67771

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ РАСТВОРА ОТ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Лабораторная работа

Физика

Наличие у жидкости свободной поверхности приводит к существованию особой категории явлений называемых поверхностными или капиллярными. Если сфера находится в жидкости то в ней этих молекул разумеется на несколько порядков больше чем в газе над поверхностью. Если молекулы находятся в приграничном...

Русский

2014-09-14

295 KB

8 чел.

Введите текст]

Лабораторная работа № 226

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА

ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ РАСТВОРА

ОТ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

    Принадлежности: экспериментальная установка,  набор растворов,  электроплитка.

    Введение. Наличие у жидкости свободной поверхности приводит к существованию особой категории явлений  называемых поверхностными или  капиллярными.    В поверхностных явлениях участвуют только те молекулы  которые находятся непосредственно у самой поверхности  в тонком слое толщиной  порядка радиуса молекулярного действия.

   Радиусом молекулярного действия называется расстояние , на которое распространяется действие молекулы, находящейся в центре сферы. Такая сфера называется сферой молекулярного действия. На рисунке 1,а точками отмечены молекулы, а кружками изображены сферы молекулярного действия. Центральная молекула взаимодействует с теми молекулами, которые оказались внутри сферы. Если сфера находится в жидкости, то в ней этих молекул, разумеется, на несколько порядков больше, чем в газе над поверхностью. Если молекулы находятся в приграничном слое толщиной 2 (сферы 2; 3; 4), то суммарная сила  f, действующая на них со стороны окружающих молекул, будет направлена внутрь жидкости (сила изображена стрелками различной длины). Величина этой силы в зависимости от положения молекулы относительно поверхности жидкости изображена на рисунке 1,б.

    Молекулы внутри жидкости или в газе (в сферах 1 и 5) окружены со всех сторон такими же молекулами с одинаковой плотностью и равнодействующая сила со стороны окружающих их молекул равна нулю.

    Чтобы выйти на поверхность жидкости, а тем более, перейти из жидкой в газовую фазу, молекула должна затратить энергию на преодоление этих сил. Поэтому потенциальная энергия молекулы  u в поверхностном слое превышает ее энергию внутри жидкости. Зависимость этой избыточной энергии от положения молекул относительно поверхности показана на рис. 1,в. Избыточная энергия всех молекул поверхностного слоя называется поверхностной энергией – U. Очевидно, что поверхностная энергия пропорциональна площади  S  свободной поверхности жидкости

,

где   – удельная поверхностная энергия, т.е. энергия  молекул на единице площади поверхности. Величину      измеряют  в единицах Дж/м2   или  эрг/см2.

    Как известно из механики, силы действуют всегда так, чтобы привести систему в состояние с наименьшей потенциальной энергией. В частности, и поверхностная энергия стремится принять наименьшее возможное значение (наименьшее S). Именно с этим связано стремление капелек жидкости  в газе (или пузырьков газа в жидкости)  принять сферическую форму  (рис.2); при заданном объеме шар обладает наименьшей из всех фигур поверхностью.

         Тенденция свободной поверхности к сокращению обусловлена касательными к свободной поверхности жидкости силами f. Эти силы перпендикулярны к воображаемой линии   l   на поверхности жидкости. Таким образом, на линию, ограничивающую какой-либо участок поверхности  действуют силы, направленные перпендикулярно этой линии  по касательной к поверхности  (рис. 2). Сила, отнесенная к единице длины контура, называется  коэффициентом  поверхностного натяжения. Итак,

,      (1)

– коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Единица измерения коэффициента поверхностного натяжения Н/м  или дина/см. Можно показать, что численно =. Величина коэффициента поверхностного натяжения зависит от природы жидкости. Она уменьшается с повышением температуры и обращается в нуль при критической температуре, где исчезает различие между жидкостью и паром.

