ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Т–5
Оборудование: бюретка на штативе, два часовых стеклышка (или стаканчика), весы с разновесами, термометр.
Характер движения молекул в жидкости отличается от движения молекул в газах и твердых телах. В газах молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга и поэтому движутся хаотично. В твердых кристаллических телах молекулы, располагаясь в правильном периодическом порядке, образуют кристаллическую решетку. В расположении молекул в твердых телах существует “дальний порядок”, который распространяется на миллион межатомных расстояний. Тепловое движение молекул сводится к их колебаниям около положения равновесия.
В жидкостях дальний порядок отсутствует. Молекулы жидкости колеблются около своих временных положений равновесия, при наличии свободного места перескакивают в другие положения и начинают колебаться около них. С ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний и молекулы чаще покидают свои места. В расположении молекул в жидкости существует временный “ближний порядок” на расстоянии двух-трех молекулярных слоев.
Между молекулами жидкости действуют силы притяжения. Каждая молекула внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое притяжение во всех направлениях (внутреннее давление). Другое дело, когда молекула находится у поверхности и на нее действуют силы притяжения преимущественно с одной стороны.
Результирующая этих сил направлена внутрь перпендикулярно поверхности. Силы притяжения со стороны молекул газа над жидкостью незначительны. Ими можно пренебречь. Под действием результирующей силы, направленной внутрь, молекула погружается в жидкость, такое возможно для всех молекул поверхности. Но вследствие теплового движения другие молекулы изнутри выходят на поверхность. Втягивание молекул внутрь происходит с большой скоростью. То есть, поверхность жидкости стремится сократиться до минимума под действием сил поверхностного натяжения, направленных по касательной к поверхности жидкости и нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.
Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения s, который численно равен силе f, действующей на единицу длины произвольной линии l, мысленно проведенной на поверхности жидкости:
. (1)
Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в 
и 
или 
и 
.
Рис. 1
|
Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения).
В настоящей работе s определяется методом отрыва капель. Жидкость, вытекающая из узкой трубки, образует у нижнего отверстия каплю, которая перед отрывом принимает грушевидную форму. Отрыв капли происходит в тот момент, когда вес капли P сравняется с силой поверхностного натяжения f, действующей по окружности в более узкой части капли (рис. 1).
Коэффициент поверхностного натяжения определяется из условия равновесия:
, (2)
где d – диаметр шейки капли, приблизительно равный диаметру трубочки, из которой вытекает жидкость.
Следует заметить, что диаметр шейки капли измеряется с большим трудом. В настоящей работе s неизвестной жидкости определяется путем сравнения с s0 эталонной жидкости (воды). В самом деле, можно записать условия равновесия в момент отрыва для обеих жидкостей 
, 
; откуда:
, (3)
где 
– коэффициент поверхностного натяжения воды при комнатной температуре, p x и p 0 – соответственно вес одной капли исследуемой жидкости и эталонной.
ЗАДАНИЕ И ОТЧЕТНОСТЬ
1. Наполните бюретку дистиллированной водой, отрегулируйте краник бюретки так, чтобы за две минуты вытекало 20–30 капель.
2. Взвесьте на аналитических весах стаканчик (или часовое стеклышко), отсчитайте в стаканчик 60–80 капель и снова взвесьте. Определите вес одной капли p 0.
3. Наполните исследуемой жидкостью бюретку, отсчитайте в стаканчик 60–80 капель. Путем взвешивания определите вес одной капли p x.
4. Определите коэффициент поверхностного натяжения спирта по формуле (3).
5. Опыт повторите три раза. Определите среднее 
, 
и конечный результат запишите в виде 
в единицах Н/м.
6. Запишите результаты измерений в таблицу.
Таблица
| №№ | Nв | mв, кг | P0, Н | Nx | mx, кг | Px, Н | s, Н/м |  , Н/м
| Ds, Н/м |  , Н/м
|
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Чем отличается строение жидкости от строения твердых тел?
2. Как следует понимать выражение “ближний порядок” в жидкостях?
3. Что такое поверхностный слой в жидкости? Почему он обладает свойствами, отличными от свойств остальной массы жидкости?
4. Что такое поверхностное натяжение? Как направлены силы поверхностного натяжения?
5. Что такое коэффициент поверхностного натяжения?
В каких единицах он измеряется? Как находится значение коэффициента поверхностного натяжения в настоящей работе?
6. Какая жидкость называется смачивающей твердое тело и какая жидкость “не смачивающая тело”? Как объясняется это различие с точки зрения молекулярной теории? Что такое краевой угол и в каких пределах он может изменяться?
7. От чего зависит давление под изогнутой поверхностью в жидкости?
8. Что такое капилляр? В чем заключается капиллярное явление и как оно объясняется? От чего зависит высота поднятия или опускания жидкости в капиллярах?
РАСЧЕТЫИ ВЫВОДЫ