Файл: Работы лабораторного практикума.docx

Молекулярное давление проявляется, если пытаться увеличить или уменьшить объем, занимаемый жидкостью, а также в ряде поверхностных эффектов, таких как смачивание. Понятно, что между молекулами жидкости, помимо сил отталкивания, существуют и короткодействующие силы отталкивания, которые проявляются и уравновешивают силы притяжения в случае, если молекулы жидкости сближаются достаточно сильно. Внутреннее давление жидкостей очень велико для воды, например, оно составляет около 10 тысяч атмосфер.

Существование внутреннего давления приводит к особому состоянию поверхностного слоя жидкости, которое подобно состоянию натянутой упругой плёнки, стремящейся сократить свою поверхность до малых размеров. Это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением.

Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и действует нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности. Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения σ, который является коэффициентом пропорциональности в законе

, (2.1)

где – длина участка границы поверхностного слоя. Это силовое определение коэффициента поверхностного натяжения. В единицах СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Н/м.

Коэффициент поверхностного натяжения также можно вводить из энергетических соображений. Поскольку на все молекулы, расположенные в поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости, то для перемещения молекулы из глубоких слоев в жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу. При увеличении площади поверхностного слоя на в поверхностный слой необходимо переместить количество молекул, пропорциональное приращению площади. Для этого необходимо совершить работу

(2.2)

Это энергетическое определение коэффициента поверхностного натяжения. При таком определении коэффициента поверхностного натяжения его размерность удобно указывать в единицах Дж/м

---

². Конечно, коэффициент поверхностного натяжения, определенный двумя способами, один и тот же, его численное значение от способа определения не зависит. Численное значение коэффициента поверхностного натяжения зависит от рода жидкости, температуры и от степени чистоты поверхности.

Обычно коэффициент поверхностного натяжения измеряют при постоянной температуре. В этом случае работа внешних сил, затраченная на увеличение площади поверхностного слоя, совпадает с изменением свободной энергии

. (2.3)

Существуют различные методы для определения численного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, образующих плёнку. Если, например, опустить проволочную скобу в мыльный раствор, а затем немного приподнять, то в пространстве между проволокой скобы и поверхностью жидкости появится пленка жидкости. Силы поверхностного натяжения принуждают пленку сокращаться, пленка тянет верхнюю перекладину рамки вслед за пленкой перемещаться вниз. Полная поверхностная сила , действующая со стороны пленки на скобу, с учетом векторного правила сложения сил, действующих на отдельных участках, равна

, (2.4)

где – длина перекладины скобы. Множитель «2» в этой формуле учитывает, что пленка имеет две поверхности (ведь пленка на самом деле представляет собой довольно толстый слой жидкости, ограниченный двумя поверхностными слоями толщиной в размер одной молекулы).
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
В работе используется простой динамометр типа ДПН с набором демонстрационных скоб. В корпусе динамометра имеется два резьбовых отверстия. В одно вворачивается винт, при помощи которого динамометр закрепляется на штативе. Во второе резьбовое отверстие завинчен стопорный винт, который фиксирует стакан с измерительной пружиной в вертикальном положении. Измерительная пружина на свободном конце имеет зацеп для закрепления на нем демонстрационной скобы. На прямом конце измерительной пружины имеется стрелка, которая служит для отсчета показаний динамометра и одновременно является ограничителем

---

, не позволяющим растягиваться измерительной пружине более чем на 30 мм. К корпусу динамометра прикреплена шкала, проградуированная в миллиньютонах - мН. Принцип работы динамометра основан на свойстве пружины растягиваться пропорционально приложенной силе.

Внешний вид экспериментальной обстановки представлен на Рис. 4.


Рисунок 4. Внешний вид установки.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА ИЗМЕРЕНИЙ

Измерения поверхностного натяжения жидкости проводить в следующей последовательности.

1. Подвесить на свободном конце измерительной пружины подходящую демонстрационную скобку.

2. Опустить демонстрационную скобку в кювету с жидкостью, затем немного опустить кювету до образования в пространстве между проволокой скобы и поверхностью жидкости пленки жидкости.

3. Медленно опуская кювету с жидкостью, заметить по шкале динамометра, при какой силе разорвалась пленка.

4. Вычислить коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости по формуле



где – сила (Н), – длина перекладины скобы, указанная на футляре (м).

Определение коэффициента поверхностного натяжения провести не менее пяти раз в каждой из следующих жидкостей.

1. Вода при комнатной температуре.

2. Нагретая вода (40-50 градусов С).

3. Мыльный раствор.

Результаты всех измерений и вычислений записать в таблицу по образцу ниже. Для каждой из трех жидкостей заполнить отдельную таблицу.

ТАБЛИЦЫ
Таблица № 2.1

№ п/п	t0C	F1, Н	Δ F1,Н	S, Н	Δ F,Н	ε	l Δl,м	Εе	Εδ	σ Δσ

---

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Причины возникновения силы поверхностного натяжения жидкости.
   
2. 
   Какой физический смысл коэффициента поверхностного натяжения?
   
3. 
   Объясните явления смачиваемости, несмачиваемости, капиллярности.
   
4. 
   Изменяется ли поверхностное натяжение от присутствия другого вещества?
   
5. 
   Какое вещество называется поверхностно-активным?
   

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Кикоин А.К. Кикоин И.К. «Молекулярная физика», Наука, М, 1976г.
   
2. 
   Яковлев В.Ф. «Курс физики», «Теплота и молекулярная физика». Просвещение, М 1976г.
   
3. 
   Сивухин Д.В. «Общий курс физики», Т. II, - М.: Физматлит, 2005.
   

---

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

ЦЕЛИ РАБОТЫ:

1. 
   Изучить явление теплового расширения и найти величину коэффициента линейного расширения различных металлов .
   
2. 
   Найти величину коэффициента линейного расширения различных металлов.
   

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

1. 
   Прибор для определения коэффициента линейного расширения твердых тел.
   
2. 
   Образцы.
   
3. 
   Термометр лабораторный.
   
4. 
   Барометр
   

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
При нагревании твердые тела, как правило, увеличивают свой объем. Это явление называется тепловым расширением. Рассмотрим причины, приводящие к увеличению объема тела при нагревании.

Повышение температуры кристалла означает увеличение энергии тепловых колебаний атомов в решетке, а, следовательно, и рост амплитуды этих колебаний. Но увеличение амплитуды колебаний атомов не обязательно приводит к увеличению среднего расстояния между ними. Если бы колебания атомов были строго гармоническим, то теплового расширению бы не было. В действительности атомы в кристаллической решетке совершают ангармонические колебания. Это обусловлено характером зависимости сил взаимодействия между атомами с изменением расстояния между ними.

Рассмотрим взаимодействие только двух атомов. Зависимость сил от расстояния такова, что при увеличении межатомного расстояния убывание сил притяжения между атомами происходит значительно медленнее, чем сил отталкивания. Соответственно, при уменьшении межатомного расстояния силы отталкивания возрастают значительно быстрее, чем силы притяжения. Такой характер сил взаимодействия приводит, во-первых, к тому, что потенциал взаимодействия имеет минимум при (положение этого минимума соответствует среднему по времени межатомному расстоянию при очень низких температурах), а, во-вторых, к тому, что вблизи минимума этот потенциал является асимметричной функцией координаты (Рис.5).

П
Рисунок 5. Потенциал взаимодействия двух атомов.
ри возрастании энергии (и амплитуды) колебаний атома вследствие повышения температуры, атом может постигать все более высоких значений потенциальной (сравните линии, соответствующие Т

---