13317

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КРАПЛІ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторна робота № 2 ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КРАПЛІ. Мета роботи: а вивчення властивостей рідкого стану речовини; б експериментальне визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини та дослідження його залежності від

Украинкский

2013-05-11

285 KB

119 чел.

Лабораторна робота № 2

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КРАПЛІ.

Мета роботи: а) вивчення властивостей рідкого стану речовини; б) експериментальне визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини та дослідження його залежності від різних факторів.

Прилади і матеріали: діапроектор, екран з міліметрового паперу, лінійка, бюретка з досліджуваною рідиною, легка посудина, ваги з гирьками, розчин солі (цукру) різної концентрації.

Теоретичні відомості та опис приладів. Характерна для рідини наявність поверхні, при проходженні через яку густина речовини стрибкоподібно змінюється, визначає цілий ряд властивостей рідини. Молекули, розташовані в шарі, безпосередньо прилеглому до поверхні рідини, знаходяться в стані, відмінному від стану молекул в її товщі. Ця відмінність обумовлена особливостями молекулярної взаємодії. Молекулярні сили діють на порівняно коротких відстанях, порядку 10-9 м. Якщо навколо центру молекули описати сферу радіусом, рівним відстані, на яке розповсюджується дія молекулярних сил, ми одержимо те, що називають сферою молекулярної дії.

Молекули, що знаходяться в товщі рідини, оточені з усіх боків подібними Ж молекулами, ЩО рівномірно заповнюють їх сфери молекулярної дії. В цьому випадку молекулярні сили, діючі на яку-небудь молекулу, будучи направлені симетрично у всі сторони, взаємно компенсуються, так що вплив їх на поведінку молекули не позначається (мал. 2.1).

У іншому положенні знаходяться молекули, розташовані в поверхневому шарі. Якщо для простоти представити поверхневий шар рідини у вигляді геометричної площини, то молекули, розташовані на поверхні, взаємодіятимуть, з одного боку, з великою кількістю подібних їм молекул, розташованих у сфері молекулярної дії, обернутої убік рідині, а з другого боку - з невеликим числом молекул, розташованих в тій половині сфери, яка знаходиться в речовині в пароподібному стані. Це призводить до того, що силове поле молекули, розташованої в поверхневому шарі, виявляється ненасиченим з тієї сторони, яка звернена до пароподібної фази.

Якщо в думках уявити собі процес переходу однієї з молекул рідини з товщі на поверхню, то очевидно, що при цьому частина молекулярних зв'язків, що існували тоді, коли молекула була оточена з усіх боків подібними їй, повинна бути розірвана.

Із сказаного виходить, що для переміщення молекули з товщі рідини на поверхню необхідно витратити роботу. У першому наближенні можна вважати, що при цьому процесі розривається рівно половина зв'язків між даною молекулою і оточуючими її молекулами, і, отже, робота, необхідна для переходу молекули з товщі рідини на поверхню, рівна половині тієї роботи, яка необхідна для переходу молекули з рідини в парову фазу. Природно тому, що всяке збільшення поверхні рідини вимагає витрати певної роботи, оскільки при цьому необхідно перевести якусь кількість молекул рідини в поверхневий шар.

Лежачі в поверхневому шарі молекули притягуються не тільки молекулами, розташованими нижче за них, але і своїми сусідами. В результаті цього в поверхневому шарі виникає сила, величина якої залежить від інтенсивності взаємодії молекул даної рідини. Для кількісної оцінки цієї сили її відносять до одиниці довжини лінії, розташованої в поверхні, тобто:

F=al                         (2.1)

Коефіцієнт пропорційності а в даному співвідношенні називають коефіцієнтом поверхневого натягу. Одиниця вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу Н/м. Величина поверхневого натягу не залежить від того, чи буде лінія, проведена на поверхні, кривій або прямій. Подібна залежність виникає лише тоді, коли радіус кривизни цієї лінії стає порівнянним з радіусом сфери молекулярної дії.

Якщо дріт, зігнутий у вигляді букви П, на ніжки якої надіта рухома перемичка (мал. 2.2), опустити в мильну воду, а потім вийняти, то на ній виникне мильна плівка. Очевидно, перемичка масою m утримується в деякому положенні силою поверхневого натягу F.

