23386

Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Лабораторная работа

Физика

Нехаенко Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости Методические указания к выполнению лабораторной работы № 3 по курсу молекулярной физики. Каждая молекула жидкости в течение некоторого времени колеблется около определённого положения равновесия после чего скачком переходит в новое положение отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. На молекулу жидкости со стороны окружающих её молекул действуют силы взаимного притяжения которые с расстоянием быстро убывают. Выделим внутри жидкости какуюлибо молекулу А...

Русский

2013-08-05

276 KB

19 чел.

PAGE  - 9 -

Московский государственный технический

университет им. Н.Э. Баумана.

Калужский филиал.

Т.С. Китаева, Р.В. Нехаенко

«Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости»

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 3

по курсу молекулярной физики.

Калуга 2007 г.

Целью настоящей работы является определение коэффициента поверхностного натяжения воды по методу отрыва кольца.

1. Теоретическая часть.

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твёрдым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твёрдых веществ.

Каждая молекула жидкости в течение некоторого времени колеблется около определённого положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного.

На молекулу жидкости со стороны окружающих её молекул действуют силы взаимного притяжения, которые с расстоянием быстро убывают. Следовательно, начиная с некоторого минимального расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние (порядка ) называется радиусом молекулярного действия , а сфера радиуса  - сферой молекулярного действия.

Выделим внутри жидкости какую-либо молекулу «А» и проведём вокруг неё сферу радиуса  (Рис. 1.).

Силы, с которыми молекулы, находящиеся внутри сферы, действуют на молекулу «А», направлены в разные стороны, и в среднем скомпенсированы.

Рис. 1. Положение молекул внутри жидкости и вблизи её поверхности («А» и «В»).

Поэтому результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю.

Если молекула «В» расположена от поверхности жидкости на расстоянии, меньшем чем , то сфера молекулярного действия расположена частично внутри жидкости, частично над жидкостью (в газе), при этом концентрация молекул газа мала по сравнению с их концентрацией в жидкости.

В силу этого равнодействующая сила , приложенная к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости.

Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой необходимо затратить работу, которая совершается силами, действующими на молекулу в поверхностном слое и отрицательна по знаку. В результате кинетическая энергия молекулы уменьшается, превращаясь в потенциальную энергию. То есть, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная (избыточная) потенциальная энергия молекул поверхностного слоя жидкости называется поверхностной энергией . Она пропорциональна площади слоя :

,                                                                                                                      (1)

где  -  коэффициент поверхностного натяжения.

Откуда

                                                                                                                          (2)

Условием устойчивого равновесия жидкости является минимум поверхностной энергии. Это означает, что жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объёме она имела наименьшую площадь поверхности (форму шара), то есть жидкость стремится сократить площадь свободной поверхности. В этом случае поверхностный слой жидкости можно уподобить растянутой упругой плёнке, в которой действуют силы поверхностного натяжения. Эти силы направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярны участку контура, на который они действуют.

Рассмотрим поверхность жидкости, ограниченную замкнутым контуром  (Рис. 2.). Под действием сил поверхностного натяжения свободная поверхность жидкости сократилась, и рассматриваемый контур переместился из положения (1) в положение (2). (Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярны участку контура, на который они действуют.)

Силы, действующие со стороны выделенного участка на граничащие с ним участки, совершают работу:

,

где  - сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости.

Тогда

                                                                                              (3)

Эта работа (3) совершается за счёт уменьшения поверхностной энергии:

                                                                                                                         (4)

Рис. 2. Поверхность жидкости, ограниченная замкнутым контуром .

Сравнивая выражения (1), (3), (4), имеем:

                                                                                                                             (5)

То есть коэффициент поверхностного натяжения  равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность.

Единица измерения коэффициента поверхностного натяжения в СИ - ньютон на метр,  или джоуль на квадратный метр, .

Большинство жидкостей при температуре  имеют коэффициент поверхностного натяжения порядка . Так для воды эта величина равна .

Коэффициент поверхностного натяжения с повышением температуры уменьшается, так как увеличивается среднее расстояние между молекулами жидкости.

Кроме того,  существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкости.

Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Например, по отношению к воде к ним относятся спирты, мыло, нефть, и др.

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

2. Экспериментальная часть.

Существует ряд методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Рассмотрим один из них - метод отрыва кольца.

Суть метода состоит в том, что измеряются силы, которые необходимо приложить, чтобы оторвать тонкостенное металлическое кольцо от поверхности жидкости - воды.

