1. Расчеты

1. Вычислить среднее значение диаметра d каждого шарика.

2. Определить среднюю плотность ρ материала шарика по формуле:

ρ =	mобщ	=	mобщ	=	π( d				6mобщ									3 )
	Vобщ		V1 +V2 +V3 +V4 +V5			3			3			3			3
							+ d			+ d			+ d			+ d
				1			2			3			4			5

где m_общ − общая масса шариков.

3. Рассчитать коэффициент вязкости по формуле (7) по результатам каждого опыта.

4. Найти среднее значение коэффициента вязкости.

3. Абсолютную погрешность η рассчитать как для прямых измерений.

3. Найти относительную погрешность измерений.

3. Результаты измерений записать в стандартном виде:

• = (η_ср ± η)

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. От чего зависит коэффициент вязкости жидкости?

2. С каким явлением переноса Вы ознакомились в данной работе? В чем суть этого явления?

3. Укажите на рисунке, какие силы действуют на шарик, падающий в жидко-сти? Запишите соотношение между силами, которое выполняется при рав-номерном движении шарика.

4. Сравните полученное значение вязкости жидкости с табличным значением для исследуемой жидкости при данной температуре. Сделайте вывод.

93

Описания лабораторных работ	Молекулярная физика
ПРОТОКОЛ
измерений к лабораторной работе №17
Выполнил(а)_____________________	Группа__________________

Общая масса шариков m_общ = ___________

Расстояние между метками S = ______________

Плотность жидкости ρ₁ = ______________

Температура воздуха в лаборатории __________°С

№	d1,	d2,	d3,			,	t,	η,
					d
п/п	мм	мм	мм	мм			с	Па⋅с
1
2
3
4
5

Дата________ Подпись преподавателя___________________

94

Молекулярная физика Описания лабораторных работ

Лабораторная работа № 19

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ РАСТВОРА ОТ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТОДОМ МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПУЗЫРЬКЕ

Цель работы: исследовать зависимость коэффициента поверхностного на-тяжения раствора этилового спирта в воде от его концентрации.

Приборы и принадлежности: установка для определения коэффициента поверхностного натяжения, набор растворов этилового спирта в воде.

Общие положения

Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Каждая молеку-ла испытывает притяжение со стороны всех соседних с ней молекул. Равнодей-ствующая всех этих сил для молекулы, находящейся внутри жидкости, в сред-нем равна нулю. Иначе обстоит дело, если молекула находится вблизи поверх-ности. Так как плотность пара (или газа, с которым граничит жидкость) во мно-го раз меньше плотности жидкости, то на каждую молекулу, находящуюся в приповерхностном слое, будет действовать сила, направленная перпендикуляр-но поверхности внутрь жидкости.

Для перенесения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу против сил, действующих в поверхностном слое. Эта работа совершается молекулой за счет запаса ее кинетической энергии и идет на увеличение потенциальной энергии молекулы. При обратном переходе молекулы в глубь жидкости потенциальная энергия, которой обладала молеку-ла в поверхностном слое, переходит в кинетическую энергию молекулы. Таким образом, молекулы в приповерхностном слое обладают дополнительной потен-циальной энергией. Поверхностный слой в целом обладает дополнительной энергией, которая входит составной частью во внутреннюю энергию жидкости.

Для того, чтобы изотермически увеличить площадь поверхностного слоя жидкости на величину S за счет молекул, находящихся в ее объеме , необхо-димо совершить работу А, равную изменению потенциальной энергии:

A = W = α(S₂ − S₁ ) = α ⋅ S

где α − коэффициент поверхностного натяжения.

Коэффициентом поверхностного натяжения называется величина , равная отношению изменения потенциальной энергии поверхностного слоя к измене-нию площади поверхности этого слоя:

α = ^W_S .

Коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Дж/м² = Н/м.

95

Описания лабораторных работ Молекулярная физика

Величина коэффициента поверхностного натяжения зависит от природы жидкости, температуры и наличия примесей. Примеси оказывают большое влияние на коэффициент поверхностного натяжения. Так, например, растворе-ние в воде мыла снижает ее коэффициент поверхностного натяжения, а раство-рение поваренной соли − увеличивает. Если молекулы растворенного вещества взаимодействуют между собой с меньшей силой, чем молекулы растворителя, то они выталкиваются в поверхностный слой. Вещества, собирающиеся в по-верхностном слое при растворении их в жидкости, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Явление увеличения концентрации молекул поверхностно-активных веществ в поверхностном слое растворителя называет-ся адсорбцией. Адсорбция молекул газа или жидкости может происходить и на поверхности твердого тела. Примером может служить активированный уголь.

