Порядок виконання роботи:

Завдання 1.

1. Налити воду в пароутворювач і ввімкнути його в мережу.

2. На технічних терезах визначити масу мідного тіла з точністю до 1 г.

3. Ввести тіло в нагрівач і зачинити його. Через отвір в кришці нагрівача вставити термометр.

4. Зважити калориметр і знайти m₂.

5. Налити в калориметр води приблизно до ½ висоти і знову зважити його. Різниця між масою калориметра з водою і масою пустого калориметра дає масу води m_1.

6. Коли температура в нагрівачі досягне 60-70 ˚С, визначити температуру води в калориметрі Т₂, нагрітого тіла T₁ в нагрівачі і швидко опустити нагріте тіло в калориметр з водою.

7. Повертаючи калориметр з підставкою з боку на бік і перемішуючи тим самим воду, домогтися встановлення рівноважної температури T₀.

8. За даними експерименту визначити зміну ентропії ΔS системи за формулою (9), приймаючи табличні значення питомих теплоємностей.

Результати подати в таблицю:

Тіло	m	m1	m2	c	c1	c2	T1	T2	T0	ΔS

Завдання 2.

Зробити все, що вказано в завданні 1, для алюмінієвого тіла.

Дайте відповідь на запитання:

1. Збільшується чи зменшується ентропія у вивчених процесах?

2. Чому зміни ентропії для випадків нагрітих мідного і алюмінієвого тіл виявляються різними?

Лабораторна робота № 20.

Дослідження поверхневого натягу води.

Прилади та приладдя: вимірювальна установка, металеве кільце, штангенциркуль, різноваги, чашка Петрі, дистильована вода, розчини мила, цукру та кухонної солі.

Мета роботи: засвоїти один з методів вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу рідини.

Коротка теорія та метод вимірювання

В поверхневому шарі будь-якої рідини товщиною близько 10^–9 м діють незрівноважені сили молекулярного тиску, які призводять до появи сил поверхневого натягу. Сили молекулярного тиску в поверхневому шарі спрямовані перпендикулярно до поверхні рідини і стискують нижче розташовані шари. Поверхневий шар є своєрідною плівкою, що обтягує рідину і стискує її.

Для того, щоб розірвати поверхневу плівку рідини, потрібна деяка сила, спрямована по дотичній до поверхні рідини. Для характеристики індивідуальних властивостей різних рідин вводиться фізична величина (коефіцієнт поверхневого нааатягу), що чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, діючій по дотичній до поверхні рідини, яка припадає на одиницю довжини контура, перпендикулярного до напрямку дії сили. Коефіцієнт поверхневого натягу (α) дорівнює:

α = F / l. (1)

Щоб довести, що α є індивідуальною характеристикою рідини, розглянемо детальніше стан молекул в поверхневому шарі рідини.

На відміну від молекул, що знаходяться всередині об’єму рідини, на молекули поверхневого шару діють сили з боку молекул, що наповнюють напівпростір з боку рідини. Рівнодіюча окремих сил спрямована по нормалі всередину рідини і втягує молекули поверхневого шару в об’єм рідини. На місце молекул, що залишили поверхню рідини, із об’єму рідини надходять інші молекули, але такі, енергія котрих в середньому більша за середню енергію молекул всієї рідини. Отже, поверхневий шар рідини формується з молекул, повна енергія яких більша, ніж у молекул в об’ємі рідини. Поверхневий шар рідини має надлишкову енергію в порівнянні з будь якими молекулами, виділеними в рідині.

При збільшенні поверхні рідини на ΔS її надлишкова поверхнева енергія підвищується на деяку величину ΔW, тому на збільшення поверхні на одну одиницю потрібна питома надлишкова поверхнева енергія

w = ΔW / ΔS. (2)

Я

L F

Рис.1

Розглянемо роботу зовнішньої сили, що збільшує поверхню плівки рідини (рис. 1). Хай на дротяний каркас натягнуто мильну плівку. Правий бік каркасу рухомий. Подіємо на цю сторону силою F вздовж поверхні рідини в напрямку нормалі до сторони.

кщо переміщення вздовж напрямку дії сили дорівнює Δx, то сила виконує роботу , яка дорівнює добуткові величини F на Δx: A = F Δx. Силу F визначимо , згідно з (1), як α l, де l - довжина рухомої боковиці каркасу. Тоді виконана робота може бути подана як

A = α l Δx. (3)

Ця робота пішла на збільшення надлишкової поверхневої енергії рідини, яку, згідно з ( 2 ), можна подати як W = w ΔS. Прирівнюючи останнє значення виразу з ( 3 ), одержимо

α l Δx = w ΔS ,

звідки знаходимо

α = w ΔS / (l Δx ) = w. (4)

тому що lΔx саме і є величина збільшення поверхні ΔS. Отже, коефіцієнт поверхневого натягу рідини чисельно дорівнює питомій поверхневій надлишковій енергії рідини. Енергетичні характеристики індивідуальні, вони залежить від складу рідини. Так, чиста вода має при кімнатній температурі коефіцієнт поверхневого натягу майже 0,07 Н/м. Добавка до води жирних кислот або мила значно знижує коефіцієнт поверхневого натягу. Такі домішки називають поверхнево активними речовинами.

Як зазначалось, силу поверхневого натягу можна виміряти, розриваючи поверхневий шар рідини. В даній роботі застосовується відрив кільця від змочуючої його рідини. При підйомі кільця з рідини разом з ним підіймається частина рідини. Якщо знехтувати вагою цієї рідини, то основне зусилля визначається силами поверхневого натягу. Згідно з рис. 2, сила поверхневого натягу, діюча на зовнішню поверхню кільця у відповідності з (1), дорівнює:

F = α l = α [π D + π ( D – 2b ) ] = 2 α π ( D – b ),

де b - товщина стінки кільця ; D - зовнішній діаметр кільця.

За виміряною силою з останнього співвідношення знаходимо коефіцієнт поверхневого натягу:

F

b

d

Установка в даній роботі виключає необхідність зважування кільця, а застосовується для безпосереднього вимірювання сили F. Кільце підвішують на нежорстку пружину і підіймають

α = F / 2π ( D - b ) (5)

Рис.2

столик, на якому встановлюється посудина з досліджуваною рідиною. Після змочування нижнього краю кільця столик повільно опускають на шкалі реєструють його найбільше опускання в момент відриву кільця від рідини. Після цього навантажують чашечку над кільцем різновагами і домагаються того ж розтягування пружини, що і в момент відриву кільця від рідини. Вага різновагів при цьому дорівнює силі F.

Знайдене значення сили F використовують для обчислення коефіцієнта поверхневого натягу за ( 5 ).