12518

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Лабораторная работа

Физика

Тема: ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ Цель: Изучение поверхностного натяжения жидкостей и определение коэффициента поверхностного натяжения. Теория. Рассмотрим силы действующие на молекулы одна из котор...

Русский

2013-04-30

123.5 KB

60 чел.

Тема: ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Цель: Изучение поверхностного натяжения жидкостей и определение коэффициента поверхностного натяжения.

Теория.

Рассмотрим силы, действующие на молекулы, одна из которых  находится в глубине жидкости, а другая  – у ее поверхности внутри тонкого пограничного слоя (рис.1). Молекула  испытывает действие сил притяжения со стороны других молекул, симметрично расположенных вокруг нее. Равнодействующая сил притяжения в этом случае равна нулю. Молекула , расположенная у поверхности жидкости, окружена молекулами той же жидкости не со всех сторон. Следовательно, равнодействующая сил притяжения  отлична от нуля и направлена в сторону жидкости нормально к ее поверхности и жидкость как бы стремится втянуть в себя молекулы, т.е. уменьшить свою поверхность.

Для перемещения молекулы из глубины жидкости на ее поверхность необходимо совершить работу по преодолению сил сцепления между молекулами, эта работа расходуется на увеличение поверхности жидкости на бесконечно малую величину  необходимо затратить работу

     (1)

где  - коэффициент поверхностного натяжения, который численно равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Знак - указывает на то, что увеличение поверхности () сопровождается отрицательной работой, совершаемой внешней силой над жидкостью. Эта работа расходуется на изменение потенциальной энергии молекул s, образующих поверхностный слой. Энергия, приходящая на единицу поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения.

     (2)

Всякая система стремится к такому из возможных для нее состояний, при котором ее потенциальная энергия минимальна. В рассматриваемом случае это состояние достигается, когда площадь ее поверхности имеет наименьшее для данного объема значение. Если жидкость совершенно свободна, т. е. не ограничена стенками сосуда и не подвержена действию внешних силовых полей, то любой объем жидкости стремится принять форму сферы, так как из всех тел заданного объема сфера имеет наименьшую поверхность. Это означает, что должны существовать силы, препятствующие увеличению поверхности жидкости. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Всякая система стремится к такому из возможных для нее состояний, при котором ее потенциальная энергия минимальна. В рассматриваемом случае это состояние достигается, когда площадь ее поверхности имеет наименьшее для данного  объема значение. Если жидкость совершенно свободна,. т.е. не ограничена стенками сосуда и не подвержена действию внешних силовых полей, то любой объем жидкости стремится принять форму сферы, так как из всех тел заданного объема сфера имеет наименьшую поверхность. Это означает, что должны существовать силы, препятствующие увеличению поверхности жидкости. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Однако большие объемы жидкости не принимают форму сферы, так как сила тяжести значительно превосходит силы поверхностного натяжения. В известном опыте Плато вес жидкой капли уравновешивается архимедовой выталкивающей силой. Для этого в раствор спирта с водой Плато добавил небольшое количество не растворяющегося в нем прованского масла. При этом концентрация раствора принималась такой, чтобы его плотность была равна плотности масла. В этом случае вес капли уравновешивался выталкивающей силой и поверхностное натяжение становилось единственным фактором, определяющим ее форму: капля масла принимала форму шара.

Проиллюстрируем действие сил поверхностного натяжения опытами с тонкими жидкими пленками. В этих опытах явления, связанные поверхностным натяжением, можно изучать в наиболее чистом виде, так как исключаются эффекты, обусловленные объемными свойствами тел.

Возьмем проволочную рамку, сторона которой подвижна (рис.2). Если опустить рамку в мыльный раствор, она затянется тонкой пленкой. Пленка стремится сократить свою поверхность и перемещает подвижную перекладину  на расстояние . Чтобы вернуть рамку в начальное положение, к перекладине нужно приложить силу , равную удвоенной силе поверхностного натяжения F (силу F удваиваем, так как пленка имеет две поверхности). Работа, совершенная силой , равна:

    (3)

По определению поверхностного натяжения работа  может быть представлена в виде:

    (4)

Приравнивая выражения (3) и (4), получим:

.     (5)

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения может быть определен так же , как величина, равная силе, действующей по касательной к поверхности жидкости, приходящейся на единицу длинны раздела.

Затянем проволочное кольцо пленкой и поместим на нее петлю из гибкой нити . Первоначально нить принимает произвольную форму. Если разрушить пленку внутри петли, она растягивается в окружность. Это показывает, что силы поверхностного натяжения нормальны к линии раздела.

Температурная зависимость коэффициента поверхностного натяжения для большинства жидкостей выражается следующей линейной функцией:

    (6)
где  - коэффициенты поверхностного натяжения при  и  соответственно;  – коэффициент, зависящий от свойств жидкости. Уравнение (6) показывает, что коэффициент поверхностного натяжения уменьшается с повышением температуры жидкости. Действительно, с повышением температуры среднее расстояние между молекулами увеличивается, вследствие чего силы молекулярного взаимодействия, а следовательно, и силы поверхностного натяжения, ослабевают.

Методика определения коэффициента поверхностного натяжения.

Метод капель. Если объем жидкости мал, то она принимает форму близкую к сферической, так как в этом случае силы поверхностного натяжения превышает силу тяжести благодаря малой массе жидкости. Сферическую форму имеют, например, капли, выходящие из трубки небольшого диаметра . Капля постепенно растет, но не отрывается, пока сила поверхностного натяжения превышает силу тяжести капли. При некоторых размерах капли, когда ее вес  достигает величина, равной силе поверхностного натяжения, капля отрывается. Следовательно, в момент отрыва справедливо равенство (5):

,      (7)
где
l – периметр шейки капли в момент отрыва; r - радиус шейки. Периметр шейки не удвоен, так как капля, в отличии от пленки, имеет одну поверхность.

Определив вес капли и радиус ее шейки в момент отрыва, можно легко рассчитать  по формуле (7).

Задание 1

Определить поверхностное натяжение жидкости методом отрыва капель из бюретки, в которой находиться исследуемая жидкость. Кран открывается таким образом, чтобы из бюретки падали капли.

Перед моментом отрыва капли сила тяжести ее равна силе поверхностного натяжения, т.е.

     

     

получаем .

Учитывая, что ,

где d – диаметр капли, можно записать

 ,

dб – диаметр канала узкого конца бюретки.

Методика выполнения задания:

  1.  Собрать установку и наполнить бюретку водой.
  2.  Измерить диаметр канала узкого конца бюретки при помощи штангенциркуля.
  3.  Определить массу пустого сосуда для сбора капель (m1).
  4.  Под бюретку подставить взвешенный сосуд и плавно открывая кран, отсчитать 50 капель.
  5.  Измерить массу сосуда с каплями, определить массу капель m2
  6.  Зная количество капель n, рассчитать массу одной капли .
  7.  Опыт повторить 2 раза с количеством капель 70 и 100.
  8.  Вычислить коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле)

 σ = Mg/2πRn

  1.  Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.
  2.  Найти среднее значение σ, сравнить полученный результат с табличным значением.

n

m1

m2

M

σ

σср

E

∆σ

 

Контрольные вопросы.

  1.  Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения.
  2.  Как зависит коэффициент поверхностного натяжения от температуры? Почему?
  3.  Какую форму принимает жидкость малых объемов под действием сил поверхностного натяжения и почему?
  4.  Измениться ли результат вычисления, если диаметр канала трубки будет меньше? Почему?

Литература:

1. Трофимова Т.И. «Физика в таблицах и формулах» - Высшее образование, М., 2004 – 431с.

2. Александров Н.В., Яшкин А.Я. «Курс общей физики. Механика.» - Просвещение, М., 1978 – 416с.

3. Ционенко Д.А., Качкар Г.В. «Лабораторные работы (практикум) по курсу «Общая физика» для студентов всех специальностей» - Барановичи, 2000.



