Свойства жидкости. Поверхностное натяжение, смачивание

Определение коэффициента вязкости жидкости

Методические указания к выполнению лабораторной работы

ЕТИ. Ф.ЛР.16.

г. Егорьевск 2014

Составители: _____________ В.Ю. Никифоров, ст. преподаватель ЕНД

В методических указаниях даны основные определения молекулярной физики и термодинамики, рассмотрены: свойства жидкости, в т.ч. поверхностное натяжение, смачивание, уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости, понятия вязкости (внутренние трение) жидкости, ламинарное и турбулентное течений жидкости, рассмотрены методы измерения коэффициента вязкости, в частности метод Стокса, экспериментальное определение коэффициента вязкости по методу Стокса.

Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 280700 Техносферная безопасность для лабораторных работ по дисциплине "Физика".

Методические указания обсуждены и одобрены на заседании учебно-методической группы (УМГ) кафедры ЕНД

(протокол № ___________ от __________г.)

Председатель УМГ _____________ Г.Г Шабаева

Определение коэффициента вязкости жидкости

1 Цель работы: ознакомиться с физической сущностью явления вязкости жидкости. Научиться измерять коэффициент вязкости методом Стокса.

2 Оборудование и материалы: Высокий цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью, лабораторные весы, стальные шарики, линейка, штангенциркуль или микрометр, секундомер, мерный цилиндр.

Содержание работы

3.1.Изучить теоретический материал

3.2. Подготовить конспект лабораторной работы

3.3. Ответить на контрольные вопросы.

3.4. Определить коэффициент вязкости машинного масла.

3.5. Оформить отчет по работе.

Теоретические сведения к работе

Свойства жидкости. Поверхностное натяжение, смачивание.

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. Жидкости, подобно твёрдым телам, обладают определённым объёмом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся.

Между молекулами вещества действуют силы молекулярного притяжения и отталкивания. На рисунке 1 изображена зависимость сил отталкивания и притяжения двух соседних молекул от расстояния между их центрами. Равнодействующая сил притяжения и отталкивания, действующих на каждую молекулу, изображена пунктирной линией. Эта равнодействующая дважды обращается в нуль — при расстояниях 2r_м и r₀. Условно r_м называют радиусом молекулы, а r₀— радиусом сферы молекулярного действия (r_м≈10^-8см; r₀≈10^-6см).

Рисунок 1 Качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния r между молекулами

Когда расстояние между центрами молекул становится меньше r_м превалируют силы отталкивания.

Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними. Поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны и газ занимает предоставленный ему объем. Как и газ, жидкость принимает форму того сосуда, в который она заключена. Но в жидкостях в отличие от газов среднее расстояние между молекулами остается практически постоянным

В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя кинетическая энергия теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

Рентгеноструктурный анализ жидкостей показал, что характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, т. е. нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел характерен дальний порядок в расположении частиц, т. е. упорядоченность в их расположении, повторяющаяся на больших расстояниях. Для жидкостей характерен ближний порядок в расположении частиц, т. е. упорядоченность в их расположении, повторяющаяся на расстояниях, сравнимых с межатомными.

Теория жидкости до настоящего времени полностью не разработана. Разработка ряда проблем в исследовании сложных свойств жидкости принадлежит Я. И. Френкелю (1894—1952). Тепловое движение в жидкости он объяснял тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости, и диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах.

С повышением температуры частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул. На каждую молекулу жидкости со стороны окружающих молекул действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием (см. рисунок 1); следовательно, начиная с некоторого расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние (порядка 10^-9 м) называется радиусом молекулярного действия r₀, а сфера радиуса r₀ — сферой молекулярного действия.

Проведем вокруг какой-либо молекулы сферу радиусом r₀.

Рисунок 2 Схема притяжения молекулы в сфере молекулярного действия

Центральная молекула притягивается ко всем молекулам, находящимся внутри этой сферы (рисунок 2). Если в пределах сферы молекулярного действия плотность вещества одинакова, то равнодействующая сил притяжения, I действующих на центральную молекулу, равна нулю. Если же плотность вещества неодинакова, то равнодействующая сил молекулярного притяжения не равна нулю и направлена в сторону большей плотности. Поэтому на каждую молекулу поверхностного слоя толщиной r₀ действуют силы молекулярного притяжения, перпендикулярные поверхности и направленные в глубь жидкости (рисунок 3). Под действием этих сил молекулы стремятся уйти с поверхности в глубину.

Вместе с тем молекулы поверхностного слоя обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с молекулами, находящимися в глубине жидкости. Устойчивое равновесие жидкости связано с минимумом потенциальной энергии, т. е. с минимально возможной в данном состоянии величиной поверхности жидкости.

Рисунок 3 Поведение молекул жидкости в поверхностном слое

Между молекулами поверхностного слоя, как показывает опыт, действуют силы поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности перпендикулярно любой линии на поверхности жидкости. Можно предположить, что молекулы поверхностного слоя расположены на расстояниях, несколько больших 2r_м (см. рисунок 1), эти расстояния уменьшаются по мере удаления от поверхности и становятся несколько меньше 2r_м на глубине эти расстояния уменьшаются по мере удаления от поверхности и становятся несколько меньше 2r_м на глубине.

Суммарная энергия частиц жидкости складывается из кинетической энергии их теплового движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо совершить работу против действующих в этом слое сил. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем частицы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемая поверхностной энергией пропорциональна площади слоя ΔS:

ΔЕ = σΔS, (1)

где σ — поверхностное натяжение, определяемое дополнительной энергией единицы поверхности слоя.

Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, т. е. форму шара. Наблюдая мельчайшие капельки, взвешенные в воздухе, можем видеть, что они действительно имеют форму шариков, но несколько искаженную из-за действия сил земного тяготения. В условиях невесомости капля любой жидкости (независимо от ее размеров) имеет сферическую форму, что доказано экспериментально на космических кораблях.

Итак, из-за наличия поверхностной энергии поверхность жидкости стремится сократиться, т. е. ведет себя так, как будто она заключена в упругую растянутую пленку, стремящуюся сжаться. В действительности же никакой пленки, ограничивающей жидкость снаружи, нет, так как поверхностный слой состоит из тех же молекул, что и вся жидкость, но молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости.

Поверхностное натяжение σ равно силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность. Единица поверхностного натяжения — ньютон на метр (Н/м), или джоуль на квадратный метр (Дж/м2). Этот коэффициент зависит от рода жидкости, т. е. от соотношения свободной поверхностной энергии и энергии молекулы в глубине жидкости, а также от плотности жидкости, так как от нее зависит число молекул единицы поверхности. Большинство жидкостей при температуре 300 К имеет поверхностное натяжение порядка 10-2 – 10-1 Н/м. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению к воде является мыло.

Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой.

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, схематически изображенную на рисунке 4, в то время как ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю (рисунок 5). В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором — не смачивает. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом.

Рисунок 5 Поведение несмачивающей твердую поверхность жидкости

Поиск по сайту: