Лабораторная работа № 16 ауд. 408

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Цель работы: Выяснить физический смысл поверхностного натяжения жидкости и найти коэффициент поверхностного натяжения жидкости в различных условиях.

Приборы и принадлежности:

1. Динамометр типа ДНП.

2. Вода.

3. Мыльный раствор.

4. Вода горячая.

5. Термометр.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ.

Поверхностное натяжение жидкости обусловлено действием молекулярных сил. Жидкости, как и твердые и газообразные тела, состоят из молекул, между которыми действуют молекулярные силы сцепления. Эти силы весьма быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами. На расстоянии 10^{-7 см силы становятся столь незначительными, что ими можно пренебречь. Это предельное расстояние называется радиусом сферы молекулярного действия.}

Если молекула М занимает положение, при котором вся сфера её действия заполнена другими молекулами той же жидкости, то относительно молекулярных сил, действующих на неё, она находится в равновесии, т.к. равномерно притягивается во все стороны. Это равновесие нарушается, когда молекула находится у поверхности жидкости на глубине, меньшей радиуса молекулярного действия (например, молекула М₁, рис. 1.). Нижняя половина сферы заполнена жидкостью, тогда как часть верхней полусферы заполнена воздухом и паром, имеющими меньшую плотность. Поэтому притяжение со стороны нижележащих молекул будет больше, а равнодействующая всех действующих на молекулу М₁ молекулярных сил направлена внутрь жидкости нормально к её поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости.

Благодаря этому поверхностный слой

давит с большой силой на жидкость,

создавая в ней так называемое

внутреннее или молекулярное давление.

Это явление очень велико (для воды, М₁

например, около 11 10⁸н/м²). Молекулы

поверхностного слоя жидкости обладают

избытком энергии сравнительно с

молекулами, находящимися внутри М

жидкости. Эта избыточная энергия

называется свободной энергией или просто поверхностной энергией. Указанными свойствами поверхностного слоя обусловлено особое его состояние, которое подобно состоянию натянутой упругой плёнки, стремящейся сократить свою поверхность до малых размеров. Это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением.

Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и действует нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения δ, который численно равен силе φ, действующей на единицу длины произвольной линии l, мысленно проведенной на поверхности жидкости: δ= (1)

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Н/м. Из рассмотрения свойств поверхностного слоя можно показать, что коэффициент поверхностного натяжения численно равен свободной поверхностной энергии W, рассчитанной на квадратный метр поверхности жидкости S:

δ=

 

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Дж/м²

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры и от степени чистоты поверхности.

Существуют различные методы для определения численного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, образующих плёнку. Если, например, опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, в мыльный раствор, то вся она затянется пленкой жидкости. Силы поверхностного натяжения принуждают пленку сокращаться, и подвижная перекладина вслед за пленкой перемещается вверх. Чтобы сохранить ее в равновесии. К перекладине нужно приложить силу Р в виде груза. Таким образом, сила поверхностного натяжения, действующая в пленке, перпендикулярна к линии АВ, которая в данном случае и является линией раздела. Поверхностная сила φ, с учетом того, что пленка имеет две поверхности (ведь пленка на самом деле представляет собой тонкий слой жидкости), равна при равновесии весу груза Р: 2φ = Р, φ = Р/2. Если под действием этой силы перекладина, увлекаемая пленкой переместилась на расстояние dh из положения АВ, то работа, совершаемая силой равна:

d _A = φdh (2)

Работа эта равна уменьшению свободной энергии пленки, которая равна: dW = σdS. В данном случае dS = ldh, где l – длина рамки. Отсюда: d_A = dW

φdh = σldh.

σ = (3)

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Общий вид динамометра типа ДНП, наименование его деталей и узлов приведены на рис. 3.

1- плита штатива, 2- стойка штатива, 3- зажим с

винтами, 4- стержень динамометра, 5- динамометр,

6- демонстрационная петля, 7- чашка с жидкостью,

В 8- подставка, 9- шток, 10- корпус держателя, 11- винт

А Р держателя, 12- стержень держателя.

 

Рис. 2

Динамометр с демонстрационной петлей показан на рис. 4.

1- стержень, 2- стакан, 3- пружина измерительная, 4- стрелка, 5- шкала, 6- демонстрационная петля, 7- винт установочный, 8- стопорной винт, 9- корпус, 10- прямой конец пружины с зацепом.

 

Открытый зацеп предназначен для демонстрационной петли 6 с измерительной 3 динамометра. На прямом конце измерительной пружины закреплена стрелка 4, которая служит для отсчёта показаний динамометра. На прямом конце измерительной пружины

7 стрелка 4, которая служит для отсчета показаний

1 8 динамометра и одновременно является ограничителем,

не позволяющим растягиваться измерительной пружине

более 30 мм.

В корпусе 9 динамометра имеется два резьбовых отверстия.

В одно вворачивается стержень 1, при помощи которого

динамометр закрепляется в штатив. Во второе резьбовое

отверстие завинчен стопорный винт 8, который фиксирует

4 стакан 2 с измерительной пружиной 3 в вертикальном

5 положении.

Если стопорный винт отпустить, то стакан с измерительной

пружиной 3 при помощи специальной пружины (не видно

на рис.) устанавливается в верхнее крайнее положение. К

Рис. 4.

К корпусу динамометра прикреплена прозрачная шкала проградуированная в миллиньютонах-мН. Принцип работы динамометра основан на свойстве пружины растягиваться пропорционально приложенной силе.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА ИЗМЕРЕНИЙ

Измерения поверхностного натяжения жидкости проводить в следующей последовательности:

1. Медленно выворачивать винт держателя до тех пор, пока не разорвется пленка жидкости, тянувшая за демонстрационной петлей.

2. Заметить по шкале динамометра, при какой силе разорвалась пленка.

3. Вычислить коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости по формуле (3):

 

δ=

где: δ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости,

φ – сила (Н),

l – полупериметр петли, указанной на футляре (м).

Например, при измерении коэффициента поверхностного натяжения дистилированной воды при температуре +20⁰ С, применялась петля, полупериметр которой l=50 мм =

=0,050 м, поверхностная пленка разовалась при силе φ=7,0 мН=7 10^-3Н. Подставив данные эксперимента в вышеприведенную формулу, получим коэффициент поверхностного натяжения в единицах системы

 

δ=

Примечание: Определение коэффициента поверхностного натяжения провести не менее пяти раз в каждой из следующих жидкостей:

1. –вода при комнатной температуре,

2. –нагретая вода (40-50 градусов С)

3. –мыльный раствор.

 

Результаты всех измерений и вычислений записать в таблицу.

Таблица 1

 

	№	φ1 Н	Δ φ1,Н	S, Н	Δ φ,Н	ε,%	l Δl,м	Εе,%	Εδ,%	δ Δδ н/м
t0C

 

Для остальных жидкостей таблицы составить самостоятельно.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Причины возникновения силы поверхностного натяжения жидкости.

2. Какой физический смысл коэффициента поверхностного натяжения?

3. Объясните явления смачиваемости, несмачиваемости, капиллярности.

4. Изменяется ли поверхностное натяжение от присутствия другого вещества?

5. Какое вещество называется поверхностно-активным?

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Кикоин А.К. Кикоин И.К. «Молекулярная физика», Наука, М, 1976г.

2. Яковлев В.Ф. «Курс физики», «Теплота и молекулярная физика». Просвещение, М 1976г.

3. Сивухин Д.В. «Общий курс физики», «Термодинамика и молекулярная физика»., Наука М.,