Определение поверхностного натяжения жидкости

Территория рекламы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: 1. Изучить два метода определения поверхностного натяжения  жидкости.

  2. Определить поверхностное натяжение воды методом отрыва петли и поверхностное натяжение спирта методом отрыва капли.

Литература:

1. А.Н.Матвеев. Молекулярная физика. М., Высшая школа,  1987, с.с.262-270.

2. И.В.Савельев. Курс общей физики.Т1.М.,Наука,1987,с.с.372 -375.

3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т1. Термодинамика и молекулярная физика. М., Наука, 1979,  с.с.414-416.

ТЕОРИЯ

Внутреннее строение жидкостей сложнее строения газов. Во-первых, мы считаем в газах молекулы свободными, движущимися независимо друг от друга, если только не считать их случайных столкновений между собой. В жидкостях молекулы настолько сближены, что столкновения между ними должны происходить несравненно чаще, чем в газах. Вследствие этого каждая молекула должна двигаться около некоторого среднего своего положения, меняющегося сравнительно медленно, т.е. постепенное перемещение молекул с одного места на другое в жидкостях происходит в течение большего промежутка времени, чем в газах.

Во-вторых, поскольку межмолекулярные промежутки в жидкостях невелики, то пренебрегать силами взаимодействия молекул нельзя. Эти силы называют силами сцепления и их величина уменьшается в зависимости от расстояния значительно быстрее, чем у силы гравитационного взаимодействия. Конечно, силы сцепления имеются и в газах, но они весьма малы и поэтому большой роли не играют. В жидкостях же, наоборот, наличие этих сил постоянно обнаруживается во множестве разнообразных явлений и притом в особенности вблизи их поверхности.

Когда молекула А (рис.1) находится внутри жидкости, то она со всех сторон окружена такими же молекулами, действующими на нее с силами сцепления, радиус действия которых ограничен расстоянием, обозначим его R. На эту молекулу практически не действуют те молекулы, которые находятся вне сферы радиуса R, а силы взаимодействия внутренних молекул (по причине их симметричного и равномерного расположения) на молекулу А  компенсируются.

На рис 1. изображены плоскости а,б,в,г,д,е,ж,з,и,к - расстояния между которыми равны радиусу   сферы  частичного   взаимодействия   молекул R.

Когда молекула 2 находится на поверхности (воображаемой) жидкости, то равномерность распределения молекул внутри сферы частичного взаимодействия нарушается (вне жидкости - газ, и число молекул в единице объема в миллионы раз меньше, чем в жидкости) и равнодействующая сил сцепления направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности, молекула как бы втягивается внутрь жидкости силой, удерживающей ее от вылета из жидкости. Это относится не только ко всем молекулам, находящимся у поверхности жидкости, но и к тем, которые находятся внутри жидкости на расстоянии от ее поверхности, меньшем радиуса R. Плоскость "е" является нижней границей поверхностной пленки , частицы которой подвержены действию сил, направленных внутрь жидкости. Вся эта пленка оказывает давление на жидкость, которое похоже на давление надутого резинового шарика на находящийся в нем воздух.

Однако такое сравнение верно только внешне. Различие состоит в том, что при увеличении площади поверхности резиновой пленки увеличивается расстояние между молекулами и сама длина молекул    ( они "тянутся" ), при растяжении же поверхности жидкости увеличивается число ее молекул в единице площади, т.е. в "пустые" места перемещаются молекулы из глубин жидкости.

Математически это выражается в том, что сила натяжения резины, по сути сила упругости, в соответствии с законом Гука зависит от величины деформации и при равенстве сил упругости и внешней силы, вызвавшей деформацию, наступает состояние равновесия (шар больше не увеличивается в объеме). В случае же поверхностного натяжения величина натяжения не зависит от площади поверхности пленки, по крайней мере до тех пор, пока  толщина пленки не становится весьма  малой (как  показывают  измерения - порядка  5*10- 4 м).

Fпов = *l,

где - некоторая постоянная величина, характеризующая вещество пленки ( она называется поверхностным   натяжением );

l - длина линии, перпендикулярно которой действует сила поверхностного натяжения (см. рис.2).

Для примера рассмотрим рамку из проволоки, которую, допустим, опустили в некоторую жидкость, а затем осторожно достали и установили вертикально. В нижней части жидкость так же ограничена проволокой, которую можно перемещать силой Р вниз.

На рис. 3 изображена та же рамка с жидкостью, но вид сбоку.

Силы поверхностного натяжения действуют не в толще пленки (жидкость), а только в тонких ее слоях слева и справа. F - есть равнодействующая двух равных сил F/2 (каждая из которых равна *l), с которыми тянут перекладину вверх два тонких поверхностных слоя, ограничивающих жидкость. Направлена каждая сила по касательной вдоль этих поверхностных слоев.

Следовательно, численно равно силе, с которой каждый из поверхностных слоев тянет вверх единицу длины перекладины.

Если пленка поднимает перекладину на х, то она совершает работу F*x, равную уменьшению потенциальной энергии пленки на U:

U = (*S) = * S,

где S уменьшение площади поверхности пленки.

Одно из важнейших утверждений физики гласит:

" Всякая предоставленная самой себе система движется  так, что ее потенциальная энергия уменьшается ",

поэтому, если бы действовали только силы поверхностного натяжения, то свободная поверхность жидкости была бы сферической, так как у геометрических тел равного объема наименьшая площадь поверхности у сферы. Однако этому препятствует сила тяжести. Вследствие действия силы тяжести жидкость принимает форму того сосуда, в котором она находится, а свободная поверхность ее - горизонтальная. В случае значительного превосходства сил поверхностного натяжения над силой тяжести свободная поверхность жидкости приближается к сферической (сферическая форма мелких капель жидкости, мениска в капиллярах).

