Практикум МолФ

Завдання 2. Описаним вище методом для приладу, призначеного для температурних вимірювань одержують значення ∆ р0 для води при температурі 20°С і визначають А цього приладу. Після цього визначають коефіцієнт поверхневого натягу води в інтервалі температур 30-90°С через кожні 10°С. Будують графік залежності коефіцієнта поверхневого натягу води від температури. Потрібні температури в системі досягаються і підтримуються за допомогою термостата, опис якого подано нижче.

Рис. 2

Література :

Порядок виконання роботи.

1.Визначити залежність коефіцієнта поверхневого натягу розчинів спирту в воді від концентрації розчинів.

2.Виміряти коефіцієнт поверхневого натягу води, при різних температурах в інтервалі 20-90°С. Побудувати графік залежності коефіцієнта поверхневого натягу води від температури.

1.Савельев Д.В., Курс общей физики (том II: Термодинамика и молекулярная физика). М.; Наука, 1990, с. 448-455.

Додаток.

Опис рідинного ультратермостату.

В даній роботі використовується ультратермостат (рис.3). Він складається з мідного резервуара ємністю 10 л, наповненого дистильованою водою або іншою термостатною рідиною і вміщеного, в кожух з листового заліза 1. Проміжок між резервуаром і кожухом заповнено теплоізоляційним матеріалом - скловатою. Резервуар закривається кришкою, на якій змонтовано окремі частини термостата. На кронштейні встановлено електродвигун змінного струму 2, вал якого за допомогою гнучкої муфти з’єднується з віссю, що обертає насос і мішалку. Поряд знаходяться контактний термометр 3 і контрольний термометр 4. Об’єкти, які термостатують, вміщують прямо в заповнений дистильованою водою резервуар термостата, для чого в його кришці є отвір, що прикривається концетричними кільцями різних діаметрів. Термостатна рідина може бути використана також і для підтримання постійної температури в інших приладах, для чого останні приєднуються через патрубки 5 вводу і виводу до термостата, і термостатна рідина насосом нагнітається в прилад. В резервуарі термостата є мідний змійовик 6, що використовується для охолодження термостатної рідини проточною водою при підтриманні

температури нижчої за кімнатну. Термостатуюча рідина нагрівається двома електронагрівниками потужністю 600 та 1200 Вт. Нагрівник на 1200 Вт використовується для прискорення нагрівання, його відключають при наближенні температури в термостаті до потрібної і регулювання температури здійснюється нагрівником 600 Вт, з’єднаним з контактним електротермометром /рис.4/ і чутливим реле.

Розглянемо коротко будову контактного термометра /рис.4/ та реле термостата. Контактний термометр складається з підковоподібного магніту 1, що знаходиться всередині барабана 2, який може обертатися навколо вертикальної осі. До складу термометра входить також мікрометричний гвинт 3, що під дією магніта на потовщену частину гвинта 3а обертається на загострених кінцях. При обертанні барабана з магнітом мікрометричний гвинт обертається і переміщує вгору чи вниз, в залежності від напрямку обертання, гайку 4, що знаходиться на гвинті. Мікрометричний гвинт і гайка з

прикріпленою до неї контактною металевою
волосинкою 4а знаходяться в скляній трубці,	що
приварена до капіляру, з'єднаного з
резервуаром з ртуттю. Верхній вивід
контактного провідника 5 приєднується до
клеми ковпака 6, а нижній вивід через ртуть і
провідник 7 - до клеми 8. До цих клем
приєднується чутливе електрореле, що
включає або виключає нагрівник термостата	на
600 Вт. Всередині скляного балона
термометра 10 розташована двоярусна шкала	11.
Затискний гвинт 12 використовується для
фіксації барабана в потрібному положенні.

При обертанні барабана 2 можна встановити гайку 4 з контактною волосиною проти будь-якої поділки верхньої шкали контактного електротермометра. При цьому нижній кінець контактної волосини встановлюється проти такої ж поділки нижньої частини шкали. Ртутний стовпчик, піднімаючись при нагріванні по капіляру, дотикається до кінця контактної волосини і замикає електричне коло термометра. При цьому струм проходить по обмотці реле, осердя якого притягує контактну пластинку, і цим розриває коло нагрівника на 600 Вт. Вимикання нагрівника приводить до зниження температури системи, контакт волосина-ртуть розмикається, струм через реле припиняється, контактна пластинка відходить від осердя реле і замикає коло нагрівника, що знов підвищує температуру системи. Так відбувається підтримання сталої температури в системі з точністю до 0,05°. Електрична схема термостата наведена на рис.5.

