Теория работы и описания приборов

Жидкость состоит из молекул, между которыми действуют силы сцепления в пределах радиуса межмолекулярного взаимодействия. Если молекула «А» находится внутри жидкости на глубине ниже радиуса межмолекулярного взаимодействия, то силы, действующие на молекулу «А» со стороны окружающих молекул уравновешены. Если молекула «А» находится на поверхности жидкости или на глубине меньше радиуса межмолекулярного взаимодействия, то результирующая сил межмолекулярного взаимодействия направлена внутрь жидкости. В результате на поверхности жидкости образуется упругая пленка, стремящаяся сократить свою поверхность. Поверхностный слой обладает дополнительной поверхностной энергией, а силы, действующие на пленку называются силами поверхностного натяжения.

За меру поверхностного натяжения принимают величину коэффициента поверхностного натяжения, который равен силе поверхностного натяжения приложенный к единице длины линии разрыва пленки, направленный по касательной к поверхности пленки перпендикулярно линии разрыва.

Единица измерения коэффициента поверхностного натяжения . Коэффициент поверхностного натяжения можно определить по способу отрыва капли. Если из стеклянной трубки будет капать жидкость, то капля оторвется от трубочки только тогда, когда ее вес будет равен (или незначительно больше) силе, удерживающей каплю от падения. Капля оторвется под действием ее веса, а сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю от падения может быть записана

                                                                                                                                                (1)

где F – сила поверхностного натяжения,

 – длина окружности шейки капли в момент отрыва (рис. 8),

 – коэффициент поверхностного натяжения,

r – радиус шейки капли.

В момент отрыва капли ее вес равен силе поверхностного натяжения P = F или

                                                                                                                                             (2)

здесь m – масса капли.

Из равенства (2) можно определить . Но из за трудности определения радиуса шейки капли применяют относительный метод определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Если через один и тот же капилляр (бюретку) пропускать две разные жидкости, для одной из которых известен коэффициент поверхностного натяжения, то можно определить коэффициент поверхностного натяжения для второй жидкости. В расчетную формулу, вывод которой здесь приводится, радиус шейки капли не входит. Жидкость пропускают через капилляр так, чтобы она протекала отдельными каплями.

                                                           рис 8 рис 9

Объем вытекающей жидкости связан с ее массой и плотностью формулой:

                                                                                                                                                     (3)

где m_ж – масса вытекшей жидкости, которая может быть выражена произведением массы одной капли на число капель;

V – объем жидкости,

r – плотность жидкости.

 

Для равных объемов двух вытекших из трубки жидкостей, количество капель в которых известно на основании формулы (3) можно записать:

                                                                                                                                                 (4)

                                                                                                                                               (5)

где N₁ и N ₂ – число капель каждой из жидкостей в данном объеме,

m ₁ – масса одной капли воды,

m ₂ – масса одной капли исследуемой жидкости,

r ₁ – плотность воды,

r ₂ – плотность исследуемой жидкости.

Подставив в (4) и (5) выражения массы одной капли из (2) и приняв (4) и (5) получим,

                                                                                                                (6)

Откуда коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости будет

                                                                                                                                        (7)

Для удобства расчета s ₂ в (7) в место N ₁ и N ₂ – чисел капель в каком либо определенном объеме можно взять число капель n ₁ и n ₂ каждой из жидкостей в единице объема, где

                                                                        ;

Тогда равенство (7) перепишем

                                                                                                                                          (8)

Работу выполняют на установке изображенной, на рис. 9.

Порядок выполнения работы

1. Открыв кран, подбирают скорость вытекания жидкости, позволяющую считать капли.

2. Отметив начальную высоту уровня жидкости, отсчитывают некоторые количество капель (80-100 капель) и закрывают кран.

3. Отмечают новое положение уровня жидкости и по их разности определяют объем вытекшей жидкости.

4. Опыт проделывают не менее трех раз с каждой жидкостью для разного количества капель.

5. Рассчитывают для каждого случая количество капель для единицы объема.

6. По формуле (8) вычисляют коэффициент поверхностного натяжения % исследуемой жидкости и определяют его среднее значение.

7. Результаты записывают в таблицу наблюдений.

 

Таблица наблюдений

Плотность воды (кг/м3)	r 1	1000
Плотность исследуемой жидкости (кг/м3)	r 2	800

 

№	V 1	N 1	n1	s 1	V2	N 2	n 2	s 2	< s 2 >
Ед. изм.	м3	–	м-3		м3	–	м-3
1
2
3

 

Указания к работе

1. 1 см³ = 10^{-6 м3}

2. Коэффицент поверхностного натяжения воды s ₁ определяют из графика зависимости его от температуры (рис. 5)

3. Плотность воды принять равной 10³

 

Контрольные вопросы

1. Вывести формулу (8) для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

2. Дать определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения.

3. Какова природа сил поверхностного натяжения?

4. Как направлены силы поверхностного натяжения в месте отрыва капли?

5. У какой из исследуемой жидкости число капель в единицу объема больше и почему?

6. Как зависит коэффициент поверхностного натяжения от температуры?