Контрольные вопросы

1. Какие свойства являются общими для различных физических маятников.

2. В чем состоит закон сохранения механической энергии?

3. Что такое момент инерции?

4. Как рассчитать моменты инерции материальной точки,

диска, кольца?

5. Как влияет на результат измерения момента инерции маятника Максвелла длина его нитей? Какие измеряемые величины при этом изменяются?

Литература

1. Cавельев И.В. Курс физики: Учебник в 3-х томах. Т.1: Механика. Молекулярная физика. М., - Наука, 1989. - 352 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов. 6-е изд. стер. – М., Высшая школа, 1999. – 542 с.

Лабораторная работа № I - 9 измерение коэффициента поверхностного натяжения

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения воды.

Приборы и принадлежности: штатив с кронштейном и подвижной платформой, пружинный динамометр, чашка для исследуемой жидкости, проволочные элементы в виде буквы П, исследуемая жидкость – дистиллированная вода.

Введение

Ряд наблюдений и опытов показывает, что тонкий поверхностный слой жидкости находится в особом состоянии, напоминающем состояния резиновой перепонки, натянутой равномерно по всем направлениям. На каждую единицу длины по любому направлению на поверхности пленки действует сила, зависящая от степени натянутости пленки. Такая сила, рассчитанная на единицу длины, называется коэффициентом поверхностного натяжения; она обозначается греческой буквой  (сигма).

Поверхностное натяжение можно объяснить с энергетической точки зрения. Каждая молекула жидкости взаимодействует с соседней молекулой посредством сил Ван-дер-Ваальса. Эти силы являются результатом взаимодействий всех электронов и ядер, входящих в данную молекулу, с электронами и ядрами соседней молекулы. Поскольку молекулы в целом электрически нейтральны, в поле соседних молекул они поляризуются и взаимодействуют обычно как электрические диполи. Внутри жидкости молекулы расположены на расстоянии (3 … 8)·10^-10 м, что приводит к быстрой экранировке электрических полей молекулярных диполей. Силы Ван-дер-Ваальса быстро убывают с ростом расстояния между молекулами, становясь практически незаметными при 10^-9 м (это радиус молекулярного действия).

Молекула, лежащая под поверхностью жидкости глубже 10^-9 м, подвергается притяжению окружающих молекул со всех сторон. Суммарная сила, действующая на такую молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю, а ее потенциальная энергия

,

где:

N-среднее число ближайших соседей молекулы (среднее координационное число);

(- ) - потенциальная энергия данной молекулы в поле соседней молекулы

(потенциальная энергия сил притяжения отрицательная).

В тонком поверхностном слое жидкости молекула взаимодействует лишь с молекулами внутренних слоев. Поэтому на эту молекулу действует результирующая сила направленная внутрь жидкости нормально к поверхности жидкости; для компенсации этой силы поверхностный слой жидкости несколько уплотняется. Потенциальная энергия молекулы в приповерхностном слое жидкости равна:

,

где - число “внутренних” соседей, с которыми данная молекула взаимодействует. Поскольку всегда  N, то молекула на поверхности жидкости обладает, по сравнению с молекулой внутри жидкости, дополнительной положительной потенциальной энергией :

 0.

Следовательно, поверхность жидкости обладает дополнительной потенциальной энергией (ее называют свободной энергией жидкой поверхности); эта энергия равна:

где:

n’- поверхностная концентрация молекул жидкости (число молекул на единицу поверхности),

S - площадь свободной поверхности жидкости.

За счет поверхностного натяжения возникает стремление жидкости к сокращению ее поверхности; оно сопровождается уменьшением суммарной поверхностной энергии. В итоге, наиболее устойчивое состояние поверхности жидкости характеризуется минимумом ее энергии. Жидкость ведет себя так, как если бы она была заключена в упругую растянутую пленку, стремящуюся сжаться.

Поскольку шар - геометрическое тело, имеющее при данном объеме минимальную поверхность, то жидкая капля в отсутствие внешних сил принимает шарообразную форму. При наличии внешних сил форма поверхности минимизирует сумму потенциальной энергии в поле этих сил и свободную энергию поверхности.

При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается и при критической температуре обращается в нуль.

Поверхностное натяжение различных жидкостей убывает с возрастанием температуры Т по закону:

где: V - молярный объем жидкости;

- критическая температура;

K - константа, значение которой для большинства жидкостей близко к 2,1.

Значение поверхностного натяжения конкретной жидкости различно в зависимости от того, находится ли над ней ее собственный насыщенный пар или же другой посторонний газ. В первом случае поверхностное натяжение жидкости имеет меньшее значение.

Для границы раздела двух несмешивающихся жидкостей поверхностное натяжение отличается от значений поверхностного натяжения каждой из жидкостей. Например, поверхностное натяжение на границе вода-бензол составляет 0,033 Н/м, тогда как для воды оно равно 0,073 Н/м, а для бензола 0,029 Н/м.

Поверхностное натяжение расплавленных солей: NaCl, KBr, KNO3 и др. при температуре имеет значение: 0,09-0,11 Н/м. Особенно высоко поверхностное натяжение у расплавленных металлов. Расплавленные свинец, медь и золото при температурах, немного превосходящих температуру плавления, имеют поверхностное натяжение около (0,5 … 0,6) Н/м. При пайке расплавленный припой собирается в шарики, что указывает на высокое поверхностное натяжение.