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

10 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

30902. Транспорт газов кровью 280.5 KB
  В жидкой части крови растворены газы воздуха: кислород углекислый газ азот. При содержании гемоглобина 150 г л норма каждые 100 мл крови переносят 208 мл О2. Это кислородная емкость крови. Другой показательсодержание кислорода в крови взятой в различных участках сосудистого русла: артериальной 20 мл О2 100 мл крови и венозной 14 млО2 100 мл крови .
30903. Регуляция дыхания 30.5 KB
  Регуляция дыхания Главная задача регуляции дыхания чтобы потребление кислорода поставка его тканям за счет внешнего дыхания были адекватны функциональным потребностям организма. Самый эффективный способ регуляции дыхания в целом это регуляция внешнего дыхания. Интенсивность внешнего дыхания зависит от варьирования его частоты и глубины. В регуляции дыхания можно выделить 3 группы механизмов: 1.
30904. Механизмы перестройки внешнего дыхания 32 KB
  Накопление СО2 в крови гиперкапния стимулирует дыхание человек будет дышать глубже и чаще. СО2 вымывается из крови гипокапния . ещё до повышения уровня СО2 в крови. Регуляция тонуса сосудов легких 1 Ведущая роль принадлежит газовому составу крови: понижение содержания в крови СО2 приводит к повышению тонуса легочных сосудов при этом уменьшается количество крови которое успевает обогатиться в легких О2 за единицу времени; увеличение СО2 наоборот уменьшает тонус легочных сосудов а значит повышается кровоток и газообмен.
30905. Пищеварение и его значение 36.5 KB
  Методы исследования пищеварительного тракта : XVIII век начало формирования научных методов исследования пищеварительного тракта и его функций. Все методы подразделяются на: 1. Острые методы : Характерная особенность острых экспериментов результат быстро как правило однократно условия далеки от физиологических . а вивисекционный метод прижизненное вскрытие ; б метод изоляции органов или участков органов перфузия питатательными растворами чувствительность к БАВ; в методы канюлирования выводных...
30906. Виды моторики пищеварительного тракта 49 KB
  Физиологические свойства и особенности гладкой мускулатуры пищеварительной трубки Гладкая мускулатура пищеварительной трубки состоит из гладкомышечных клеток ГМК. Межклеточные контакты ГМК пищеварительной трубки обеспечивает наличие нексусов. ГМК пищеварительной трубки обладают рядом физиологических свойств: возбудимостью проводимостью и сократимостью. Особенности возбудимости ГМК пищеварительной трубки: Возбудимость ГМК пищеварительной трубки ниже чем у миоцитов поперечнополосатой мускулатуры ППМ.
30907. Пищеварение в полости рта 27.5 KB
  Пищеварение в полости рта Секреция в ротовой полости В ротовой полости слюну вырабатывают 3 пары крупных и множество мелких слюнных желез. 1 Время нахождения пищи в ротовой полости в среднем 1618 секунд. Е нормальная микрофлора ротовой полости которая угнетает патологическую. В пределах ротовой полости ферменты слюны практически не оказывают влияния изза незначительного времени нахождения пищевого комка в ротовой полости.
30908. Пищеварении в желудке 38.5 KB
  Железы желудка состоят из трех видов клеток: Главные клетки вырабатывают ферменты; Париетальные обкладочные НCl; Добавочные слизь. Клеточный состав желез изменяется в различных отделах желудка в антральном нет главных клеток в пилорическом нет обкладочных. Стимулирует секрецию желез желудка. Стимулирует моторику желудка.
30909. Пищеварение в 12-перстной кишке 27.5 KB
  За сутки 1525 л панкреатического сока рН 7588. Специфические вещества поджелудочного сока: 1. Ферменты панкреатического сока. Пищеварительные ферменты поджелудочного сока Протеазы поджелудочного сока эндо и экзопептидазы: а Эндопептидазы действуют на молекулу изнутри расщепляя внутренние пептидные связи.
30910. Роль печени в пищеварении 29 KB
  Состав желчи: 1. Специфические вещества: желчные кислоты и желчные пигменты: билирубин основной пигмент у человека придает коричневую окраску; биливердин в основном в желчи травоядных животных зеленый цвет. Роль желчи в пищеварении: 1.Желчные кислоты как компонент желчи играют в пищеварении ведущую роль: эмульгируют жиры активируют поджелудочную липазу обеспечивают всасывание нерастворимых в воде веществ образуя с ними комплексы жирные кислоты холестерин жирорастворимые витамины А D Е К и соли Са2...