Розділ 2. Молекулярна фізика

 

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

 

Мета роботи – вивчити властивості поверхневого шару рідин та визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Вказівки до виконання роботи

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

[ 1, т.1, §§ 19.1, 19.3, 19.5; 2, §§ 60, 66; 3, 4.2, 6.2; 4, т.1, §§ 115–119]

 

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

,

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

. (2.1.1.)

Сили поверхневого натягу рідини F _Н зумовлені 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 сил поверхневого натягу.

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

В даній роботі для визначення коефіцієнта поверхневого натягу a використовують метод відриву кільця від поверхні рідини.

Сила відриву кільця від поверхні визначається за допомогою торсійних терезів (рис. 2.1.1). 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 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: . Враховуючи (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 відповідно внутрішній та зовнішній діаметри кільця.

 

Хід роботи

1. За допомогою опорних гвинтів встановити бульбашку, яка контролює горизонтальність терезів, у 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 прядку 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, прийти до такої ситуації, коли коромисло терезів займає горизонтальне положення і починає коливатись навколо нього. Визначити вагу вогкого кільця Р.

8. Повторити пункти 5 - 7 два рази.

9. Нагріти воду у склянці до 50 ^оС і виконати пункти 3 - 8.

10. Знайти силу для кожного виміру.

11. За формулою (2.1.3) визначити величину a. Виконати розрахунки середнього значення (за результатами трьох вимірів) для двох значень температури води.

12. Всі результати вимірювань та розрахунків занести до таблиці 2.1.1.

Таблиця 2.1.1

№ пор.	Температура води t, оC	Сила відриву F, Н	Вага вогкого 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 у рідині? Що характеризують поняття далекого та близького порядків?

4. Що називається сферою молекулярної дії?

5. Чому рідину практично неможливо стиснути? Який порядок товщини поверхневого шару?

6. Що називається коефіцієнтом поверхневого натягу? Як напрямлена сила поверхневого натягу?