Послідовність виконання роботи

1. Визначити на технічних терезах масу m_T будь-якого з досліджуваних тіл. Після цього опустити тіло у нагрівач.

2. Налити воду в нагрівач і увімкнути його.

3. Поки вода нагрівається разом з досліджуваним тілом в нагрівачі, підготуйте калориметр для наступних вимірювань.

У водомірну склянку налийте 30-50 см³ води. Визначіть за довідковою таблицею густину води при кімнатній температурі та обчисліть масу води за формулою m_b = V. Після цього вилийте воду у калориметричну склянку і виміряйте температуру t_o води в калориметричній склянці за допомогою термометра.

4. Після того, як у нагрівачі закипить вода, запишіть температуру t^o₁. киплячої води і, почекавши 2-3 хв , вимкніть нагрівач. Витягніть нагріте тіло з нагрівача і швидко опустіть його у калориметричну склянку. При цьому за допомогою термометра необхідно якомога точніше зафіксувати максимальне значення темпера­тури t^o . Питомі теплоємності калориметра C_K, води C_b, досліджуваного тіла C_Tта маса m_K калориметричної склянки вказані на робочому місці (див. папку до роботи).

5. Виміряні величини m_T, V_b, , t^o_o, t^o₁, t^o а також величини, які вказані на установці, занести до табл. 22.1.

6. За формулою (22.І) обчислити зміну ентропії системи.

7. Обчислити абсолютну і відносну похибки визначення S, вважаючи, що S = f(t^o_o, t^o₁, t^o,m_T).

Примітка: Питому теплоємність C_M та масу мішалки m_M можна не враховувати.

Таблиця 22.1

Номер досліду

mT

Vb

too

mb

to1

to

b

mK

CK

Cb

CT

Контрольні запитання

1. Поясніть у чомуполягає різниця між оборотним та необоротним процесами?

2. Чому всі реальні процесиє необоротними?

3. У чому полягає П закон термодинаміки ?

4. Поясніть фізичний зміст ентропії та вільної енергії.

5. Який процес називається рівноважним ? нерівноважним?

6. Як обчислити зміну ентропії в реальних процесах?

7. Виведіть робочу формулу для обчислення .

Властивості поверхневого шару рідини

У рідинах середня відстань між молекулами менша, ніж в газах, тому сили тяжіння між ними мають значну величину. Молекула, яка знаходиться в середині рідини, взаємодіє з навколишніми молекулами, і рівнодійна сил, які діють на цю молекулу, в середньому дорівнює нулю. На молекули, що знаходяться на поверхні рідини, діють більші сили з боку молекул рідини, ніж з боку пари та газу, що знаходяться над поверхнею рідини. Отже, в поверхневому шарі рідини виникає надлишковий молекулярний тиск, спрямований всередину рідини.

Перехід молекул з глибини рідини у її поверхневий шар потребує виконання роботи проти сил молекулярного притягання. Робота, яка витрачається на утворення поверхні рідини, призводить до збільшення потенціальної енергії молекул поверхневого шару. Тому поверхневий дар рідини має надлишкову вільну енергію.

Сталий стан - це є стан з мінімальним рівнем вільної енергії. Тому поверхня рідини прагне до зменшення. Наприклад, при відсутності зовнішніх сил рідина приймає форму кулі, тобто форму тіла, яке при даному об’ємі має мінімальну поверхню.

Для утворення одиниці площі поверхні рідини необхідно виконати певну роботу. Ця робота є мірою вільної енергії і визначає питому поверхневу енергію або коефіцієнт поверхневого натягу α.

Коефіцієнт поверхневого натягу є величиною, яка дорівнює відношенню роботи ізотермічного утворення поверхні рідини до площі означеної поверхні, тобто

і вимірюється в Дж/м² (в СІ).

Отже, у поверхневому шарі рідини виникають сили тяжіння між молекулами, що діють вздовж поверхні (сили поверхневого натягу). Сила поверхневого натягу F спрямована по нормалі до будь-якого елемента лінії L поверхні рідини:

.

Коефіцієнт поверхневого натягу  залежить від природи рідини і температури.

По відношенню до твердих тіл рідини поділяються на змочуючі та не змочуючі. Наприклад, у відношенні до скла вода є змочуючою рідиною, проте у відношенні до парафіну – не змочуючою. Ртуть у відношенні до скла – є рідиною не змочуючою, а у відношенні до платини - змочуючою.

Форма поверхні рідиниу посудині називається меніском. На рис. 22.2: а - меніск вгнутий, б - опуклий.

Молекули рідини взаємодіють не тільки з іншими молекулами рідини, а також з молекулами стінки посудини. Уявімо, що молекули знаходяться поблизу стінки біля точки А. Якщо сила взаємодії між молекулами рідини менша, ніж сила взаємодії між молекулами стінки та молекулами рідини, то рівнодійна буде спрямована у бік стінки (див. рис. 22.2 а). Поверхня рідини в рівноважних умовах встановлюється перпендикулярно силі. У даному випадку спостерігається змочування твердого тіла рідиною.

Якщо сила взаємодії між молекулами рідини більша, ніж сила взаємодії між молекулами стінок посудини та молекулами рідини, то рівнодійна буде спрямована всередину рідини. Це відповідає такому випадку, коли тверде тіло не змочується рідиною.

Кількісну оцінку змочування можна визначити за допомогою граничного кута θ. Граничний кут утворюється стінкою з дотичною до поверхні рідини, проведеною в точці перетину поверхні рідини із стінкою. Він відраховується зсередини рідини. При змочуванні , при повному змочуванні θ = 0, при незмочуванні , при повному незмочуванні .

Поверхня рідини є ніби розтягнута плівка, що намагається скоротитися, і при викривленні її виникає додатковий тиск P під поверхнею рідини.

Увипадку опуклої поверхніутворюється додатний тиск P, а у випадку ввігнутої поверхні – від’ємний (рис. 22.3).

Позначимо через P_o молекулярний тиск над плоскою поверхнею. Додатковий тиск під довільно викривленою поверхнею рідини визначається за формулою Лапласа :

,

де R₁ та R₂ - радіуси кривизни поверхні рідини в даній точці в двох взаємно перпендикулярних перерізах; α - коефіцієнт поверхневого натягу.

Якщо поверхня рідини сферична, то R₁ = R₂ = R (R - радіус сфери), тоді

P = 2/ R . (22.2)

Змочування чи незмочування наочно проявляється при занурюванні капілярних трубок у посудину з рідиною. Капілярні трубки мають невеликий радіус, і якщо рідина змочує капіляр, то рівень рідини в капілярі буде вищим, ніж у посудині, а при незмочуванні – нижчим.

Знайдемо висоту підняття (або опускання) рідини у капілярі. Розглянемо випадок, коли відбувається змочування (рис. 22.4).

Рівновага рідини настає, коли гідростатичний тискgh стовпа рідини врівноважує додатковий тиск P, зумовлений кривизною поверхні. Отже, коли P =gh, де ρ - густина рідини; h - висота підняття рідини в капілярі.

Якщо поверхня меніска у капілярі сферична, то з урахуванням формули (22.2)

.

З рис. 22.4 видно, що радіус кривизни меніска

,

де r - радіус капіляра.

Тому .

Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від природи рідини, середовища, з яким рідина стикається, і від її температури. З підвищенням температури поверхневий натяг зменшується і поблизу критичної температури наближається до нуля.

Лабораторна робота № 23

Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини

Мета роботи - вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу рідини методами відриву кільця і відриву крапель.