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

18 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

11785. Изучение основных правил работы в интерактивном режиме системы MatLab 45.5 KB
  Лабораторная работа №7 Изучение основных правил работы в интерактивном режиме системы MatLab. MatLab одна из популярных и тщательно проработанных систем автоматизации математических расчетов. Этот пакет широко используется во всем мире при решении задач связанных с...
11786. Программирование в MatLab и табулирование функций 120 KB
  Лабораторная работа №7 Программирование в MatLab и табулирование функций Цель работы Дальнейшее изучение прикладного пакета и освоение основных элементов программирования. Порядок выполнения лабораторной работы Создать 2 отдельных Мфайла содержащих каждый ...
11787. Анализ рынков с помощью ресурсов Интернета 216.5 KB
  Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Мировые информационные ресурсы Анализ рынков с помощью ресурсов Интернета Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов специальности 080801.65 Прикладна...
11788. Работа с сервисами в Интернете 304 KB
  Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Мировые информационные ресурсы Работа с сервисами в Интернете Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов специальности 080801.65 Прикладная информатика
11789. Работа со специализированными базами данных в Интернете 732.5 KB
  Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Мировые информационные ресурсы Работа со специализированными базами данных в Интернете Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов специальности 080801.6...
11790. Средства поиска информации в Интернете 907 KB
  Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Мировые информационные ресурсы Средства поиска информации в Интернете Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов специальности 080801.65 Прикладная инфо
11791. Работа в виртуальной машине Microsoft Virtual PC 259.48 KB
  Отчёт по лабораторной работе №1: Работа в виртуальной машине Microsoft Virtual PC Список причин выключения компьютера раздела Shutdown Event Tracker: Other Planned – Выключение или перезагрузка по неизвестной причине. Выберите эту опцию если другие причины выключения/перезагру
11793. Современное состояние и перспективы развития токсикологии отравляющих и аварийно-опасных химических веществ (АОХВ) 106 KB
  В настоящее время в РФ функционирует более 3.5 тыс. объектов, на которых имеются СДЯВ. Суммарная площадь загрязнения при потенциальных авариях может захватить территорию, на которой проживает более трети населения страны. Статистика последних лет свидетельствует, что ежегодно происходит около 50 крупных аварий с выбросов СДЯВ