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81357. Виконання рішення про відібрання дитини 22.11 KB
  Під час виконання рішень про відібрання дитини державний виконавець провадить виконавчі дії з обовязковою участю особи якій дитина передається на виховання із залученням представників органів опіки і піклування а при потребі представників органів та установ освіти медичних працівників. У разі потреби державний виконавець може звернутися до суду з поданням про вирішення питання про тимчасове влаштування дитини до дитячого чи лікувального закладу...
81358. Особливості виконання рішення про виселення боржника 26.52 KB
  Щодо справ про виселення державний виконавець надає боржнику термін для добровільного виконання до 15 днів. Відсутність боржника повідомленого про день і час виселення не є перешкодою для виконання виконавчого документа. Якщо виконання здійснюється за відсутності осіб що виселяються то державний виконавець зобовязаний провести разом з описом майна його оцінку.
81359. Особливості виконання рішення про вселення стягувача 26.19 KB
  Примусове вселення полягає у забезпеченні державним виконавцем безперешкодного входження стягувача в приміщення указане у виконавчому документі та його проживання перебування у ньому. Після одержання виконавчого документа про вселення стягувача державний виконавець установлює строк для добровільного його виконання боржником. У разі добровільного виконання рішення про вселення стягувач і боржник підписують акт який передається державному виконавцеві разом із заявою стягувача про повернення йому виконавчого документа.
81360. Виконання рішення про заборону діяльності об’єднань громадян 24.42 KB
  Державний виконавець розпочинає виконання рішення про заборону діяльності обєднання громадян за заявою передбаченого законом легалізуючого органу на підставі виконавчого документа про примусовий розпуск даного обєднання громадян. Легалізуючий орган подає цю заяву до державної виконавчої служби після офіційного повідомлення в друкованих засобах масової інформації
81361. Оскарження дій (бездіяльності) державних виконавців та інших посадових осіб Державної виконавчої служби 29.8 KB
  В разі ж порушення прав та інтересів громадян законодавець надав можливість сторонам та іншим учасникам виконавчого провадження два шляхи оскарження дій посадових осіб державної виконавчої служби: адміністративний до вищестоящої посадової особи та судовий до суду. Стаття 40 Конституції України встановлює основоположні засади адміністративного порядку оскарження дій бездіяльності державних виконавців та передбачає що всі мають право направляти індивідуальні та колективні письмові звернення або особисто звертатися до органів державної...
81362. Особливості здійснення виконавчих дій відносно іноземних громадян, осіб без громадянства і іноземних організацій 21.8 KB
  Під час виконання рішень щодо іноземців осіб без громадянства та іноземних юридичних осіб які відповідно проживають перебувають чи зареєстровані на території України або мають на території України власне майно яким володіють самостійно або разом з іншими особами застосовуються положення цього Закону...
81363. Визнання та виконання рішень іноземних судів і арбітражі 23.62 KB
  Закону порядок виконання в Україні рішень іноземних судів і арбітражів встановлюється відповідними міжнародними договорами України цим Законом та іншими законами України. Клопотання про визнання і виконання рішення іноземного суду розглядається компетентним судом і після винесення ухвали про визнання та прийняття до виконання рішення іноземного суду на території України виписується виконавчий лист що і є основою для провадження виконавчих дій. Основою для виконання рішення іноземного арбітражу є наказ господарського суду та ухвала...
81364. Відповідальність за невиконання рішення, що зобов’язує боржника виконати певні дії, та рішення про поновлення на роботі 22.33 KB
  89 Закону у разі невиконання без поважних причин у встановлений державним виконавцем строк рішення що зобовязує боржника виконати певні дії та рішення про поновлення на роботі державний виконавець виносить постанову про накладення штрафу на боржника фізичну особу від десяти до двадцяти неоподатковуваних мінімумів доходів громадян; на посадових осіб від двадцяти до сорока неоподатковуваних мінімумів доходів громадян; на боржника юридичну особу від сорока до шістдесяти неоподатковуваних мінімумів доходів громадян та встановлює новий...
81365. Звільнення майна боржника з-під арешту, зняття арешту 27.57 KB
  Особа яка вважає що майно на яке накладено арешт належить їй а не боржникові може звернутися до суду з позовом про визнання права на майно і про звільнення майна зпід арешту. У разі прийняття судом рішення про звільнення майна зпід арешту або сплати боржником повної суми боргу за виконавчим документом до реалізації арештованого майна боржника майно звільняється зпід арешту за постановою державного виконавця яка затверджується начальником відповідного органу державної виконавчої служби додаток 40 не пізніше наступного дня коли...