    Стремление свободной поверхности жидкости к сокращению приводит к тому, что давление под искривленной поверхностью жидкости  оказывается иным, чем под плоской поверхностью. Под вогнутой поверхностью давление меньше, а под выпуклой больше, чем под плоской. Добавочное давление, обусловленное искривлением поверхности жидкости, зависит от коэффициента поверхностного натяжения и кривизны поверхности.

    Установить эту связь можно довольно просто. Рассечем мысленно сфери-ческую каплю жидкости радиуса R плоскостью на два полушария  (рис. 2). Из-за поверхностного натяжения поверхностные слои полушарий притягиваются

друг к другу с силой

.

Эта сила прижимает полушария друг к другу по поверхности площади  R2   и, следовательно, приводит к возникновению дополнительного давления под искривленной поверхностью жидкости                                                                         

.            (2)

где 1/R – кривизна поверхности шара.

Это давление называют часто капиллярным, а  также давлением Лапласа. В общем случае, когда поверхность жидкости имеет произвольную форму,

,                                             (3)

где   является средней кривизной поверхности в данной точке;

R1    и  R2 – радиусы кривизны поверхности в двух взаимно перпендикулярных нормальных сечениях.

Существует много способов измерения коэффициента поверхностного натяжения. В данной работе используется метод максимального давления в пузырьках. Он основан на измерении максимального давления  рm  при образовании пузырька воздуха, выдавливаемого из капиллярного кончика

радиуса  r  в жидкость  ( рис. 3 ) . Для выдавливания пузырька воздуха из “кончика” капилляра давление в нем  p1  должно быть не меньше давления снаружи, которое складывается из давления внешнего p2, давления гидростатического gh и капиллярного давления сферической поверхности жидкости 2/R.

                 .

Разность р1р2 давлений вполне доступна для измерения внешним манометром:

.

Максимальное значение капиллярного давления, очевидно, будет при радиусе пузырька  R2=r :

В этот момент пузырек имеет форму полусферы радиуса r, равного радиусу капилляра. Радиусы кривизны мениска R1 и R3 больше радиуса упомянутой выше полусферы (см. рис.3), поэтому по мере искривления мениска давление в пузырьке  p сначала увеличивается до тех пор, пока пузырек не примет форму полусферы. При этом давление достигает максимума

.      (4)

Дальнейшее увеличение размера пузырька, сопровождающееся увеличением радиуса кривизны сферической поверхности и происходит уменьшение давления.

Описание установки. Схема экспериментальной установки показана на рис.4. Плотно закрытый цилиндрический сосуд  5 с исследуемой жидкостью соединен шлангами  через крестовину 2 с аспиратором  1 и манометром  7. Через пробку в этот сосуд введена стеклянная трубка  4 с оттянутым “кончиком”, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний тонкий “кончик” слегка  касается поверхности исследуемой жидкости, т.е. глубина погружения h  0. При открытии крана аспиратора над исследуемой жидкостью создается разрежение и атмосферное давление выдавливает через  “кончик” пузырек воздуха. Максимальное давление  pm фиксируется манометром 7. При этом условии    ,     (5)

где 0 – плотность жидкости в манометре 7,

      g – ускорение свободного падения.

     Hm– максимальная разность уровней в манометре.

Основным измерительным прибором в данной установке является манометр. Чувствительностью установки называется отношение изменения показания манометра Hm к изменению измеряемой величины . Из формулы (5) следует, что чувствительность установки  равна    .

Для повышения чувствительности установки можно заполнить манометр жидкостью малой плотности, уменьшить радиус “кончика” r, понизить эффективное значение ускорения свободного падения. Для наших условий реальна последняя  из трех возможностей.

Уменьшения g можно достичь, если расположить манометр наклонно под углом  к горизонту. Для наклонного манометра . Тогда формула (5) приобретает вид , откуда следует, что коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости, содержащейся в сосуде 5, можно рассчитать по следующей формуле:

,    (6)

где А – постоянная для данной лабораторной установки величина, называемая постоянной прибора.

