ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Цель работы: определение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

Оборудование: чашка с водой, алюминиевые кольца, пружина, линейка,

капельница, весы.

Теоретическое введение

На молекулы жидкости, расположенные на ее поверхности со стороны других молекул действуют силы, направленные внутрь жидкости, вследствие чего поверхностный слой жидкости производит на остальные слои молекулярное давление, в результате которого жидкость принимает такую форму, чтобы поверхность ее была наименьшей при данном объёме (роса в форме шарика).

Напряженное состояние поверхностного слоя жидкости называется поверхностным натяжением и вызвано силами притяжения между молекулами этого слоя.

Сумма сил притяжения, действующих на контур, ограничивающий поверхность жидкости, называется силой поверхностного натяжения. Отношение силы поверхностного натяжения, действующей на контур, ограничивающий поверхность жидкости, к длине этого контура называется коэффициентом поверхностного натяжения: . (1)

Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в Н/м.

При растяжении поверхности жидкости из ее глубины к поверхности перемещаются молекулы, при этом совершается работа против сил молекулярного притяжения и потенциальная энергия поверхности жидкости увеличивается. При уменьшении поверхности молекулярные силы совершают работу по перемещению молекул внутрь и потенциальная энергия поверхности уменьшается. Эта энергия называется свободной энергией поверхности жидкости W.

Коэффициент поверхностного натяжения (КПН) может быть определен как отношение свободной энергии поверхности жидкости к площади этой поверхности. , (2)

Измеряется КПН в . Величина КПН изменяется в зависимости от находящихся в жидкости примесей. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение, называются поверхностно активными веществами – ПАВ (нефть, спирт, эфир, мыло). Соль и сахар увеличивают силу поверхностного натяжения.

Молекулы жидкости взаимодействуют не только друг с другом, но и с молекулами твердых тел. Если взаимодействие между молекулами самой жидкости больше взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, то такая жидкость будет несмачивающей(рис. 1, а). Если же силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость будет смачивающей(рис. 1, б).

Угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости называетсякраевым углом смачиванияq.

Поверхность жидкости (мениск), налитой в сосуд, искривляется у ее стенок: приподнимается в случае смачивающей жидкости (мениск вогнутый – рис. 2, а) и опускается в случае несмачивающей жидкости (мениск выпуклый – рис. 2, б).

Для того чтобы система находилась в положении устойчивого равновесия, ее потенциальная энергия должна быть минимальна.

Поэтому поверхность жидкости, налитой в сосуд, стремится

а) q> 90⁰

б) q< 90⁰

Рис. 1.

сократиться до минимума (плоскость), и за счет изогнутой формы поверхности возникает дополнительное давление Dр, определяемое формулой Лапласа

, (3)

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных поверхностей. Знаки «+» и «–» указывают направление дополнительного давления (рис. 24).

а) б)

Рис. 2.

Если жидкость налита в узкий цилиндрический сосуд малого диаметра (капиллярные трубки), то за счет дополнительного давления она поднимается вверх по трубке (в случае смачивающей жидкости) на высоту h, определяемую формулой Жюрена , (4)

где: θ – краевой угол смачивания; r – радиус капилляра; r - плотность жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения можно определить различными методами. В нашей работе он определяется методом отрыва кольца и методом счета капель.

Метод отрыва кольца

1. Проверьте состояние установки. Плоскость кольца должна быть горизонтальна.

2. Отсчитайте положение указателя «а» на шкале ненагруженного динамометра,

затем положение «b», когда на чашку положен груз массой m, выраженной в кг. Вес определите по формуле Р = mg.

3. По формуле вычислите цену деления шкалы динамометра в Н/дел.

4. Убрав грузик, поднимите кювету с водой при помощи кремальеры до

соприкосновения поверхности жидкости с кольцом. Опустите кювету, определите положение «с» указателя в момент отрыва кольца. Опыт повторите 3 раза и определите среднее значение с_ср.

5. По формуле F_ср = k (c_ср - a) вычислите среднюю силу поверхностного натяжения

6. По формуле l = π (d₁ + d₂) (где d₁ и d₂ – внешний и внутренний диаметры кольца) вычислите длину границы поверхностного слоя, ограниченного кольцом.

7. По формуле вычислите коэффициент поверхностного натяжения воды.

8. Найдя по таблице значение коэффициента поверхностного натяжения воды при температуре опыта _т найдите погрешности измерений.

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п	a	b	c	P, H	k, H/дел	F, H	l, м	a, Н/м	%

Рис. 25

2. Метод счета капель Форма и размер капель, отрывающихся от конца капиллярной трубки, зависит не только от силы поверхностного натяжения, но и от диаметра трубки и плотности вытекающей жидкости (рис. 25). Перед отрывом капли образуется шейка, радиус r которой несколько меньше радиуса капиллярной трубки. Вдоль окружности шейки действует сила поверхностного натяжения F = 2π rα , которая в момент отрыва равна силе тяжести капли Р = mg 2π rα = mg (5) откуда (6)

Из-за сложности отсчета массы капли и радиуса шейки расчет по формуле (9.6) дает большие погрешности, поэтому используется метод сравнения коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости с коэффициентом поверхностного натяжения a₀ эталонной жидкости (дистиллированной воды). Пусть из одинакового объема (между метками трубки) вытекает n капель исследуемой жидкости и n₀ – капель эталонной жидкости. Массу одной капли жидкости выразим по формуле

, (7)

тогда выражение (5) для обеих жидкостей запишется:

; , (8)

где: r и r₀ – плотности исследуемой и эталонной жидкостей.

Считая радиусы шейки капли для обеих жидкостей мало отличающимися и преобразовав уравнение (8) относительно a, получим:

. (9)

1. В сталагмометр налейте дистиллированную воду и просчитайте количество капель n₀ между метками, предварительно отрегулировав скорость их вытекания. Плотность r₀ и коэффициент поверхностного натяжения a₀ для температуры опыта выпишите из таблицы.

2. Промойте трубку 1% раствором исследуемой жидкости (поваренной соли), налейте такое же количество ее. Просчитайте количество капель между метками. По формуле (9.9) рассчитайте коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости.

3. Опыт повторите с 3, 7 и 9%-ми растворами этой жидкости и рассчитайте для них коэффициенты поверхностного натяжения. Плотность этих жидкостей указана на сосудах.

4. Занесите результаты в таблиц

Таблица 2

	Дистиллирован-ная вода	Исследуемая жидкость
1%	3%	7%	9%
Число капель
Плотность r, кг/м³
КПН a, Н/м

5. Вычертите график зависимости коэффициента поверхностного натяжения от концентрации раствора, откладывая по оси абсцисс концентрацию раствора, а по оси ординат значения коэффициента поверхностного натяжения.

6. Проделайте те же опыты для растворов сахара в воде.

7. Сделайте вывод, как меняется КПН в растворе сахара.

Вопросы к защите работы:

1. Дать определение КПН, указать единицы его измерения.

2. Какие силы называются молекулярными и как они изменяются при изменении расстояния между молекулами?

3. Что такое свободная энергия поверхности жидкости?

4. Какие вещества называются поверхностно активными?

5. Чем объясняется смачивание жидкостью поверхности твердого тела?

6. Какую форму имеет поверхность смачивающей и не смачивающей жидкости?

7. Чем обусловлено и как направлено дополнительное давление? Как его рассчитать?

8. Как объяснить капиллярные явления? Как рассчитать высоту подъема жидкости в капиллярной трубке?

9. Выводите формулу коэффициента поверхностного натяжения методом счета

капель.

Лабораторная работа № 9

Предыдущая 1 2 3 456 7 Следующая