Розділ 2.6. Явища, які протікають на межі поділу фаз Основні формули

Коефіцієнт поверхневого натягу:

,

де F – сила поверхневого натягу рідини; - довжина периметру поверхні плівки.

Енергія поверхневого шару рідини:

,

де ΔS – зміна площі поверхні плівки.

Додатковий тиск, створений кривизною поверхні рідини

(формула Лапласа):

,

де R₁ та R₂ – радіуси кривизни двох взаємно перпендикулярних перетинів поверхні рідини.

Висота підняття рідини в капілярі:

,

де Θ – кут змочування; r – радіус трубки капіляра; ρ – густина рідини; g – прискорення вільного падіння.

Осмотичний тиск розчину

(закон Вант – Гоффа):

,

де ; m – маса; μ – молярна маса; V – об’єм; R – універсальна газова стала; Т – температура.

2.6.1. Задачі з поділу „Явища, які протікають на межі поділу фаз”

1. Спирт, крапля за краплею, витікає із посудини через вертикальну трубку діаметром 2 мм. Крапельки відриваються одна за одною з інтервалом в 1 с. Через який час витече 10 г спирту? Вважати діаметр шийки краплі на момент відриву рівним діаметру трубки.

2. Вода, крапля за краплею, витікає із посудини через вертикальну трубку діаметром 3 мм. При охолодженні води від 100º С до 20º С маса краплі змінилася на 13,5·10^-6 кг. Знаючи коефіцієнт поверхневого натягу води при 20º С, знайти коефіцієнт поверхневого натягу води при 100º С. Діаметр шийки краплі вважати рівним діаметру трубки.

3. Із вертикальної трубки з внутрішнім діаметром 2 мм витікає вода. Знайти радіус краплі на момент відриву. Краплю вважати сферою. Діаметр шийки краплі вважати рівним діаметру трубки.

4. Виділяється чи поглинається енергія при злитті двох однакових крапель в одну? Оцінити цю енергію.

5. Яку роботу проти сил поверхневого натягу необхідно виконати, щоб видути мильну кульку діаметром 4 см? Коефіцієнт поверхневого натягу α=4,3·10^-2 Н/м?

6. Визначити тиск повітря в повітряній кульці діаметром 10^-2 мм, яка знаходиться на глибині 20 см під поверхнею води.

7. Знайти, на якій глибині знаходиться повітряна кулька, якщо густина повітря в ній 2 кг/м³. Діаметр кульки 1,5·10^-2 мм, температура 20º С і атмосферний тиск 760 мм.рт.ст.

8. При визначені величини коефіцієнта поверхневого натягу методом крапель, число крапель води, які витекли з капіляра за час досліду дорівнює 20. Загальна маса крапель 0,937 г визначалась з точністю до Δm=1·10^-3 г. Діаметр шийки капіляра 1,9 мм визначався з точністю до 10^-1 мм. Вирахувати коефіцієнт поверхневого натягу, та його відносну похибку.

9. Визначити величину коефіцієнта поверхневого натягу і його відносну похибку для розчину, якщо для відривання від поверхні води кільця (прямокутного перерізу) з діаметром d_в=56 мм і D_з=60 мм була прикладена сила 3,5·10^-2 Н. Сила визначалась важільними терезами з точністю 2·10^-2Н, а діаметри кільця - штангенциркулем з точністю до 10^-1 мм.

10. На поверхню води поклали стальну голку, змащену жиром. Який найбільший діаметр голки, при якому вона ще може триматися на воді?

11. На скільки градусів зменшиться температура краплі після злиття, якщо крапельки були діаметром 1 мм кожна?

12. Безперервне поливання кімнатних квітів можна зробити за допомогою гніту (марлевого джгута). Підрахувати найбільшу різницю рівнів в посудині та вазоні, при якій можливе поливання. Пори гніту вважати циліндричними трубками діаметром 0,1 мм. Змочування вважати повним.

13. Який розмір повинні мати капіляри дерева висотою 15 м, щоб забезпечити вологою верхні листочки? Капіляри вважати циліндричними трубками, а змочування повним.

14. Дві однакові паралельні пластини занурені у воду так, що між ними утворюється відстань 0,3 мм. На яку висоту підніметься вода, якщо змочування буде повним?

15. Крапля води m=10^-4 кг знаходиться між двома паралельними і плоскими пластинами із скла. Чому дорівнює сила притягання між пластинами, якщо відстань між ними дорівнює 10^-6 м. Змочування вважати повним.

16. Визначити висоту підняття рідини біля нескінченої пластини, що змочується рідиною. Крайовий кут Θ, а коефіцієнт поверхневого натягу α.

17. Барометрична трубка заповнена ртуттю і має внутрішній діаметр, що дорівнює: а) 5 мм; в) 1,5 см. Чи можливо визначити атмосферний тиск безпосередньо за висотою ртутного стовпчика? Знайти висоту ртутного стовпчика в кожному із випадків, якщо атмосферний тиск 760 мм.рт.ст. Незмочування вважати повним.

18. Яку відносну похибку ми допускаємо при вимірюванні атмосферного тиску за висотою ртутного стовпчика, якщо зовнішній тиск 760 мм.рт.ст., а діаметр барометричної трубки: а) 5 мм; в) 10 мм. Незмочування вважати повним.

19. У дні посудини із ртуттю є отвір. Який найбільший діаметр отвору, якщо ртуть висотою 5 см не виливається?

20. Ареометр плаває у воді, яка повністю змочує його стінки. Діаметр циліндричної трубки ареометра дорівнює 9 мм. На скільки зміниться глибина занурення ареометра, якщо на поверхню води налити декілька крапель спирту?

21. Для визначення поверхневого натягу рідини зважують краплі, які відриваються від капіляра, і вимірюють діаметр шийки краплі в момент відриву. Виявилося, що 318 краплин рідини мають масу 5 г при діаметрі шийки 0,7 мм. Знайти коефіцієнт поверхневого натягу цієї рідини.

22. Два маленьких мильних міхура радіусами R₁ і R₂ зливаються в один радіусом R₃. Знайти коефіцієнт поверхневого натягу мильної плівки, якщо атмосферний тиск р_о.

23. Дві скляні пластинки шириною b розташовані вертикально у рідині так, що вони утворюють клин з малим кутом . Густина рідини , коефіцієнт поверхневого натягу рідини , а крайовий кут - . Складіть рівняння поверхні рідини між пластинами.

24. Оцінити осмотичний тиск етилового спирту масою 810^-3 кг (С₂Н₆О), розчиненого у 0,2 кг води при температурі 294 К. Дисоціацією молекул знехтувати.