Постоянную прибора можно и нужно измерить, проведя опыт с доступной жидкостью,  коэффициент поверхностного натяжения которой известен с хорошей точностью.

Для поддержания и изменения температуры исследуемой жидкости сосуд 5 помещается в стакан 6, наполненный водой и стоящий на нагревателе.

Измерения.

Упражнение 1. Определение постоянной прибора.

  1.  Аккуратно, чтобы не сломать боковой отросток, промыть сосуд 5.
  2.  Налить в сосуд 5 дистиллированную воду так, чтобы “ кончик” слегка соприкасался с ее поверхностью.
  3.  Залить в аспиратор 1 воду до уровня бокового отростка.
  4.   Открыть кран 3, создав внутри прибора  атмосферное давление. Уровни жидкости при этом в коленах манометра  выравниваются и устанавливаются на высоте  h0  . Произвести отсчет h0   и записать его в таблицу.
  5.  Закрыть кран 3. Плавно открывайте кран аспиратора, чтобы изменение давления происходило достаточно медленно, что даст возможность легко отсчитать высоты уровней в манометре в момент отрыва пузырька.

5. Когда частота образования пузырьков установится, произвести по манометру  в момент отрыва пузырьков не менее 7 отсчетов верхнего максимального уровня жидкости в манометре  h1.

6. Вычислить  H0 = 2 (h1   –  h0)  по среднему значению  h1 .

Таблица 1

№ изм.

t, C

0

h0

h1

H0

A

7. Определить постоянную прибора из формулы  (6) следующим образом:

,

где 0 – коэффициент поверхностного натяжения воды, найденный из табличных данных при температуре опыта.

Упражнение 2. Исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры.

1. Не выливая дистиллированную воду из сосуда 5, включите нагреватель. Когда температура воды в стакане 6 достигнет 70-80С,  выключить нагреватель и пусть вода медленно остывает.

2. Через каждые  7-8 производить измерения по методу, описанному в упр.1  (п. 3-5). Для записи полученных результатов заготовьте табл. 2.

Таблица 2

№ изм.

t, C

h0

h1

H

3. По формуле  определить коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости.

4. По результатам измерений  постройте график зависимости    от температуры.

Упражнение 3. Определение концентрации раствора спирта.

  1.  Заполните сосуд 5  раствором спирта неизвестной концентрации С. Рекомендуется предварительно прополоскать сосуд и “кончик” тем  раствором, который предполагается исследовать.
  2.  Определить, как и в предыдущих упражнениях, максимальную разность уровней в манометре высот Hm .Эксперимент провести не менее трех раз.
  3.  По формуле  определить коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости.  Форму таблицы выберите сами.
  4.  Используя график зависимости поверхностного натяжения спирта от концентрации определить концентрацию исследуемого раствора.

Контрольные вопросы.

  1.  Какими физическими причинами обусловлено поверхностное натяжение жидкости?
  2.  Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? Единицы измерения. От каких факторов зависит КПН?
  3.  Как направлены силы поверхностного натяжения?
  4.  Что такое капиллярное давление?
  5.  Чем обусловлено давление Лапласа. Пояснить на рисунке.
  6.  Что  называют краевым углом? Какой он для смачивающей и несмачивающей жидкости?
  7.  Расскажите содержание метода определения поверхностного натяжения.
  8.  Перечислите другие методы измерения   .
  9.  Почему газовый пузырек принимает сферическую форму?
  10.  Чему равен коэффициент поверхностного натяжения при критической температуре?
  11.  Почему при наклоне манометра увеличивается его чувствительность?
  12.   К абсолютному или относительному методу относится принятый здесь способ измерения   ?
  13.  Вычислите по данным опыта радиус  “кончика” капилляра r.

Список рекомендуемой литературы

  1.  Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Физматлит, 2006. §108-109.
  2.  Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1981. С. 262- 264, 266-268.
  3.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1. Механика и молекулярная физика. СПб.: Лань, 2005.§115-119.