Экспериментальная установка представляет собой стойку A, на которой укреплена миллиметровая шкала S для измерения удлинения пружины с указателем С, чашечкой В и кольцом К. Кроме этого имеются два сосуда М и N с водой, соединённые резиновой трубкой, и столик R (Рис. 3.).

Рис. 3. Экспериментальная установка для определения коэффициента поверхностного натяжения воды по методу отрыва кольца.

Согласно определению (5) коэффициент поверхностного натяжения равен:

,

где  - сила поверхностного натяжения, действующая по длине окружности  внешнего и внутреннего диаметров кольца. Для её определения кольцо К приводится в соприкосновение с водой, а затем отрывается от неё. В момент отрыва кольца от поверхности воды сила поверхностного натяжения  равна силе натяжения пружины.

Длина  находится по формуле:

,                                                                                                                 (6)

где ,  - внешний и внутренний диаметры кольца.

Если толщина кольца , то .

Тогда

                                                                                                                 (7)

Следовательно:

                                                                                                               (8)

Измерив силу поверхностного натяжения , а также диаметр кольца  и толщину кольца , по формуле (8) можно рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды.

3. Выполнение эксперимента.

1. Градуировка пружины C и построение градуировочного графика.

На чашечку B положить поочерёдно гирьки  (грамм-сила), , , , , отмечая в делениях соответствующие значения указателя на шкале S. Результаты измерения записать в таблицу №1.

Таблица № 1. Градуировка пружины C.

1

2

3

4

5

Построить график зависимости  на миллиметровой бумаге, отложив по горизонтальной оси , по вертикальной оси .

2. Определение силы поверхностного натяжения .

Кольцо K привести в соприкосновение с водой. Для этого наклонённый сосуд N необходимо поднимать вверх так, чтобы вода могла перетекать в сосуд M до тех пор, пока кольцо слегка коснётся поверхности воды. Вода начнёт подниматься по стенкам кольца, а само кольцо несколько втянется внутрь жидкости. Этот эффект можно заметить по небольшому растяжению пружины.

Затем сосуд N медленно опускать, при этом следить за указателем пружины, так как пружина начинает постепенно растягиваться.

В момент отрыва кольца от поверхности воды записать положение указателя пружины по шкале в делениях (). Измерение следует повторить три раза, записывая каждый раз , , .

Сила поверхностного натяжения, действующая по длине внешнего и внутреннего диаметров кольца, в момент отрыва его от поверхности воды равна силе натяжения пружины.

По графику зависимости  определить силы поверхностного натяжения , ,  в грамм-силах, соответствующие значениям , ,  в делениях.

3. По формуле (8) вычислить , , , подсчитать результат в СИ. При этом , , .

4. Вычислить среднее значение коэффициента поверхностного натяжения воды и погрешности измерений.

1) Среднее значение :

,

где .

2) Относительная погрешность измерений:

,

где ,

      - среднее значение положений указателя пружины, ,

     ,

     .

3) Абсолютная погрешность измерений:

.

4) Окончательный результат:

.

5) Результаты измерений и вычислений занести в таблицу № 2.

Таблица № 2.

NN n/n

1

2

3

4. Контрольные вопросы.

1. Объясните механизм возникновения поверхностного натяжения жидкостей.

2. Физический смысл и единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

3. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения для данной жидкости?

4. Почему коэффициенты поверхностного натяжения для различных жидкостей различны?

5. Литература.

1. Савельев И.В. «Курс общей физики: учебное пособие». Т. 2. М., Наука, 1988.

2. Трофимова Т.И. «Курс общей физики: учебное пособие для вузов». 2 изд. М., Высшая школа, 1990.

3. Физический практикум под редакцией В.И. Ивероновой: учебное пособие. М., Наука, 1967.