Порядок роботи з термостатом

1.Обертаючи барабан за головку 13 встановлюють гайку 4 та кінець контактної волосини в положення, що відповідає потрібній температурі.

2.Підключають термостат до електромережі напругою в 220 В.

3.Включають тумблери "Сеть" і "Мотор".

Рис. 4

Рис. 3

4.Включають обидва нагрівники. Нагрівник на 1200 Вт треба виключити при наближенні температури до потрібної.

5.Після досягнення заданої температури і термостатування системи при цій температурі протягом 3-5 хвилин виконують вимірювання.

6.Гайку 4 переводять в положення, що відповідає наступній температурі. Для прискореного підвищення температури включають нагрівник на 1200 Вт, який знову відключають при наближенні температури до потрібної.

Рис. 5

РОБОТА №7

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ВНУТРІІІІНЬОГО ТЕРТЯ РІДИНИ МЕТОДОМ СТОКСА

Вступ. Якщо з деякої причини різні шари рідини мають різну швидкість направленого руху, то між ними виникає сила взаємодії, так звана сила внутрішнього тертя. За законом Ньютона ця сила пропорційна площі поверхні S, по якій відбувається взаємодія шарів і градієнту швидкості шарів dvdz .

f = η		dv	vS ,	(1)
		dz
коефіцієнт пропорціональності	η називається коефіцієнтом			внутрішнього

тертя, або коефіцієнтом в’язкості. Одиницею виміру коефіцієнта в’язкості в системі СІ є Па·с .

Теоретичні відомості. В даній роботі коефіцієнт внутрішнього тертя рідини визначається, виходячи з даних про швидкість рівномірного падіння кульки в рідині. При падінні кульки в рідині на кульку діє сила тяжіння P ,

архімедова сила f1 і сила опору середовища f . Внаслідок змочування

поверхні кульки рідиною найближчий до кульки шар рідини має швидкість кульки, наслідком чого є виникнення градієнта швидкості. Тому сила опору середовища є силою внутрішнього тертя. Формула Стокса виражає силу опору середовища кульці, що рухається в цьому середовищі:

f = 6πη rv ,	(2)
де r - радіус кульки, v - швидкість її руху. З (2) видно, що сила f	зростає

при збільшенні ШВИДКОСТІ руху v . Зростання швидкості і сили опору f

відбувається до тих пір поки ця сила і архімедова сила f1 не зрівноважать

	силу тяжіння P , тобто:
			f + f1 = P .		(3)
	Якщо густину кульки і рідини позначити відповідно через ρ				і ρ 1 , то вирааз
	(3) можна представити у вигляді:
		4	π r 3g(ρ − ρ	1 ) = 6π rvη ,	(3а)
	3

звідки

η =	2 ρ			− ρ 1	gr	2	.	(4)
	9			v

Ця формула виявляється точною при русі кульки в необмеженому середовищі. В дійсності на рух кульки впливають стінки посудини. Якщо рух відбувається вздовж осі циліндричної посудини радіуса R , врахування впливу стінок приводить до такого виразу для η :

2

(ρ

− ρ 1 )r 2 t

η =

g .

(4а)

9

r

l 1

+

2,4

R

В цій формулі швидкість

кульки виражена через

l

, де t

- час

t

проходження певної відстані l

при рівномірному русі кульки. Величини l , t ,

r , R визначаються експериментально, решта береться з таблиць.

Опис методу. Прилад для визначення в'язкості рідини зображено на рис.1. Скляний циліндр, заповнений досліджуваною рідиною кріпиться вертикально і вміщується в скляний циліндр більшого діаметра, заповненого водою. Ця вода відіграє роль термостатуючої рідини і запобігає коливанням температури в системі.

На зовнішньому циліндрі нанесено дві горизонтальні позначки на

відстані l одна від одної. Для вимірювання в’язкості застосовують кульки

невеликого діаметру зі сплаву Вуда, розміри яких визначають за допомогою вимірювального мікроскопа МИР-12.

За допомогою мікроскопа визначають середній діаметр кульки. Потім кульку з відомим діаметром опускають в циліндр з досліджуваною рідиною по осі циліндра. За допомогою секундоміра визначають час проходження кулькою відстані між двома мітками на циліндрі. Відстань між мітками на циліндрі вимірюють лінійкою, а внутрішній діаметр циліндра - штангенциркулем.

