Методичка: Лабораторный практикум по молекулярной физике

При поднятии кольца над поверхностью жидкости между кольцом и поверхностью жидкости образуется пленка. Внешняя поверхность этой пленки тянет кольцо вниз с силой σπD, внутренняя поверхность также тянет вниз с σπ(D-2d). Результирующая сила, удерживающая кольцо равна

σπD + σπ(D-2d) = 2σπ(D-d).

В момент отрыва кольца F = 2σπ(D-d), откуда

 .                                           (4)

Так как диаметр и толщина кольца могут быть измерены штангенциркулем, то определение коэффициента поверхностного натяжения σ сводится к определению силы отрыва кольца F, которая может быть рассчитана различными методами. Один из них применяется в данной работе. Схема установки приводится на рис.4.

Описание прибора. На штативе Шт закреплена воронка В с краном К и динамометром Д (рис.4). К нижнему концу пружины динамометра прикреплены последовательно чашечка для разновесов Ч и металлическое кольцо М. В воронку налита исследуемая жидкость. Внизу под воронкой располагается сосуд С для слива жидкости.

Порядок выполнения работы

1.      Измеряют штангенциркулем толщину d и внешний диаметр D кольца и записывают результаты в таблицу.

2.      Заполняют воронку В исследуемой жидкостью и измеряют термометром ее температуру.

.        Перемещая воронку вдоль Шт, осторожно подводят уровень жидкости в ней до соприкосновения с кольцом М.

.        Открывают кран К и жидкость выливается в сосуд С. Уровень жидкости в воронке понижается, увлекая за собой кольцо М.

.        В момент отрыва кольца от жидкости отмечают положение указателя Ук динамометра на шкале. Кран К закрывают, и перемещают вниз по Шт воронку В.

.        Помещая в чашечку Ч разновески, вновь растягивают пружину динамометра Д до отмеченного ранее положения указателя. Вес этих разновесок (Р=mg) равен силе отрыва кольца от жидкости F, т.е. F=P=mg.

.        Полученные значения d, D и F подставляют в формулу (4) и находят σ данной жидкости.

.        Повторяют эксперимент не менее 3 раз. Определяют среднее значение σ, абсолютную и относительную ошибку эксперимента.

.        Окончательный результат написать в виде σ= σср± Δσср.

Контрольные вопросы

1.      Порядок выполнения работы.

2.      Молекулярная природа силы поверхностного натяжения. Как направлена эта сила?

.        Физический смысл коэффициента поверхностного натяжения с силовой и энергетической точки зрения. Единицы его измерения.

.        От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости?

Литература

1.      Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. 480 с.

.        Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990. 592 с.

Лабораторная работа № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ РЕБИНДЕРА

Принадлежности: прибор Ребиндера, аспиратор, сосуд для слива жидкости.

Цель работы: ознакомление с явлением поверхностного натяжения, молекулярной природой этого явления и одним из методов определения коэффициента поверхностного натяжения, а также практическое определение этого коэффициента для одной жидкости.

Введение. См. Лабораторную работу № 8.

Теория. См. Лабораторную работу № 8.

Описание прибора и теория метода. Прибор Ребиндера (рис.3) состоит из сосуда 1 с исследуемой жидкостью, внутрь которого вставлен капилляр 2 так, чтобы кончик его был на некотором расстоянии от границы жидкости (1-2 мм). Сосуд 1 с помощью системы трубок соединяется с аспиратором 3. Если из аспиратора 3 вытекает вода, то давление воздуха внутри сосуда 1 понижается и при некотором его значении р под действием атмосферного давления р0 через капилляр в жидкость продавливается пузырек воздуха. Разность (р0-р) измеряется манометром 4.

Давление внутри газового пузырька в жидкости в момент отрыва равно атмосферному р0. Это давление уравновешивается давлением р над поверхностью жидкости в сосуде 1 и избыточном давлением р1, обусловленным кривизной поверхности пузырька (гидростатическим давлением можно пренебречь, так как глубина погружения пузырька мала):

р0 =р + р1.                                     (4)

Согласно формуле Лапласа избыточное давление под изогнутой поверхностью жидкости равно

,                                        (5)

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, R1 и R2 - радиусы кривизны поверхности жидкости в двух взаимно перпендикулярных сечениях.

Так как для сферической поверхности R1 = R2 = R, то

.                                           (6)

Давление в пузырьке будет максимальным, когда радиус его будет минимальным, т.е. равным радиусу капилляра r. Тогда из (4) и (6) получим

.                                           (7)

Величина  есть постоянная прибора, которая определяется измерением Δр0 для жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения: . Тогда , откуда для исследуемой жидкости

.                                               (8)

Если разность высот жидкости в манометре (подкрашенная вода) равна h, а плотность этой жидкости при комнатной температуре ρ, то

Δр = ρgh.                                                  (9)

Подставляя (9) в (8), получим

.                                   (10)

Для воды при t=200С σ0 = 72∙10-3 Н/м, Δр0 = 242,55 Па. Поэтому для расчета коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости достаточно измерить разность высот h жидкости в манометре в момент отрыва пузырьков воздуха от капилляра 2.

Порядок выполнения работы

1.      Наливают в сосуд 1 прибора Ребиндера исследуемую жидкость, в аспиратор 3 воду.

2.      Проверив глубину погружения капилляра 2 в исследуемую жидкость, открывают кран К аспиратора 3 до тех пор, пока от кончика капилляра начинают равномерно отрываться пузырьки воздуха. Измеряют разность уровней h жидкости в манометре и заносят в таблицу.

.        Подставляя значения σ0 = 72∙10-3 Н/м, Δр0 = 242,55 Па, ρ=1000 кг/м3 (для воды), g=9,8 м/с2 и h в формулу (10), рассчитывают значение σ для исследуемой жидкости.

.        Повторяют опыт несколько раз (не менее трех). Находят среднее значение σ, абсолютную (Δσ) и относительную (N) ошибку эксперимента.

5.      Окончательный результат написать в виде σ= σср± Δσср.

Контрольные вопросы

1.      Порядок выполнения работы.

2.      Молекулярная природа силы поверхностного натяжения. Как направлена эта сила?

.        Физический смысл коэффициента поверхностного натяжения с силовой и энергетической точки зрения. Единицы его измерения.

.        От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости?

Литература

1.      Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. 480 с.

.        Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 1990. 592 с.

Лабораторная работа № 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОКАЛОРИМЕТРА

Принадлежности: два равноценных электрокалориметра, два термометра, реостат, амперметр, технические весы, разновесы, эталонная и исследуемая жидкости.

Цель работы: ознакомление с процессами теплообмена, определение удельных теплоемкостей жидкости при помощи электрокалориметра.

Введение. Определение удельной теплоемкости веществ имеет большое значение для изучения тепловых и акустических свойств веществ, а также для конструирования и подбора материалов отопительных и охладительных систем.

Теория. Внутренняя энергия вещества - это полная энергия частиц (атомов, молекул, ионов электронов, протонов, нейтронов), составляющих данное вещество. Полная энергия частиц слагается из их кинетической и потенциальной энергий. Кинетическая энергия - это энергия поступательного, колебательного и вращательного движения частиц; потенциальная энергия обусловлена силами притяжения и отталкивания, действующими между частицами. Величина внутренней энергии меняется при теплообмене. Теплообменом называется переход внутренней энергии от одного тела к другому вследствие неодинаковости температур этих тел. При соприкосновении двух тел с различной температурой, молекулы более нагретого тела, сталкиваясь с молекулами менее нагретого тела, передают им часть своей кинетической энергии. Такой процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет одинаковой.

Для нагревания различных веществ одинаковой массы потребляется различное количество теплоты. Например, железный цилиндр нагревается быстрее, чем такая масса воды. Причина в том, что разные тела имеют разную теплоемкость.

Количество теплоты, необходимое для нагревания вещества на 1 К (или на 1 0С), называют теплоемкостью, а количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К (или на 1 0С) называют удельной теплоемкостью. Если обозначить удельную теплоемкость через с, массу через m, начальную и конечную температуру тела соответственно через t1 и t2, количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от t1 до t2 градусов, через Q, то

.                                           (1)

Описание прибора и теория метода. Общая схема прибора приведена на рис.1.

Он состоит из двух одинаковых калориметров I, II с одинаковыми термометрами t1, t2. Эти калориметры снабжены электрическими нагревателями. Один электрокалориметр наполняется эталонной жидкостью с известной удельной теплоемкостью, обычно дистиллированной водой, а другой - исследуемой жидкостью. Если пропустить электрический ток через нагреватели, то из них выделяется тепло. Количество выделившегося в каждом калориметре тепла определяется по закону Джоуля-Ленца равенством

=0,24 I2Rτ,                                               (2)

где I - сила тока, R - сопротивление нагревателя, τ - время протекания тока через электрическую цепь калориметра.Если сопротивление обоих нагревателей взять одинаковыми, то в калориметрах выделяется одинаковое количество теплоты, т.е. Q1 = Q2, где

Q1 - количество теплоты, полученное первым калориметром:

,                                      (3)

2 - количество теплоты, полученное вторым калориметром:

,                                             (4)

здесь m1, m2 - массы жидкостей в I и II калориметрах, с1, с2 соответственно их удельные теплоемкости, t1, θ1 - начальная и конечная температура в первом калориметре, t2, θ2 - начальная и конечная температура во втором калориметре, W1 - водяной эквивалент первого калориметра, , - удельная теплоемкость материала первого калориметра,  - масса первого калориметра, W2 - водяной эквивалент второго калориметра, , - удельная теплоемкость материала второго калориметра,  - масса второго калориметра.

Приравнивая выражения для Q1 и Q2, получаем формулу для расчета удельной теплоемкости исследуемой жидкости, налитой во второй калориметр:

  .                                     (5)

В первый калориметр наливается дистиллированная вода.

Порядок выполнения работы

1.      Определяется массы калориметров и .

.        Наливаются эталонная и исследуемая жидкости в калориметры, и определяются их массы m1 и m2. Чтобы избежать различных ошибок, массу исследуемой жидкости желательно брать несколько больше, чем эталонной. Так как из формулы (5) получается следующее соотношение между водяными эквивалентами калориметров и повышениями температуры в них: , то есть повышение температуры (θ1-t1) и (θ2-t2) в калориметрах с эталонной и исследуемой жидкостью должно зависеть от теплоемкостей этих жидкостей.

.        По термометрам определяются начальные температуры эталонной и исследуемой жидкости, соответственно t1 и t2.

.        Пропускается ток через электрокалориметры и нагреваются жидкости на 4-60С. Во избежание тепловых потерь в окружающую среду величины (θ1- t1) и (θ2- t2) не должны превышать 4-60С.

.        Затем выключаются ток и через 30-40 с определяются конечные температуры жидкостей в калориметрах, соответственно θ1 и θ2.

6.      Удельные теплоемкости материала калориметра и эталонной жидкости находятся из справочных таблиц.

.        На основании найденных величин по формуле (5) определяется удельная теплоемкость исследуемой жидкости с2.

.        Опыт повторяется не менее трех раз и определяется среднее значение с2, абсолютные (Δс2) и относительные (N) ошибки измерений. Окончательный результат написать в виде c2=c2ср±Δc2ср.