Контрольные вопросы

1. Что называется термическим коэффициентом линейного расширения твердых тел?

2. Что называется термическим коэффициентом объемного расширения твердых тел?

3. Доказать равенство:

4. Как происходит передача теплоты внутри металлического стержня при нагревании одного из его концов?

Лабораторная работа №8 определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Цель работы: познакомиться с методами определения коэффициента поверхностного натяжения. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды.

Приборы и принадлежности: весы Жоли, чашечка с водой, разновес, бюретки с исследуемыми жидкостями.

ВВЕДЕНИЕ

В жидкости молекулы вещества находятся на гораздо меньшем расстоянии, чем в газе. При этом энергия межмолекулярного притяжения при обычных температурах превышает энергию теплового движения. Это обстоятельство приводит к тому, что жидкости занимают определенный объем (в отличии от газов), а поверхностный слой жидкости стремится сократиться. Рассмотрим явление поверхностного натяжения более подробно.

На каждую молекулу жидкости со стороны окружающих молекул действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием. Расстояние, на котором заметно влияние молекулярных сил (порядка 10^-9 м), называют радиусом молекулярного действия r, а сферу радиуса r называют сферой молекулярного действия.

Выделим внутри жидкости какую – либо молекулу А (рис. 1) и проведем вокруг нее сферу радиуса r.

Рисунок 1.

Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны и в среднем скомпенсированы, поэтому результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю. Иначе обстоит дело с молекулой В, расположенной от поверхности жидкости на расстоянии меньшем, чем r. В данном случае сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Так как концентрация молекул в расположенном над жидкостью газа мала, по сравнению с их концентрацией в жидкости, то равнодействующая сил F, приложенных к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Таким образом, поверхностный слой оказывает на жидкость давление. Называемое молекулярным.

Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо совершить работу против действующих в этом слое сил. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большой потенциальной энергией, чем частицы внутри жидкости. Эта энергия называется поверхностной энергией и она пропорциональна площади слоя S:

(1)

Коэффициент пропорциональности  между поверхностной энергией U и площадью поверхности S называется коэффициентом поверхностного натяжения. Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергией, то жидкость при отсутствии внешних сил стремится к сокращению поверхности, т.е. к форме шара. В условиях невесомости капля любой жидкости имеет сферическую форму.

Выделим мысленно часть поверхности жидкости, ограниченную замкнутым контуром АВСД (рис. 2)

Рисунок 2.

Тенденция этого контура к сокращению приводит к тому, что он действует на граничащие с ним участки с силами, распределенными по всему контуру. Эти силы называют силами поверхностного натяжения. Они направлены по касательным к поверхности жидкости и перпендикулярно к участкам контура, на который они действуют. Пусть сторона АВ подвижна, тогда при перемещении участка АВ поверхности жидкости на расстояние Х под действием силы F поверхностного натяжения совершается работа FX за счет уменьшения поверхностной энергии на U:

(2)

Отсюда следует, что сила поверхностного натяжения

(3)

Подставляя в уравнение (3) уравнение (1) и заменяя S=Xl получим:

(4)

где знак «минус» указывает на то, что сила направлена в сторону, противоположную смещению Х.

Как следует из формул (1) и (4) коэффициент поверхностного натяжения является и энергетической, и силовой характеристикой поверхностного натяжения жидкостей: он является поверхностной энергией, которой обладает единичная площадь поверхности, и в то же время является силой поверхностного натяжения, которая действует на контур единичной длины.

Единица поверхностного натяжения в СИ – джоуль на квадратный метр (Дж/м²), или ньютон на метр (Н/м).

При температуре  300 К, большинство жидкостей имеет коэффициент поверхностного натяжения порядка 10^-2 – 10^-1 (Н/м). С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, т.к. увеличиваются расстояния между молекулами жидкости.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ

Установка для определения коэффициентов поверхностного натяжения жидкостей данным методом представлена четырьмя бюретками А.В.С.Д, закрепленными на стенде (рис.3) Истечение жидкости из бюретки регулируется зажимом К.

Метод основан на сравнении силы поверхностного натяжения, удерживающей каплю от падения, с силой тяжести под действием которой отрывается капля. Капля отрывается тогда, когда ее вес Р будет немного больше или в предельном случае, равен силе поверхностного натяжения F, удерживающей каплю от падения. Таким образом, в момент отрыва капли получаем условие: Р=F (5)

Рисунок 3.

По уравнению (4) полагая l=2R – дина окружности шейки бюретки, получим

(6)

с учетом условия (5) получим

(7)

из уравнения (7) определяем :

(8)

где Р – вес одной капли,

D – диаметр шейки капли.

Рабочая формула имеет вид:

(9)

где m₁ – масса пустого стакана,

m₂ – масса стакана с некоторым количеством капель,

g – ускорение силы тяжести, g=9,8 м/с²

D – внешний диаметр капилляра (смотрите на приборе),

n – число капель в сосуде.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Взвесьте пустой стакан. Запишите его массу m₁.

2. Отсчитайте «n» капель, вытекающих из бюретки.

3. Взвесьте стакан с «n» каплями. Запишите массу m₂.

4. Определите по уравнению (9) коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости.

5. Проделайте опыты со всеми предлагаемыми жидкостями.

6. Данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ

Исследуемая жидкость	m1	n	m2	m=m2-m1	D		
Вода

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Проделать измерения с мыльным раствором.

2. Сделать выводы и указать область использования жидкостей с низким коэффициентом поверхностного натяжения.