книги / Физика твердого тела и конденсированных систем. Ч. 1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДЫ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: ознакомиться с одним из методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Приборы и принадлежности: катетометр КМ-8, капиллярная трубка, термометр, штатив, электроплитка.

Краткие теоретические сведения

У молекул жидкости ближний порядок, как у кристаллов, и дальний беспорядок, как у газов. В жидкостях среднее расстояние между молекулами больше, чем у кристаллов, и поэтому молекулы жидкости могут переходить из одних положений равновесия в другие. Молекулы жидкости удерживаются в положении равновесия упругими силами. Эти упругие силы обусловлены действием соседних молекул, расположенных на близком расстоянии. Если по отношению к какой-то молекуле М (рис. 1), находящейся внутри жидкости, соседние молекулы расположены симметрично, то равнодействующая всех сил, приложенных к молекуле М, равна нулю.

Молекулы жидкости, расположенные на поверхности, находятся в особом, состоянии, например молекула Mt. Действие на эти молекулы со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул пара или воздуха, и поэтому равнодействующая всех действующих на молекулу Mj молекулярных сил направлена внутрь жидкости нормально к ее поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости.

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эта избыточная энергия называется свободной поверхностном энергией или просто поверхностной энергией. Жидкость стремится сократить свою поверхность до наименьших размеров, чтобы уменьшить эту энергию. Это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением.

кривизной поверхности, направленное всегда в сторону вогнутой поверхности.

Величина добавочного давления над произвольной поверхностью вычисляется по формуле Лапласа

Ap=±aU +i"

где R| и R2 - радиусы кривизны поверхностного слоя. Если поверхность сферическая, то R\=R2и

Др = ± ^ ,

где R - радиус кривизны поверхности.

Этим добавочным давлением, т. е. давлением, обусловленным кривизной мениска, вызываются явления поднятия (а в случае несмачивающей жидкости - опускания) жидкости в капиллярах. Жидкость поднимается или опускается в капилляре до тех пор, пока добавочное давление не сравняется с гидростатическим давлением поднявшегося или опустившегося столба жидкости (рис. 2).

Если считать, что жидкость полностью смачивает поверхность трубки, то радиус кривизны мениска R совпадает с внутренним радиусом трубки г.

где р - плотность жидкости, h - высота ее поднятия, g - ускорение силы тяжести.

Из равенства (2) определяем коэффициент поверхностного натяжения:

a = r_pgh

( 3)

2

Капиллярные явления приходится учитывать в строительном деле, так как многие строительные материалы (песок, известь, бетон), керамические изделия, пористая глина, неглазированный фарфор пронизаны капиллярными ходами, по которым может проникать влага в помещения. Если твердое пористое гигроскопическое тело, содержащее влагу в капиллярах, начнет высыхать, то лишь часть капилляров окажется заполненной жидкостью. Возникающие вследствие этого капиллярные силы могут быть столь значительны, что это приведет к заметному сжатию твердого тела. Таков, повидимому, механизм усадки бетона при высыхании.

Описание установки

Катетометр - прибор, служащий для измерения вертикальных расстояний, недоступных для непосредственного измерения.

стся по колонке на шарикоподшипниках, установленных под углом 120°. Грубое перемещение каретки по вертикали производится от руки при открепленном винте 11 (см. рис. 3), точнее - с помощью микрометрического винта 12 при закрепленном винте 11.

Зрительная труба имеет фокусирующую линзу, с помощью которой осуществляется наводка на резкость изображения выбранных точек измеряемого объекта. Фокусирующая линза перемещается вращением маховичка 13. Внизу на тубусе зрительной трубы жестко укреплен высокоточный цилиндрический уровень 14. Уровень согласован с визирной осью зрительной трубы так, что при совмещении изображений концов пузырька уровня, как показано на рис. 4, визирная ось принимает строго горизонтальное положение. Установка зрительной трубы в вертикальной плоскости по уровню производится микрометрическим винтом 15 (см. рис. 3).

Наводка на резкость изображений масштабной сетки, штрихов шкапы, измеряемого объекта и пузырька уровня, наблюдаемых в одном поле зрения, производится окуляром 16.

Сменные насадочные линзы, позволяющие вести наблюдение объекта, расположенного на расстоянии 280-1810 мм до защитного стекла зрительной трубы, помещены в револьверном диске. Перемещение диска производится