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

65021. Посмертный титул Бату-хана 28.5 KB
  Однако современники Бату никогда не использовали этот титул. Он не встречается в трудах Джувейни и Джузджани, Киракоса Гандзакеци и Вардана Аравелци или в сочинениях западных авторов — Иоанна де Плано Карпини, Симона де Сен-Кантена и Вильгельма де Рубрука.
65022. Мужской союз, дружина и гвардия у монголов: преемственность и конфликты 157.5 KB
  Мужской союз дружина и гвардия у монголов: преемственность и конфликты Употребляя в заглавии данной работы термин мужской союз автор невольно вынужден значительную ее часть посвятить доказательству тезиса о существовании организаций...
65023. ТУРАНСКАЯ СИБИРЬ 76.5 KB
  История Сибири писалась прямо скажем весьма странным образом. Самая заметная странность это начало истории Сибири с тех пор как русские о ней услышали. В 1032 году новгородцы как записано в €œПовести временных лет впервые проникли в устье Оби и с этих пор в русской историографии отсчитывается история Сибири.
65024. Амир Темур и монета Термеза 761 год 53 KB
  Период распада чагатаидского улуса почти не нашел своего отражения в дошедших до нас письменных источниках поэтому монеты нередко становятся главным а иногда единственным тому свидетельством. Особый интерес представляют две различные медные посеребренные монеты чеканенные в Термезе в 761 г.
65025. Касимов: ханы, гробницы, ученые 90 KB
  Юбилей любого города - скорее повод к празднику, чем источник для познания истории. Свидетельство летописей об основании Городца Мещерского Юрием Долгоруким в 1152 году, хоть и названо специалистами...
65027. О локализации золотоордынского города Керман 42.5 KB
  В науке утвердилось мнение о существовании в золотоордынское время города Керман располагавшегося якобы возле деревни Альменьево в нынешней Чувашии который недолгое время чеканил собственную монету. Об этом кладе известно следующее...
65029. К вопросу о генеалогии ханов Золотой Орды в период «Великой Замятни» 249 KB
  Доминантным в комплексе кризисных явлений являлся династический кризис связанный со смертью Бердибека последнего потомка Батухана. После смерти Бердибека теоретически отныне легитимным мог считаться любой правитель нёсший в себе кровь 4 старших сыновей Чингизхана.