PAGE  49

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79178. Техника и технознание в контексте современной глобалистики. Техника как коммуникативная стратегия современности 28 KB
  Техника и технознание в контексте современной глобалистики. Техника как коммуникативная стратегия современности. Широкий смысл понятия техники: искусственный или организованный прием усиливающий улучшающий или облегчающий действие техника письма техника плавания техника вопросов и т. Созидательный характер техники: техника есть основание на котором стоит техногенная цивилизация: в аспекте творчества: средство реализации сущностных сил человека форма материализации потенций человека и природы во всем их многообразии; в аспекте...
79180. Этический аспект развития техники и технознания. Нравственное измерение научной деятельности и технического проектирования, проблема свободы и ответственности 15.99 KB
  Этический аспект развития техники и технознания. Вместе с тем прогресс науки и техники дает людям не только блага а многие открытия несут угрозу существованию человечества и всей жизни на Земле. 2 уровня восприятия техники: Позитивный.
79181. Теологические концепции техники. Техника как часть религиозного опыта, соотношение технознания с феноменальным и ноуменальным 12.83 KB
  Теологические концепции техники. Концепция техники как встречи с Богом Фридриха Дессауэра 1881-1963. Работы Техническая культура 1908 Философия техники. Проблема реализации 1927 Душа в сфере техники 1945 и Споры вокруг техники 1956.
79182. Философские аспекты технических инноваций. Техническое изобретение и научное открытие в их соотношении 33 KB
  Очень часто говоря о новациях имеют в виду обнаружение новых явлений как сенсационных так и достаточно рядовых. К числу новаций следует причислить также введение новых понятий и новых терминов. Можно говорить например об изменении исследовательских программ включая сюда создание новых методов и средств исследования и об изменении программ коллекторских т. о постановке новых вопросов об открытии или выделении новых явлений о появлении новых способов систематизации знания.
79183. Экологический дискурс технознания 29.5 KB
  Проблемы негативных социальных и других последствий техники проблемы этического самоопределения инженера возникли с самого момента появления инженерной профессии. Сегодня человечество находится в принципиально новой ситуации когда невнимание к проблемам последствий внедрения новой техники и технологии может привести к необратимым негативным результатам для всей цивилизации и земной биосферы. Кроме того мы находимся на той стадии научнотехнического развития когда такие последствия возможно и необходимо хотя бы частично предусмотреть и...
79184. Техника и технознание в рамках синергетической парадигмы. Техника как самоорганизующаяся система 22.5 KB
  Шеррингтон называл синергетическим или интегративным согласованное воздействие нервной системы спинного мозга при управлении мышечными движениями. Забуский в 1967 году пришёл к выводу о необходимости единого синергетического подхода понимая под этим совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений[3]. Синергетический подход в естествознании Основные принципы Природа иерархически структурирована в...
79185. Техника и технознание в футурологических теориях. Особенности развития техники в постиндустриальном обществе 15.58 KB
  Концепция информационного общества является разновидностью теории постиндустриального общества. Капитал и труд как основа индустриального общества уступают место информации и знанию в информационном обществе. Теория технотронного общества по З.Бжезинскому социологическая концепция исходящая из того что новые технологии и электроника являются решающим фактором социально-экономических изменений и социального прогресса конвергенции различных систем и предопределяют вступление общества в технотронную эру.
79186. Философский дискурс техники и технознания, его сущность, предмет и специфика в общей системе философского знания. Философия науки и философия техники в их соотношении 38 KB
  Здесь переплетается несколько критических путей развития естествознания и технознания: – развитие теории подобия освоение новых форм подобия физических процессов в том числе на основе принципов симметрии спиральноколиброванных фиббоначиевыми рядами процессов развития в природе освоение технологий гибридного моделирования в том числе на основе теории гибридных интеллектуальных систем В. Венда; – развитие термодинамического и вышедшего из него синергетического моделирования; – развитие теории планирования эксперимента на базе...