Порядок розрахунків:

1. Знайти масу води в калориметрі

2. Знайти масу сконденсованої пари

3. Підставити величини у формулу для розрахунку питомої теплоти паротворення r, знайти її величину в Дж/кг.

4. Знайти відхилення від табличної величини r_таб = 2,2510⁶ Дж/кг

5. Визначити похибку визначення r за формулою

де _т – похибка важку, _t – похибка термометру.

7. В остаточний результат записати r з похибкою і .

Лабораторна робота № 8.4 “Визначення коефіцієнта поверхневого натягу води”.

Мета роботи: вивчення взаємодії молекул рідини, зв’язку між параметорами цієї взаємодії і коефіцієнтом поверхневого натягу рідини, визначення коефіцієнта поверхневого натягу води.

8.4.1. Молекулярна структура рідини і поверхневий натяг.

Рідина – це одна з форм конденсованого стану речовини. Її молекули, знаходячись, в середньому, на малих (порядку 10^-10 м) відстанях, коливаються одна відносно одної. Характер взаємодії між ними на таких відстанях обумовлений залежністю потенціальної енергії Е_п однієї молекули від відстані r до іншої, розміщеної в початку координат. Графік цієї залежності представлений на рис.8.5.

Потенціальна енергія дорівнює алгебраїчній сумі потенціальної енергії притягання між молекулами (крива 1) і потенціальної енергії відштовхування між ними (крива 2). В якості наближеного вигляду потенціальної енергії часто використовується потенціал Леннарда-Джонса:

, (8.24)

д е E_min - модуль потенціальної енергії в точці мінімуму кривої на рис. 8.5, r – відстань між центрами молекул, - відстань, яка відповідає Е_П = 0 на кривій потенціальної енергії. Цю відстань можна вважати сумою радіусів двох молекул, або ефективним діаметром однієї молекули . Рідині відповідає такий стан молекул, коли їх середня кінетична енергія набагато менше глибини потенціальної ями, а середнє значення повної енергії приблизно дорівнює потенціальній енергії біля дна ями. Молекула коливається біля положення рівноваги r₀ , яке відповідає дну потенціальної ями. Аналізуючи рівняння Леннарда-Джонса (8.24), можна показати, що

(8.25)

У паковка молекул виявляється вельми щільною. Число найближчих сусідів в так званій першій коордінаційній сфері дорівнює 12. Це можна показати на моделі з куль однакового діаметру. В зв’язку з цим потенціальна яма молекули всередині рідини виявляється приблизно в 12 разів глибшою: Е_П = -12Е_min . Такого ж порядку буде і середнє значення повної енергії молекули:

<E> = -12E_min . (8.26)

Сили, які діють на молекулу з боку її сусідів, в середньому врівноважуються.

Інша ситуація спостерігається на поверхні рідини. Число найближчих сусідів молекули зменшується до 6 – в нижній півкулі (рис.8.6), тоді як в парі над рідиною середня відстань між молекулами збільшується в сотні разів, а взаємодія послаблюється практично до нуля. Потенціальна енергія, а разом з нею і середнє значення повної енергії молекули на поверхні по модулю зменшується:

<E> = -6E_min . (8.27)

Результуюча сила, яка діє на молекулу, вже не дорівнює нулю і спрямована по нормалі до поверхні всередину рідини (рис.8.6).

Поверхневий шар площею S рідини складається з

(8.28)

молекул, в чому можна впевнитись простим геометричним побудуванням. Цей шар має надлишкову, або поверхневу енергію:

(8.29)

де

(8.30)

- надлишкова енергія в розрахунку на 1м² поверхні, Дж/м².

Цю величину можна трактувати інакше. Так як енергія рівноважної системи повинна бути мінімальною, то рідина прагне скоротити свою поверхню. Це явище називається поверхневим натягом. Так, рідина в невагомості приймає найбільш економічну кульову форму, що доказане прямими досвідами на космічних кораблях. Краплі рідини, які падають, також мають практично кульову форму. В нерухомій посудині поверхня рідини приймає форму горизонтальної площини під дією двох сил: сили тяжіння і сили поверхневого натягу. Фізичну сутність останньої можна продемонструвати на такому досліді.

Уявимо плівку рідини, натягнуту на дротову рамку, одна з сторін якої (з довжиною l) може переміщуватись (рис.8.7). Завдяки прагненню поверхні зменшитись (із збільшенням товщини плівки), на дріт буде діяти сила, яку можна безпосередньо виміряти на рухомій частині рамки. З другого боку, ця сила F визначається як похідна від поверхневої енергії по координаті х зі знаком мінус:

(8.31)

О скільки поверхня плівки S = lx, то

F = l . (8.32)

Отже, коефіцієнт  з (8.30) є сила, віднесена до одиниці довжини периметра розділу двох середовищ, і називається коефіцієнтом поверхневого натягу рідини, Н/м = Дж/м².

Вимірювальна установка (рис.8.8) складається з технічних терезів 1, у яких на одне коромисло, окрім чашки, підвішене тонке алюмінієве кільце 2. Під кільцем на штативі зі столиком 3 розташована посудина з водою 4, температура якої вимірюється термометром 5. До комплекту входить електронагрівач води.

Якщо посудину 4 підвести під кільце 2 так, щоб воно нижньою основою торкалось поверхні води, то кільце начебто прилипне до неї за рахунок сили поверхневого натягу. Для відриву кільця від поверхні необхідно прикласти силу F. Відрив( а точніше, розрив поверхні) відбувається по двох колах, діаметри яких d₁ і d₂ дорівнюють зовнішньому і внутрішньому діаметрам кільця. Загальна довжина лінії розриву дорівнює:

l = d₁ + d₂ .

Позначивши товщину стінок кільця через h, маємо:

l = 2(d₁ – h)

і одержуємо робочу формулу: