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

9 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

37485. ФИЛОСОФИЯ. Учебник для вузов 4.35 MB
  Учебник написан авторами, которые известны и как крупные ученые, и как педагоги, обладающие большим опытом преподавания в вузах. Фундаментальные вопросы философии рассматриваются в нем с позиций плюрализма, многообразия их интерпретации и обоснования. Структура учебника максимально приближена к курсу философии, читаемому в большинстве вузов
37486. Высшая нервная деятельность 191 KB
  Понятие о высшей и низшей нервной деятельности. Образование условных рефлексов. Физиология высшей нервной деятельности. Условное (внутреннее) торможение и запредельное торможение. Биоэлектрическая активность головного мозга и методы ее изучения
37487. Философия Фихте и Шеллинга 42.5 KB
  Наукоучение мыслится Фихте как дедуктивная система базирующаяся на одной основной и двух вспомогательных самоочевидных аксиомах или основоположениях. Эта новаторская особенность методологии Фихте позволяет видеть в его философии некий круг главным предметом истолкования в котором оказывается Я причем как человеческое так и божественное. Фихте как бы пытается допустить возможность совмещения существования абсолютного Я с человеческим самосознанием.
37488. Мераб МАМАРДАШВИЛИ: Прежде - жить, философствовать - потом 111.5 KB
  Потому что они резонируют в нас по уже проложенным колеям воображения и мысли укладываясь во вполне определенное соприсутствие это а не иное соответствующих слов терминов сюжетов тем Следовательно пока нас не спрашивают мы знаем что такое философия. Я предлагаю тем самым ориентироваться на такую сторону нашей обычной жизни характеристика которой как раз и позволяла бы нам продвигаться в понимании и усвоении того что такое философия. Мудрость первая философия теология у Аристотеля выступают наименованием 1ауки о...
37489. Философия. Ответы на экзаменационные вопросы 736 KB
  Таким образом зарождение философии исторически обусловлено: накоплением в практической деятельности людей значительного опыта что формировало у них понимание определенной упорядоченности окружающего мира источником которой как они думали являются имеющиеся в природе некие независимых от человека силы; открытием в различных сферах человеческой деятельности зачатков научных знаний эмпирическое знание которые можно было проверить и которые как люди предполагали были связаны с этими глубинными силами; появлением в классовом...
37490. ФИЛОСОФИЯ И ЕЕ РОЛЬ В ОБЩЕСТВЕ 347 KB
  Основной вопрос философии это соотношение человека и мира мышления и природы. Неосновные законы: взаимосвязь общего особенного и единичного взаимосвязь сущности и явления взаимосвязь формы и содержания взаимосвязь причины и следствия взаимосвязь необходимости и случайности взаимосвязь возможности и действительности Структура философии: онтология теория бытия гносеология теория познания теория развития социальная философия философия общества философская антропология философия человека методология теория...
37491. Философия: Учебник. 4.63 MB
  ru Рецензенты: кафедра социальной философии Российского университета Дружбы народов им. редактора журнала Вопросы философии доктор филос. Учебник содержит изложение истории философии и рассмотрение ее основных областей. При этом многие вопросы входящие в вузовский курс философии освещены достаточно подробно что позволит студентам и преподавателям специализированных вузов углубленно изучить философские проблемы применительно к своей специальности.
37492. ФИЛОСОФИЯ КУЛЬТУРЫ. Становление и развитие 2.07 MB
  На протяжении всей истории философская мысль обсуждала проблему фундаментального различия между тем, что существует независимо от человека — миром, природой, натурой и тем, что создано человеком как во внешнем, так и в собственном, физическом и духовном, бытии. Уже в древнегреческой философии зародились представления о «техне» как искусной практической деятельности, мастерстве, создающем необходимый человеку предметный мир (отсюда понятие «техника» во всех европейских языках)
37493. Философия педагогики. Учебное пособие для вузов 1.06 MB
  Она лаконично излагает системную суть философии культурологии психологии религиоведения развернуто дает этическую и эстетическую системы знаний в их неотрывной и прямой значимости для педагогической практики параллельно освещая проблемы образования и реальной жизни школы с установкой на их действительное и творческое решение. Философские аспекты образования и воспитания Философия как наука о всеобщих закономерностях жизни и мира является опорой для всех наук в познании изучаемых ими частных закономерностей это же касается педагогики....