- •Сборник лабораторных работ по физике молекулярная физика
- •Содержание
- •Предисловие
- •Методические указания
- •Явления в газах
- •Работа № 21 определение термического коэффициента давления воздуха при помощи газового термометра
- •Описание установки и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 22 определение отношения ср/сv для воздуха методом клемана–дезорма
- •Методика измерений ср/сv и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 23 изучение распределения максвелла на механической модели
- •Описание установки и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Приложение связь параметров распределения максвелла с геОметрией доски гальтона
- •Вязкость газов и жидкостей
- •Работа № 24 определение вязкости воздуха по истечению из капилляра
- •Методика измерений и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 25 определение вязкости жидкости капиллярным вискозиметром пинкевича
- •Методика измерений и описание прибора
- •Порядок выполнения работы
- •Порядок выполнения работы.
- •Контрольные вопросы.
- •Приложение падение шарика в вязкой среде
- •Тепловые явления в твердых телах и жидкостях
- •Работа № 27 определение удельной теплоемкости твердых тел калориметрическим методом
- •Методика измерений и описание установки
- •Порядок выполнения работы.
- •Контрольные вопросы.
- •Работа № 28 определение коэффициента линейного расширения твердых тел
- •Методика измерений и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 29 определение температуры плавления твердых тел
- •Методика измерений и описание установки
- •Порядок выполнения работы.
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 30 определение коэффициента теплопроводности твердых тел
- •Методика измерений и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы.
- •Работа № 31 изучение процесса испарения воды
- •Введение
- •Описание установки и методика измерения удельной теплоты испарения
- •Порядок измерения удельной теплоты испарения воды
- •Методика измерения скачка температуры на свободной поверхности воды и описание установки
- •Порядок измерения скачка температуры на свободной поверхности воды
- •Контрольные вопросы.
- •Поверхностное натяжение
- •Работа №32 определение коэффициента поверхностного натяжения методом взвешивания капель.
- •Методика имерений и описание установки
- •Порядок выполнения работы.
- •Контрольные вопросы.
- •Работа № 33 определениекоэффициента поверхностного натяжения жидкости по высоте поднятия в капиллярах
- •Методика измерений и описание катетометра
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 34 исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры и концентрации растворенных в воде солей
- •Методика измерений и описание установки
- •Порядок выполнения работы задание 1. Определение постоянной прибора
- •Задание 2. Исследование температурной зависимости кпн воды
- •Задание 3. Исследование зависимости кпн от концентрации растворенных в воде солей
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Контрольные вопросы.
Что называется удельной теплотой парообразования? Чему она равна в критической точке?
Какой процесс называется кипением? Как температура кипения зависит от давления?
Чему равно изменение энтальпии тела при фазовом переходе?
Чему равно изменение внутренней энергии тела при фазовом переходе?
Как появляются облака? Почему они не падают на землю, ведь они состоят из капель воды, которая имеет плотность приблизительно в 103 раз большую, чем плотность воздуха?
Почему повешенное на улице выстиранное белье сохнет быстрее на ветру? Почему в теплую погоду оно сохнет быстрее, чем в холодную?
Поверхностное натяжение
(введение к работам № 32-34)
На молекулы вблизи поверхности жидкости действуют силы, направленные внутрь жидкости. Поскольку силы направлены всегда в сторону убыли потенциальной энергии, то это означает, что молекулы в поверхностном слое обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Поэтому жидкость стремится принять (при отсутствии внешних сил) форму с минимальной площадью поверхности, т. к. в таком состоянии жидкость имеет наименьшую потенциальную энергию. Наоборот, для того, чтобы увеличить площадь поверхности жидкости, необходимо совершить над жидкостью работу тем большую, чем больше увеличение площади поверхности жидкости S. Рассмотрим работу A, необходимую для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на S. Согласно сказанному, ее можно записать в виде:
A =S (1).
Величина носит название коэффициента поверхностного натяжения жидкости и численно равна работе, необходимой для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на единицу. Она зависит от температуры жидкости, а также от свойств той среды, с которой жидкость граничит. В справочниках приводятся значения для случая границы раздела жидкости и ее насыщенного пара. Практически то же самое значение имеет на границе жидкости и воздуха.
A=Fx.
С другой стороны, площадь поверхности уменьшается при этом на величину Lx и работа сил поверхностного натяжения будет тогда равна:
A=Lx.
Сравнивая эти выражения для работы, видим, что
=F/ L,
т. е. коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины контура, ограничивающего какой-либо участок поверхности жидкости. Причем сила эта направлена касательно к поверхности, перпендикулярно контуру.
Ясно, что всегда 0, иначе жидкость неограниченно увеличивала бы свою поверхность, понижая за счет этого свою энергию. Нетрудно также понять, что = 0, если температура жидкости равна критической. В самом деле, в критическом состоянии свойства жидкости и ее насыщенного пара одинаковы и это означает, что энергия молекул всюду одна и та же и в жидкости и в ее паре, тем самым и = 0. Поэтому, как следует из сказанного, с ростом температуры должна убывать. В довольно широком интервале температур эту зависимость можно считать линейной:
= – aT (2)
где а - некоторая положительная постоянная, зависящая от природы жидкости.
Если в жидкости растворить посторонние вещества, то в поверхностном слое преимущественно должны скапливаться атомы и молекулы тех веществ, которые понижают поверхностное натяжение, так как тем самым энергия поверхности жидкости уменьшается. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ) (например, к ПАВ относятся мыло, жирные кислоты и т. д.).
Наоборот, молекулы тех веществ, наличие которых повышает поверхностное натяжение, стремятся уйти из поверхностного слоя.
Так как жидкость стремится уменьшить свою поверхность, то это означает, что по разные стороны поверхности жидкости давление будет разным. Строгий анализ показывает, что давление меньше в той среде, в сторону которой граница жидкости обращена своей выпуклостью. Разность давлений по разные стороны поверхности дается формулой Лапласа:
(3)
где R1 и R2 – радиусы кривизны во взаимно перпендикулярных сечениях (для сферической поверхности R1=R2=R, для цилиндрической R1=R, R2=).
В капиллярах за счет этого дополнительного давления жидкости поднимаются или опускаются (в зависимости о того, смачивают или не смачивают они поверхность капилляра) на высоту:
(4)
где –краевой угол, – плотность жидкости, r– радиус капилляра.
При полном смачивании (=0) формула (4) приобретает вид:
(5)
Существуют различные методы измерения коэффициента поверхностного натяжения. С некоторыми из них вы познакомитесь в работах № 32–34.