Теория: Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри жидкости.

Как и любая механическая система, поверхностный слой жидкости, стремясь уменьшить потенциальную энергию, сокращается. При этом совершается работа A = σ∙∆S, где σ—коэффициент пропорциональности (выражается в Дж/м или Н/м), называемый поверхностным натяжением: σ=A/∆S, или σ=F/l, где F—сила поверхностного натяжения, l — длина границы поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение можно определить различными методами.

Метод отрыва капель.

Опыт осуществляют с бюреткой, в которой находится исследуемая жидкость (рис. 1, а). Открывают кран бюретки так, чтобы из бюретки медленно падали капли. Перед моментом отрыва капли сила тяжести её P=m _k ∙g равна силе поверхностного натяжения, граница свободной поверхности - окружность шейки капли (АВ на рис. 1, б). Следовательно, F=m _k ∙g l=πd .; σ=m_k∙g/(πd ). Опыт показывает, что d =0,9d , где d —диаметр канала узкого конца бюретки.

Ход работы:

1. Собрать установку по рис. 1, a и наполнить бюретку водой.

2. Измерить диаметр канала узкого конца бюретки, для этого ввести до упора в канал (Рис. 1) бюретки иглу соответствующей толщины, заметить то место, до которого она вошла, и микрометром измерить диаметр иглы в отмеченном месте. Измерения микрометром повторить несколько раз, поворачивая при этом иглу на определенный угол. Если результаты измерения будут различаться, взять их среднее значение.

3. Определить массу пустого сосуда для сбора капель, взвесив его.

4. Подставить под бюретку сосуд, в котором была вода, и, плавно открывая кран, добиться медленного отрывания капель (капли должны падать друг за другом через 1-2 с).

5. Под бюретку с отрегулированными каплями подставить взвешенный сосуд и отсчитать 100 капель.

6. Измерив массу сосуда с каплями, определить массу капель.

7. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.

8. Вычислить поверхностное натяжение по формуле

9. Опыт повторить 1—2 раза с другим количеством капель.

10. Найти среднее значение σ ; сравнить полученный результат с табличным значением поверхностного натяжения с учетом температуры.

11. Определить относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

Номер опыта	Масса	Число капель, n	Диаметр канала бюретки d, м	Поверхностное натяжение σ, Н/м	Среднее значение поверхностного натяжения σср, Н/м	Табличное значение поверхностного натяжения σтабл, Н/м	Относительная погрешность σ, %
пустого сосуда m1, кг	сосуд с каплями m2, кг	Капель m, кг

2. Капиллярный метод

Капиллярность – явление подъема или опускания жидкости в сосудах с малым внутренним диаметром. При равновесии жидкости в капилляре сила поверхностного натяжения уравновешивает силу тяжести mg = σ2πR. Масса столба жидкости равна m = ρV = ρπR²h. Исходя из условия равновесия жидкости в капилляре σ = ρghR/2.

Ход работы:

1. Измерьте внутренний диаметр капиллярной трубки штангенциркулем, воткнув туда иголку до упора и отметив её положение над трубкой в этом месте.

2. Опустите капиллярную трубку в сосуд с подкрашенной водой и измерьте высоту поднятия жидкости.

3. Определите коэффициент поверхностного натяжения воды и сравните его с табличным значением 0,072 Н/м.

Контрольные вопросы.

1. Почему поверхностное натяжение зависит от вида жидкости?
2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?
3. В двух одинаковых пробирках находится одинаковое количество капель воды. В одной пробирке вода чистая, в другой — с прибавкой мыла. Одинаковы ли объемы отмеренных капель? Ответ обоснуйте.
4. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?
5. Почему в варианте 1: а) рекомендуется проводить измерения для возможно большего числа капель? б) следует добиваться медленного падения капель?
6. Какие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ) и почему?
7. Какого диаметра должны быть капилляры, поднимающие воду с глубины 2 м на высоту 3 м в дереве?
8. Каковы свойства тел в жидком состоянии?

 

Лабораторная работа №5.