ПАВ нашли широкое применение в технике резания металлов, бурения горных пород, во флотационных процессах.

Описание экспериментальной установки и методики эксперимента

Установка, представленная на рис. 1, состоит из наполненного водой аспи-ратора А, соединённого с помощью резиновых трубок и четырёхконечной трубки с манометром М и с верхним воздушным пространством плотно закрытого сосуда

						d		В, в который наливается некоторое количество
								исследуемой жидкости.
								Через отверстие в пробке в этот сосуд
								вводится так называемый «кончик», пред-
								ставляющий собой стеклянную трубку, ниж-
								ний конец которой оттянут так, что выход
	A						M	канала весьма узок. Этот «кончик» помеща-
								ется на уровне исследуемой жидкости так,
								чтобы он соприкасался с её поверхностью.
								Четвертый отросток четырёхконечной труб-
						B
								ки, который может закрываться, соединяет
	K							всю эту систему с атмосферой. Если, закрыв
								отросток d, слегка приоткрыть кран К аспи-
								ратора, то вода начнёт медленно вытекать из
								него, и в верхней части сосуда и в левом ко-
		Рисунок 1						лене манометра образуется разреженное про-
								странство. При некотором определенном

р азрежении избыток атмосферного давления проталкивает через «кончик » в со-суд пузырек воздуха. Это происходит тогда, когда разность давления атмо-сферного воздуха и воздуха в сосуде В, измеряемая разностью высот уровней жидкости в коленах манометра, уравновешивает давление, вызываемое поверх-ностным натяжением исследуемой жидкости, стремящимся сжать образующий-ся пузырёк.

Обозначим разность уровней жидкости в коленах манометра через Н, а коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости через α . Тогда

96

Молекулярная физика Описания лабораторных работ

в момент отрыва пузырька между ними будет существовать следующее соот-ношение:

α = AH

(1)

где А − коэффициент пропорциональности, зависящий от размера «кончика», т.е. это величина, постоянная для данного прибора.

Для ее определения необходимо произвести опыт с какой-либо жидко-стью, поверхностное натяжение которой известно, например, с водой. Тогда,

подставив соответствующие значения H 0 и α0			в формулу (1), получим:
α0 = AH 0 .			(2)
Определив постоянную прибора, можно определить коэффициент по-
верхностного натяжения любой жидкости:
α = α0	H	.	(3)
	H0

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. В чем состоит цель работы?

2. Какие физические величины измеряются непосредственно (прямые измере-ния)?

3. По какой формуле Вы будете рассчитывать коэффициент поверхностного натяжения? Поясните смысл обозначений, входящих в формулу.

4. Какой график надо построить по результатам эксперимента?

Выполнение работы

1. Налить в аспиратор воду до уровня бокового отростка.

2. Опустить «кончик» в сосуд В так, чтобы он только чуть-чуть погрузился в воду.

3. Открыть отросток d соединительной трубки, устанавливая этим внутри при-бора атмосферное давление. Когда уровни жидкости в коленах выровняют-ся, отросток закрыть.

4. Открыть кран К аспиратора настолько, чтобы изменение давления происхо-дило достаточно медленно, и можно было отсчитать высоты уровней жидко-сти в коленах манометра в момент отрыва пузырька. Когда частота образо-вания пузырьков установится, необходимо произвести отсчёты по маномет-ру. Отсчеты произвести для 5 пузырьков и из них взять среднее значение

H ₀ .

5. Сосуд В, наполненный водой, заменить сосудом, наполненным раствором этилового спирта концентрации с₁. Во избежание ошибки необходимо каж-дый раз при смене сосудов предварительно прополаскивать «кончик». Изме-рить разность уровней жидкости в коленах манометра Н согласно п. 1-4.

5. Провести такие же измерения для растворов других концентраций.

97

Описания лабораторных работ Молекулярная физика

Оформление отчета