Порядок виконання роботи.

1.За формулою (4а) розрахувати коефіцієнт в’язкості рідини, що знаходиться в циліндрі, приймаючи, що густина сплаву Вуда ρ = 10,88 г/см3, а густина рідини ρ 1 = 1,23 г/см3.

2.Отримати експериментальну залежність швидкості рівномірного руху кульки від її діаметра.

3.Оцінити похибку вимірювання коефіцієнта в’язкості рідини.

Література :

1.Савельев Д.В., Курс общей физики (том II: Термодинамика и молекулярная физика). М.; Наука, 1990, с. 359-368.

Рис. 1.

РОБОТА № 8

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ВНУТРІШНЬОГО ТЕРТЯ РІДИНИ КАПІЛЯРНИМ ВІСКОЗИМЕТРОМ

Вступ. Якщо шари рідини або газу рухаються один відносно одного, між ними діють сили внутрішнього тертя. За законом Ньютона сила

	внутрішнього тертя f	виражається так:
		f = η	dυ	S ,			(1)
			dz
	де S — поверхня шарів, по якій відбувається взаємодія,				dv		—градієнт
					dz
	швидкості шарів, а
		η — так	званий коефіцієнт внутрішнього				тертя або

в`язкості.

Теоретичні відомості. Коефіцієнт внутрішнього тертя рідини або газу можна визначити за формулою Пуазейля

	V =	π R 4∆ Pt		,	(2)
		8lη
	яка виражає величину об`єму рідини або газу V , що протікає за час t				через
	капіляр радіуса R та довжини l			за умови, що потік ламінарний. ∆ P — це

різниця тисків на кінцях капіляра, під дією якого відбувається течія речовини. Визначивши на досліді V, R, t, l і ∆ P за формулою (2) можна обчислити коефіцієнт η . Але в даній роботі використовується відносний

метод визначення коефіцієнта в`язкості. Справді, якщо взяти дві рідини (відповідні величини для однієї з них позначимо індексами ‘0’ , а другої — ’1’)

і визначити час t0 і t1 витікання однакових об`ємів цих рідин через один і той же капіляр ( R і l однакові), то враховуючи (2), одержимо:

	η	1			∆ P t			1
			=		1					,		(3)
	η	0			∆ P t
або				0				0
η 1 = η				0		t1			ρ 1		.	(4)
						t 0			ρ 0

	Якщо рідина витікає під	дією			сили тяжіння, то		∆ P1	=	ρ 1	, де ρ 1,ρ 0 —
							∆ P0		ρ 0
	густини рідин, і співвідношення (4) набуває вигляду:
	η 1 = η 0		t1		ρ 1	.				(5)
			t 0		ρ 0

Таким чином, якщо коефіцієнт внутрішнього тертя однієї рідини ( η 0 ) відомий, вимірюючи час витікання однакових об`ємів цих рідин через капіляр ( t0 і t1 ), а також знаючи густини рідин ρ 1 і ρ 0 , можна визначити коефіцієнт

в`язкості досліджуваної рідини η 1 .

Опис методу. У даній роботі коефіцієнт в`язкості рідини вимірюється за допомогою капілярного віскозиметра Оствальда. Цей прилад являє собою U-подібну скляну трубку abcd (рис. 1), встановлену вертикально. Широке коліно ab цієї трубки закінчується внизу розширенням (сферою) b, а друге коліно складається з капіляра e, що закінчується сферою с, яка переходить в широку трубку d. Під сферою с і над нею на трубках е і d, нанесено дві позначки m і n, що обмежують певний об`єм рідини, час витікання якої вимірюється.

Віскозиметр вміщується у резервуар D з водою, що відіграє роль термостата. Рівень води повинен бути вище від верхньої риски m на приладі.

Рис.1

Для проведення досліду прилад добре промивають дистильованою водою, а потім — невеликою кількістю досліджуваного розчину. Наливають в широке коліно певний, сталий при всіх дослідах об`єм досліджуваної рідини. Далі за допомогою гумової груші, з`єднаної з капіляром приладу, обережно перекачують рідину в друге коліно і заповнюють сферу с вище позначки m. Потім праве коліно віскозиметра сполучають з атмосферою. При цьому рідина починає протікати через капіляр е. В момент, коли меніск рідини проходить точку m, включають секундомір і зупиняють його, коли меніск проходить позначку n.

Перш за все визначають t0 — час протікання через капіляр дистильованої води в об`ємі, обмеженому рисками на сфері с, потім час