На рис.4 изображена поверхность жидкости у края капилляра (твердое тело) в случае смачивающей жидкости, а на рис.5-несмачивающая жидкость. Сила R-равнодействующая всех сил, действующих на элемент (частицу) жидкости, -краевой угол. В случае смачивающей жидкости силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела больше, чем между молекулами жидкости. Сила R всегда направлена перпендикулярно касательной к поверхности жидкости, т.к. только при этом условии поверхность жидкости будет в покое.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ СПИРТА

МЕТОДОМ ОТРЫВА   КАПЛИ

Приборы и  оборудование: 1. Установка для определения поверхностного                                                                                                                                                                                                                             натяжения методом отрыва капли.

2. Спирт .

3. Вода.

4. Термометр.

  Если предоставить возможность  жидкости  медленно вытекать из нижнего конца узкой трубочки, расположенной вертикально, то отрываются капли примерно одинаковой массы.

Капли отрываются в тот  момент , когда увеличивающаяся сила тяжести ,  действующая на “растущую” каплю, становится равной силе поверхностного натяжения по контуру шейки капли:

mg = 2r     (2).   

Отсюда получаем  искомую формулу для поверхностного натяжения:

                                                                   mg

                                                         = ----------,

                                                                   2r

   где  r -  радиус шейки отрывающейся капли.

Так как радиус шейки капли трудно определить с достаточной степенью точности, то пользоваться формулой (2)  нельзя и поэтому применяют  метод сравнения: проделывают опыт с жидкостью, поверхностное натяжение которой  известно     и выражают искомое (неизвестное) поверхностное натяжение (спирта) через известное  (воды)

Прибор для определения поверхностного натяжения жидкости называют сталогмометром (рис.7). Он представляет собой стеклянную трубку с оцифрованной шкалой, заканчивающуюся изогнутым капилляром с плотно притертым краном. Сталогмометр  укрепляют на штативе.

Если сначала  налить одну жидкость и добиться, регулируя краном скорость образования капель так , чтобы они успевали медленно “вырасти”, то массу одной капли можно найти, разделив число капель,

образовавшихся  из объема V1 на число капель n1. Проделав аналогично с другой жидкостью, при известных плотностях жидкостей 1 и 2, на основании формулы (2)  можно написать:

  для воды:                 1(V1/ n1)g = 2r1

  и  для спирта:           2(V2/ n2)g = 2r2.

   Из этих двух формул  получим расчетную формулу для поверхностного натяжения спирта:

                                           2n11 

                                 2 = ----------------         (3).

                                              1n2

Методика выполнения работы

1. Наливают в сталогмометр, допустим воду, выше некоторого оцифрованного деления.

2. Краном регулируют скорость образования капель так, чтобы они могли  “вырастать”.

3. В тот момент, когда  уровень жидкости проходит мимо некоторого оцифрованного деления шкалы, начинают отсчет вытекающих капель и заканчивают его, когда уровень жидкости проходит мимо какого-либо другого  оцифрованного деления.

4. Повторяют п.3  не менее четырех раз.

5. Промывают сталогмометр (если это необходимо).

6. Повторяют то же самое с исследуемой жидкостью, определяя число капель  n2   в таком же объеме.

7. Плотности воды и исследуемой жидкости при данной температуре берут из таблиц.

8. По формуле (3) вычисляют  поверхностное натяжение исследуемой жидкости.

9. Полученное значение (при температуре опыта) сравнивают с табличным.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Определение  поверхностного натяжения спирта методом отрыва  капли    (2).

                                           2n11

                                  2 = ----------------  ,      

                                              1n2

где  2- плотность спирта,

       n1 - число капель воды в объеме V,

        1 - поверхностное натяжение воды,

        2-  плотность  воды,

        n2 - число капель  спирта в  объеме V.

N п/п  n1  n1  n2n22,  H/м2,H/м(2/2 )10012345ср

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что называется поверхностным натяжением, в каких единицах оно измеряется?

2. Как зависит поверхностное натяжение от температуры и других факторов?

3. Почему при критической температуре данной жидкости поверхностное натяжение обращается в нуль?

4. Что такое поверхностный слой жидкости и каковы его основные свойства?

5. Что такое свободная энергия поверхностного слоя жидкости?

6. В чем  состоит физический смысл поверхностного натяжения?

7. Выведите формулу (3 ). На чем основан метод сравнения?

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Скачать

поверхн..DOC

поверхн..DOC
Размер: 155 Кб

Бесплатно Скачать

Пожаловаться на материал

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Изучить два метода определения поверхностного натяжения  жидкости. Определить поверхностное натяжение воды методом отрыва петли и поверхностное натяжение спирта методом отрыва капли.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Анализ организации «Bad Boys Barbershop»

Итоговая работа Дисциплина: Основы интегрированных коммуникаций Описание рынка, на котором функционирует организация. Ценовая политика. Описание каналов продвижения

Контрольные работы по физике

Молекулярная физика и термодинамика. Оптика. Квантовая, атомная и ядерная физика.

Острые кишечные инфекции

Возбудители кишечных инфекций. Дизентерия, Брюшной тиф, Холера, Эпидемический гепатит, Сальмонеллез. Меры предупреждения острых кишечных инфекций на предприятиях общественного питания. Профилактика пищевых заболеваний. Кишечные инфекции.

Переломы костей конечностей. Этиология и патогенез. Классификация. Диагностика. Особенности переломов у детей. Лечение. Экспертиза

Гипертоническая болезнь: определение, этиология, патогенез, классификация, клиника, диагностика, дифференциальная диагностика, современные принципы лечения, профилактика. Врачебная тактика при артериальной гипертензии. Неотложная помощь при гипертонических кризах.

Ветеренарія. Відповіді на тест

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok