Вказівки до виконання роботи. Для виконання роботи слід вивчити такий теоретичний матеріал: особливості рідкого стану речовини, поверхневий натяг

Для виконання роботи слід вивчити такий теоретичний матеріал: особливості рідкого стану речовини, поверхневий натяг.

[1, т.1, §§ 19.1, 19.3; 2, §§ 42, 60 – 62; 4, т.1, §§ 120 – 123, 126]

Розглянемо межу поділу рідина – газ. У зв’язку з тим, що кількість молекул, які знаходяться в газі над поверхнею рідини значно менша, ніж в самій рідині, поверхневі молекули мають надлишок енергії. Для того, щоб перевести молекулу із середини рідини на поверхню, необхідно виконати роботу, яка чисельно буде дорівнювати приросту поверхневої енергії рідини.

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини a визначається через приріст поверхневої енергії рідини D W при збільшенні площі поверхні на D S:

,

а також через силу поверхневого натягу F _Н, яка діє на контур довжиною L, що обмежує поверхню рідини:

.

Сила поверхневого натягу рідини F _Н зумовлена існуванням міжмолекулярних сил притягання. У зв’язку з тим, що концентрація молекул рідини в газі (над поверхнею рідини) значно менша, ніж в самій рідині, то сила міжмолекулярної взаємодії напрямлена всередину рідини, що й викликає появу сили поверхневого натягу.

Сила поверхневого натягу напрямлена: перпендикулярно до контуру, який обмежує поверхню рідини (або яку-небудь ділянку поверхні), вздовж дотичної до поверхні, в сторону скорочення її поверхні.

Величина коефіцієнта поверхневого натягу залежить від температури рідини. З підвищенням температури поверхневий натяг зменшується, що викликано збільшенням середньої відстані між молекулами рідини.

Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу a користуються методом відриву кільця від поверхні рідини.

Сила відриву кільця від поверхні рідини визначається за допомогою торсiйних терезів (рис. 13.1). 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 ваги. В момент відриву кільця терези показують силу F ₁, яка дорівнює сумі сил поверхневого натягу F _Н та ваги вологого кільця P. З рисунку 13.1 видно, що відрив кільця від поверхні пов’язаний з розривом поверхні рідини по двох периметрах кільця. На основі цього можна одержати робочу формулу для визначення коефіцієнта поверхневого натягу:

, (13.1)

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

Хід роботи

1. За допомогою опорних гвинтів встановити бульбашку, яка контролює горизонтальність терезів, в центральне положення.

2. Користуючись ручкою, розташованою на правому боці терезів, звільнити коромисло з підвішеним на ньому кільцем від затискувача.

3. За допомогою розташованої на лівому боці терезів ручки встановити зусилля відриву порядку 800 мГ.

4. Розташувати під кільцем склянку з водою.

5. За допомогою лівої ручки зменшувати зусилля доти, поки кільце не доторкнеться до поверхні води.

6. Повільно обертаючи ліву ручку, відірвати кільце від поверхні води. Після відриву зафіксувати величину сили відриву F. При цьому слід враховувати, що шкалу терезів градуйовано в міліграмах.

7. Обертаючи ліву ручку в протилежний бік, створити таку ситуацію, коли коромисло терезів займає горизонтальне положення і коливається навколо нього. Відповідне значення ваги вологого кільця занести до таблиці 13.1.

8. Повторити пункти 5–7 разів для значень температури 20–80^оС. Дані занести в таблицю.

9. Знайти силу для кожного виміру, результати занести до таблиці. На основі обчислених даних за формулою (13.1) визначити величину a.

10. Побудувати графік залежності коефіцієнта поверхневого натягу від температури a= f (t).

Таблиця 13.1

№ пор.	Температура води t, оC	Сила відриву F, Н	Вага вологого кільця P, Н	F Н, Н	a, Н/м

 

Контрольні запитання

1. Який вигляд має графічна залежність потенціальної енергії взаємодії однієї пари молекул від відстані між ними?

2. Яке співвідношення між потенціальною і кінетичною енергіями характерне для різних агрегатних станів речовини?

3. Який характер руху молекул в рідині?

4. Що називається далеким та близьким порядком?

5. Що називається сферою молекулярної дії?

6. Який порядок товщини поверхневого шару?

7. Що називається коефіцієнтом поверхневого натягу?

8. Як залежить коефіцієнт поверхневого натягу від температури і як можна пояснити такий характер залежності?

9. Як напрямлена сила поверхневого натягу?