Установка лабораторная
Поверхностное натяжение в жидкости.
ФПТ1-14
Установка по молекулярной физике предназначена для проведения лабораторной работы «Измерение силы поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца» по курсу «Молекулярная физика и термодинамика» в высших учебных заведениях.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
-
- Материал кольца алюминий
- Размеры кольца: диаметр внешний, мм 58± 0,1 диаметр внутренний, мм 56± 0,1
- Точность измерения величины силы натяжения, % 3± 0,01 г.
- Максимальная величина измеряемой силы натяжения, г 199,99 г.
- Питание: 2 гальванических элемента 1,5 В, тип ААА.
- Габаритные размеры, мм, : 360х260х400
- Масса установки, кг не более 6
ПОРЯДОК РАБОТЫ
Краткие сведения из теории
Жидкости и газы по своим механическим свойствам очень похожи.
Поэтому их часто рассматривают и описывают одинаково, считая сплошными средами, не имеющими структуры.
Но если обратиться к молекулярному устройству жидкостей и газов, то станут очевидными различия, связанные с разным положением молекул в них. В жидкостях расстояние между молекулами гораздо меньше, чем в газах, молекулы «упакованы» значительно плотнее, поэтому имеют место некоторые особенности. Одна из таких особенностей – явление поверхностного натяжения, которое рассматривается в данной лабораторной работе.
Явление поверхностного натяжения заключается в стремлении жидкости сократить площадь своей поверхности. Это явление можно объяснить, основываясь на представлениях о молекулярном строении жидкостей.
На каждую молекулу жидкости со стороны других молекул действуют силы гравитационного притяжения:
F= G·m1·m2/R2
Где G = 6,6725 10-11 м3/(кг с2) – гравитационная постоянная, m1, m2 –массы взаимодействующих молекул; R – расстояние между центрами их масс.
Как видно из (1), силы притяжения между молекулами очень быстро убывают с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния между ними). Поэтому, начиная с некоторого «граничного» расстояния этими силами можно пренебречь. Это расстояние имеет величину порядка 10-9 м и называется радиусом молекулярного действия r. Сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия.
Итак, каждая молекула подвергается действию сил притяжения со стороны молекул, входящих в сферу молекулярного действия. Но молекулы, находящиеся за пределами этой сферы, не действуют на рассматриваемую молекулу (точнее, действием сил притяжения к ним можно пренебречь). Выделим некоторую молекулу жидкости, окруженную со всех сторон другими молекулами. Силы, действующие на нее, сосредоточатся внутри сферы молекулярного действия Эти силы направлены в разные стороны. А так как количество молекул внутри сферы молекулярного действия очень велико, то силы притяжения рассматриваемой молекулы к ним в целом скомпенсированы, и равнодействующая всех этих сил равна нулю (в этом можно легко убедиться возьмите любую молекулу внутри сферы молекулярного действия и найдите вторую молекулу, расположенную на таком же расстоянии, но с противоположной стороны от рассматриваемой молекулы).
Таким образом, молекула, находящаяся в объеме жидкости не испытывает на себе воздействия со стороны других молекул, так как их суммарное воздействие на рассматриваемую молекулу скомпенсировано.
Совершенно иная картина по сравнению с глубиной жидкости наблюдается на её поверхности. Здесь на любую рассматриваемую молекулу к не будут действовать силы со стороны молекул жидкости, находящихся внутри сферы молекулярного действия. Коренное различие заключается в том, что жидкость находится только с одной стороны от поверхности. С другой стороны находится газ или вакуум. Как уже было отмечено выше, расстояние между молекулами в газе значительно (на несколько порядков) превышает расстояние между молекулами в жидкости. Это
означает, что количество молекул газа, находящихся вблизи границы раздела жидкость – газ и могущих притягивать рассматриваемую молекул, несущественно и их воздействием мы вправе пренебречь. Следовательно, сфера молекулярного действия превращается в полусферу, и равнодействующая молекулярных сил уже не будет равна нулю.
Для того чтобы найти равнодействующую всех сил, действующих на рассматриваемую молекулу на поверхности жидкости, необходимо сложить силы, с которыми рассматриваемая молекула притягивается к каждой молекуле, входящей в сферу молекулярного действия. Для этого каждую такую силу следует представить в виде двух ортогональных составляющих: нормальную к поверхности жидкости и касательную к ней.