де – потенціальна енергія молекули в поверхневому шарі;
– потенціальна енергія молекули в об’ємі рідини; – кількість молекул в поверхневому шарі.

Отже, молекули поверхневого шару рідини мають додаткову потенціальну енергію, яку називають вільною енергією. Через те що зміна вільної енергії є прямо пропорційною зміні площі вільної поверхні рідини , то: .

Звідси випливає, що коефіцієнт поверхневого натягу рідини чисельно дорівнює роботі ізотермічного збільшення площі поверхні рідини на одиницю:

, .

Треба зазначити, що коефіцієнт поверхневого натягу є функцією температури, тобто внаслідок нагрівання коефіцієнт поверхневого натягу зменшується і в критичній точці переходу рідина–пара дорівнює нулю.

У цій роботі для визначення коефіцієнта поверхневого натягу a використовують метод відриву кільця від поверхні рідини.

Силу відриву кільця від поверхні визначають за допомогою торсійних терезів (рис. 2.1.2). Основним елементом терезів є плоска спіральна пружина, яка деформується під дією ваги предмета. Величина деформації пружини пропорційна навантаженню, а тому шкалу терезів, яка показує кут закручування пружини, градуйовано в одиницях сили. В момент відриву кільця терези показують силу F, яка дорівнює сумі сил поверхневого натягу F _Н та ваги вогкого кільця P:

. (2.1.2)

Відрив кільця від поверхні (рис. 2.1.1) пов’язаний з розривом поверхні рідини по двох периметрах кільця: . Відповідно до формул (2.1.1) та (2.1.2.) можна одержати робочу формулу для визначення коефіцієнта поверхневого натягу :

, (2.1.3)

де d ₁ та d ₂ – внутрішній та зовнішній діаметри кільця.

Дата добавления: 2015-05-24