4. Савельев И.В. «Курс общей физики в пяти книгах». М., АСТРЕЛЬ. А.С.Т., 2003.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42423. Полные системы булевых функций. Многочлен Жегалкина. Теорема Поста 60 KB
  Цель работы: овладение навыками представления булевых функций в виде полинома Жегалкина. Теоретическая часть Таблицы истинности булевых функций сростом числа аргументов становятся громоздкими и неудобными. Более удобный аналитический способ задания булевых функций основан на рассмотрении двузначной алгебры Поста с операцией суперпозиции над множеством булевых функций.
42424. Минимизация булевых функций методом Квайна 686 KB
  Теоретическая часть Рассмотренные выше совершенная дизъюнктивная и конъюнктивная нормальные формы СДНФ и СКНФ используются для первоначального представления заданной переключательной функции через функции основной системы. Но эти формы не удобны для построения логических схем ЭВМ так как часто содержат элементы которые можно исключить при синтезе схем исходя из других форм представления функции. Существует ряд эффективных способов нахождения минимальной ДНФ булевой функции. Применяемая в методе Квайна операция неполного склеивания...
42425. Функциональные схемы 435 KB
  Такие схемы встречаются в электронных устройствах используемых в компьютерах калькуляторах телефонных системах и ряде других устройств. Постановка задачи синтеза логических схем По аналогии с тем как из трех элементарных частиц  протонов нейтронов и электронов порождаются различные химические элементы которые соединяясь в молекулы образуют вещества всей живой и неживой природы из трех простейших логических схем  дизъюнктора конъюнктора и инвертора можно образовать сколь угодно сложные функциональные схемы соответствующие...
42426. Нечёткие множества 218 KB
  Стандартное четкое множество строится на основе математической конструкции отсеивающей из универсального множества некоторую часть его элементов. То есть фактически любое множество определяется этим самым свойством или набором свойств S и объединяет некоторое количество не обязательно конечное счетное элементов обладающих свойством S. А теперь давайте попробуем из всей бесконечности всего в нашей Вселенной в которой очевидно есть место и для таких объектов как вода и стаканы сформировать множество на основе вполне понятного...
42427. Фракталы 803.5 KB
  Цель работы: ознакомиться с фрактальными структурами в физических системах и явлениях и научиться их программировать. Как подступиться к моделированию каскадных водопадов или турбулентных процессов определяющих погоду Фракталы и математический хаос подходящие средства для исследования поставленных вопросов. Термин фрактал относится к некоторой статичной геометрической конфигурации такой как мгновенный снимок водопада.
42428. Проектирование RAM 304 KB
  Из-за наличия всего одной шины и для адреса и для данных необходимо ввести дополнительный регистр для чтения в него адреса и следовательно требуется добавить команду записи адреса с шины в регистр. Тогда структурная схема имеет вид: Тогда система команд имеет следующий вид: not RS not CS not WE MO 1 X X M 0 0 0 WR 0 0 1 RD 0 1 X Запись адреса в RG ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕГИСТРА Регистр адреса состоит из 10 одноразрядных регистров-триггеров. Следовательно схема регистра адреса для 1го разряда будет иметь вид: Полный регистр:...
42429. Проектирование FM 364 KB
  Ячейка выбираеться по адресу и записываеться по сигналу WR Синхросигнал для ячейки за адресом 000000 Синхросигнал для ячейки за адресом 011001 Синхросигнал для ячейки за адресом 101111 последней 48 ячейки Проектирование однорозрядного триггера: Проектирование разрешения выдачи сигнала: У нас будет три схемы разрешения управляющего сигнала. Схема iтой ячейки FM Общая схема FM.
42430. Проектирование AU 284.5 KB
  Оценить сложность полученной схемы и её быстродействие.C 0100 X 1 C 0000 0000 0000 5 R2 = R2R3 0100 1 0 X 0001 0010 0001 6 R1 = R1 1 0110 1 0 X 0000 xxxx 0000 7 R4=R41 0110 1 0 X 0011 xxxx 0011 2 R5=R1xorR3 0001 0 0 X 0000 0010 0100 Коды операций из 2 лабораторной: 0 0000 P 0011 P 1 0110 P Q 0100 P Q 0001 CIопределяет арифметическая операция или логическаяучитывание переноса F3F2F1F0 код операции F разрешение левого сдвига D сдвигаемый разряд Схема арифметического...
42431. Проектирование СPU 410 KB
  Сигнал F управляет сдвигом ICTR счетчик команд т. длина команды 24 бит счётчик увеличивается на 3 учитывая адрес RM 10битный и счётчик такой же разрядности. IRG регистр команд состоит из 3 байт COP блок управления операциями формирует управляющие сигналы Сi CCRG регистр признаков: Сперенос О переполнение S знак Z ноль. Кодирование и структура команд CPU O LO 4 бита кода МО LSM 4 бита F0F1F2F3 для LSM 2 4битных адреса операндов FM 23 x 24 x 24 = 211 разновидностей операций FR RF 1 бит для направления...