Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Молекулярная физика и термодинамика

Методические указания к лабораторным работам

Омск

Издательство ОмГТУ

2010

Составители: В. Н. Иванов, Г. П. Иванова, А. Г. Туровец

Данные методические указания содержат описание восьми лабораторных работ. Указание к каждой работе содержит краткие теоретические сведения, необходимые для правильного выполнения лабораторной работы, описание лабораторной установки, порядок выполнения лабораторной работы, правила обработки результатов и контрольные вопросы.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

© ГОУ ВПО «Омский государственный

технический университет», 2010

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 сферой молекулярного 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)

И з (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.

Е

Рис.2

сли 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 d}₁ ^{и d}₂ ^{(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.