Главная | Обратная связь

Порядок выполнения лабораторной работы

Лабораторная работа 2–1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

 

Цель работы:определение коэффициента поверхностного натяжения жид­кости методом отрыва кольца.

Приборы и принадлежности: весы Жолли, кювета с исследуемой жидкостью, кольца разного диаметра, разновесы, фильтровальная бумага.

Краткая теория

Поверхностное натяжение жидкости обусловлено действием молекулярных сил.

Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех соседних с ней молекул. Однако эти силы быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами и уже на расстоянии порядка 10^–8 м становятся незначительными. Это предельное расстояние называется радиусом молекулярного действия, а сфера этого радиуса называется сфероймолекулярного действия.

Если молекула находится внутри жидкости (молекула рис. 1) и удалена от её поверхности на расстояние, превышающее радиус сферы молекулярного действия, равнодействующая всех сил притяжения, действующих на неё, в среднем равна нулю.

Иначе обстоит дело, если молекула находится вблизи поверхности (молекула ). Поскольку плотность пара или газа, с которым граничит жидкость значительно меньше плотности жидкости, то результирующая сила действующая на молекулу, отлична от нуля и направлена внутрь жидкости. Таким образом, на все молекулы, находящиеся в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости.

Суммарная энергия частиц жидкости складывается из кинетической энергии их хаотического (теплового) движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекулы и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эту дополнительную потенциальную энергию молекул, находящихся в поверхностном слое, называют свободной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией.

Поверхностная энергия пропорциональна площади поверхностного слоя

, (1)

где – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения, или поверхностным натяжением.

Из (1) следует, что коэффициент поверхностного натяжения численно равен энергии поверхностного слоя, которой обладает единица поверхности жидкости. Единица измерения в СИ – джоуль на квадратный метр(Дж/м²).

Из-за наличия поверхностной энергии жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности, чтобы перейти в состояние с минимальной потенциальной энергией. Молекулярные силы, действующие в поверхностном слое и стремящиеся его сократить, называются силами поверхностного натяжения.

Длина замкнутого контура, ограничивающего поверхность жидкости,
из-за сил поверхностного натяжения стремится к минимально возможной величине.

Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости перпендикулярно границе контура. Величина силы пропорциональна длине контура , ограничивающего поверхность жидкости:

. (2)

Из (2) вытекает второе определение коэффициента поверхностного на­тяжения, а именно: коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура,
ограничивающего жидкость. Единица измерения в СИ – ньютон на
метр (Н/м).

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости, присутствия примесей, рода среды, граничащей с жидкостью, температуры.

В данной работе коэффициент поверхностного натяжения определяется по методу отрыва кольца с помощью установки, называемой весами Жолли (рис. 2).

Установка представляет собой вертикальную стойку 1, на которую нанесена шкала с делениями. На кронштейн 2 стойки подвешивается пружина 3
с тонкостенным кольцом 5. Над кольцом имеется диск 4, служащий визиром для отсчета по шкале и одновременно платформой для разновесов. Вдоль стойки с помощью винтов 8 можно плавно перемещать столик 7, на котором помещают кювету 6 с исследуемой жидкостью.

Рис.2

Если подвести кювету под кольцо так, чтобы оно нижним торцом коснулось поверхности жидкости, то благодаря межмолекулярным силам между материалом кольца и жидкостью кольцо как бы «прилипнет» к жидкости.
При плавном поднятии кольца вместе с ним поднимается некоторое количество жидкости (рис. 3). Причем вблизи границы жидкость-кольцо поверхность жидкости будет практически параллельна внешней и внутренней поверхности кольца.

Для отрыва кольца от поверхности жидкости надо приложить силу, равную силе поверхностного натяжения F. Так как кольцо смачивается жидкостью с внешней и внутренней сторон, то разрыв поверхности жидкости происходит по двум окружностям диаметрами d₁и d₂(рис. 3) общей длиной . В этом случае, согласно (2), для коэффициента поверхностного натяжения можно записать:

(3)

В момент отрыва кольца от жидкости сила упругости пружины равна силе поверхностного натяжения. Поэтому для определения величины силы поверхностного натяжения необходимо измерить силу упругости, возникающую в пружине при отрыве кольца. Для этого при помощи разновесов добиваются такого же растяжения пружины, которое было в момент отрыва кольца. В этом случае сила тяжести , действующая на разновесы, равна по модулю силе упругости пружины, следовательно, и силе поверхностного натяжения , то есть . Подстановка этой величины в (3) при учете того, что в данной лабораторной установке толщина стенок мала и приводит к следующей формуле для коэффициента поверхностного натяжения:

, (4)

где – средний диаметр кольца.

Порядок выполнения лабораторной работы

ВНИМАНИЕ!Перед проведением эксперимента тщательно протереть кольца и в дальнейшем не касаться колец руками (вода не смачивает загрязненное жиром кольцо).

1. Подвесить на кронштейн пружину, а к её концу одно из имеющихся колец. Значение диаметра кольца занести в таблицу ( указан на кольце).

2. Налить в кювету чистой воды, поднять столик с кюветой настолько, чтобы кольцо коснулось поверхности жидкости. Плоскость кольца должна быть строго горизонтальной. Если этого нет, то с помощью винтов 9 (рис. 2) добиться горизонтальности.

3. Медленно опускать столик с кюветой до тех пор, пока не произойдёт отрыв кольца от жидкости. Заметить деление шкалы , соответствующее положению диска‑визира в момент отрыва кольца.

Примечание. При проведении измерений глаза экспериментатора должны находиться на уровне плоскости диска.

Занести отсчёт (в делениях шкалы) в таблицу.

4. Повторить опыт с данным кольцом ещё два раза, записать результаты в таблицу. Вычислить среднее значение отсчёта .

5. Убрать кювету и, не снимая кольца, протереть кольцо фильтровальной бумагой.

6. При помощи разновесов, которые ставятся на диск над кольцом, получить растяжение пружины, соответствующее делению, равному . Значение массы разновесов занести в таблицу.

7. Проделать измерения по пп. 1–6 ещё с двумя кольцами разного диаметра.