Поверхню виниклої плівки можна збільшувати або зменшувати, переміщаючи рухому перемичку. Сила, яку треба для цього прикласти, теж буде дорівнювати силі поверхневого натягу. Позначивши довжину перемички l, а коефіцієнт поверхневого натягу рідини a, знайдемо, що сила, необхідна для переміщення перемички, буде рівна:

                                     (2.2)

Виникнення множника 2 в правій частині рівняння пояснюється тим, що мильна плівка, що утримує перемичку, має дві поверхні. Приклавши зовнішню силу, рівну F, можна примусити перемичку переміститися на відстань . Очевидно, зовнішня сила виконає при цьому роботу, рівну:

                                                               (2.3)

В результаті переміщення перемички поверхня рідини зросте на величину

                                                     (2.4)

Зіставлення рівнянь (2.3) і (2.4) переконує у тому, що робота, необхідна для збільшення поверхні, зв'язана простим співвідношенням з коефіцієнтом поверхневого натягу рідини:

                                                      (2.5)

Написане співвідношення часто використовується для визначення фізичного змісту коефіцієнту поверхневого натягу. На підставі рівняння (3.5) можна написати:

тобто, коефіцієнт поверхневого натягнення чисельно рівний роботі, необхідній для утворення 1 м2 нової поверхні рідини.

Оскільки виникнення нової поверхні пов'язане із здійсненням зовнішніми силами певної роботи, то природно, що поверхня рідини володіє енергією. Енергія, на яку перетворюється робота, витрачена на утворення поверхні рідини, називається вільною енергією поверхні.

Вільною енергією називають ту частину загальної енергії тіла, яка може бути перетворена на роботу, якщо процес протікає при постійній температурі.

У механічних процесах, при яких температура не виконує ролі, вільній енергії відповідає потенційна енергія.

Одним з найважливіших законів природи є закон, згідно якому в будь-якій системі при постійній температурі стійка рівновага спостерігається тоді, коли вільна енергія системи мінімальна. Цей закон називають принципом мінімуму вільної енергії, а в механіці - принципом мінімуму потенційної енергії.

На практиці одним з поширених методів вимірювання коефіцієнта а є метод відриву крапель. При порівняно невеликій швидкості витікання рідин з вузької трубки утворюються краплі майже сферичної форми. Перед відривом краплі виникає "шийка", по якій і відбувається розрив (мал. 2.3). Нехай діаметр шийки в момент відриву краплі дорівнює d, а сила тяжіння краплі, що відривається, mg. Тоді, враховуючи (2.1), справедлива рівність:

,                                                       (2.7)

 де  - довжина окружності по якої відбувається відрив.

Звідси

                                                             (2.8)

Дослід виконують за допомогою проекції. Установка для виконання досліду складається із оптичної лави, на якій послідовно розміщені освітлювальна система, бюретка з досліджуваною рідиною і посудина, в яку падають краплі, об'єктив, екран.

Якщо рідина повільно капає, то спроектувавши краплі на екран (мал. 2.4), можна визначити, скільком поділкам шкали п дорівнює її діаметр d в момент відриву краплі. Ціну поділки шкали, нанесеної на екран, можна визначити таким чином: виміряти штангенциркулем діаметр бюретки d6, та визначити число поділок шкали пб, що відповідають проекції бюретки на екрані. Ціна поділки визначиться як d6/n6. Тоді діаметр шийки краплі знайдемо як:

Маса m краплі визначається шляхом зважування великої кількості (N « 100) крапель даної рідини. Тобто

де М - маса N крапель.

Враховуючи це, з (2.8) отримуємо робочу формулу:

                                               .                                                         (2.9)

Правила техніки безпеки: а) перевірити надійність електрошнура до проектора, вилки, а також розетки; б) наливаючи воду в бюретку, виймати - вставляти її в лапку-зажим категорично забороняється; в) дотримуватись обережності при вимірюванні діаметра кінця бюретки, вимірювати його не в нижній, а в середній частині.

Порядок виконання роботи

  1.  Зважити на вагах чисту пусту баночку, поставити її під бюретку з досліджуваною рідиною. Відрахувати деяку кількість крапель N. Зваживши баночку вдруге (з рідиною), визначають масу рідини М.
  2.  Виміряти мікрометром діаметр бюретки в тій частині, яка буде спроектована на екран і відмітити ціну поділки шкали.
  3.  Зібравши установку, як показано на малюнку, проектують кінець бюретки, щоб рідина повільно капала і відмітити, скільком поділкам шкали відповідає діаметр шийки краплі в момент відриву. Вимірювання провести декілька разів і підрахувати середнє значення діаметра шийки краплі.
  4.  Аналогічні досліди виконують з водними розчинами солі (цукру) різних концентрацій.
  5.  Підрахувати абсолютну та відносну похибки.
  6.  Результати вимірів та підрахунків занести в звітну таблицю.

п/п

М

N

g

g

dб

п

А

Контрольні запитання

  1.  Яка природа сили поверхневого натягу?
    1.  Який фізичний зміст коефіцієнта поверхневого натягу?
    2.  Від яких факторів залежить величина коефіцієнт поверхневого натягу?

Література

  1.  Фізичний практикум. / Під общ. ред. Дущенко В.П. - 4.1. - К: Вища школа, 1981.
    1.  Кікоїн І.К., Кікоїн А.К Молекулярна фізика. - М. 1976.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28978. Демократическая революция 1917г в России и ее итоги 31.5 KB
  В городах появились очереди стояние в которых было психологическим надломом для сотен тысяч рабочих и работниц. Начало первым беспорядкам положила забастовка рабочих Путиловского завода 17 февраля. Рабочие завода требовали увеличения расценок на 50 и приёма на работу уволенных рабочих. К толпам рабочих присоединялись тысячи случайных людей: подростков студентов мелких служащих интеллигентов.
28979. Мировая цивилизация в начале XXI века. Глобальные проблемы человечества и пути их разрешения 39.5 KB
  Теперь приведём главные глобальные проблемы человечества: Проблема мира и разоружения предотвращение новой мировой войны; Экологическая проблема; Демографическая проблема; Энергетическая и сырьевая проблема; Проблема использования Мирового океана; Глобальные проблемы человечества стали важным объектом междисциплинарных исследований в которых участвуют и общественные и естественные и технические науки. 1 Проблема мира: На протяжении нескольких послевоенных десятилетий проблема войны и мира предотвращения новой мировой войны была...
28980. История университета 29.5 KB
  Открыто 15 филиалов ИНЖЭКОНА в России в таких городах как Апатиты Анадырь Альметьевск Выборг Кизляр Мурманск Певек Псков Тверь Тихвин Чебоксары Череповец. Ежегодно в университете проходят профессиональную подготовку по 32 специальностям более 25000 студентов из России а также из стран ближнего зарубежья Европы Азии Африки Латинской Америки. Наши выпускники работают на крупнейших предприятиях в компаниях коммерческих фирмах и банках СевероЗападного региона по всей России за рубежом.
28981. Проблемы и противоречия современного периода развития российского общества 25 KB
  Основное противоречие современного этапа развития российского общества заключается в необходимости реформирования всех сфер деятельности переоценке традиционных ориентиров и ценностей открытости для контактов с другими государствами и одновременно сохранении национальной идентичности и этнической самобытности при соблюдении национальных интересов. Люди признают что роль государства в решении проблем региональной и национальной безопасности приоритетна. Для оптимизации государственного и общественного понимания проблем национальной...
28982. ИТ экспертных систем: назначение, структура, функционирование 28.5 KB
  Базы знаний содержат факты описывающие предметную область а так же качественную взаимосвязь между ними как правило в форме правил. Интерпретатор осуществляет обработку знаний в БЗ путем перебора правил правило за правилом. модуль создания системы служит для пополнения базы знаний а также для модернизации экспертной системы.
28983. Модели данных 28.5 KB
  Модель данных – совокупность структур данных и операций их обработки отражает записи и взаимосвязи между ними. Модели данных: 1 иерархическая – в виде иерархии в которой данные размещены по уровню подчиненности древовидная структура. Основные понятия: 1 таблица – совокупность записей одной структуры представляет один объект БД; 2 запись – совокупность логически связанных полей строка таблицы; 3 поле – элементарная единица данных которая соответствует определённому реквизиту столбец.
28984. Понятие и структура СУБД 40.5 KB
  СУБД – совокупность языковых и программных средств предназначенных для создания и ведение использование БД. Структура СУБД. При помощи отладчиков происходит объединение отдельных блоков СУБД.
28985. RDA модель 31 KB
  Коды компонента представления и прикладного компонента совмещены и выполняются на компьютере клиенте кот реализует как функции ввода и отображения данных так и прикладные функции т. Поддержка разного интерфейса компонента представления. Проблемы с администрированием приложений поэтому при необходимости изменения прикладного компонента необходимо переписывать всю программу целиком.
28986. DBS модель 31 KB
  На компьютере клиенте находится представительские прикладные функции которые реализует прикладной компонент реализуемый на компьютере сервере в виде хранящих процедур. Компонент доступа к информационным ресурсам связан с ядром БД так же находится на компьютере сервере совместно с прикладным. Пользователь через компонент представления вызывает необходимые процедуры из прикладного компонента. Прикладной компонент формируется внутри SQLзапрос компонента доступа извлекает необходимую информацию из БД обрабатывает ее и отправляет ее через...