Методички по молек физике 1 курс - Преподаватели 1-го курса / Определение коэффициента поверхностного натяжения

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Кафедра экспериментальной физики

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ПОВЕРХНОСТНОГО

НАТЯЖЕНИЯ

Симферополь 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО

НАТЯЖЕНИЯ.

ОБОРУДОВАНИЕ.

1. Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца.

2. Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ.

Сила взаимодействия молекул жидкости друг с другом отличается обычно от силы их взаимодействия с молекулами той среды, с которой граничит жидкость, например, с воздухом. Поэтому, чтобы переместить молекулу жидкости из глубины на поверхность, необходимо затратить работу. Следовательно, увеличение поверхности жидкости требует совершения определенной работы. В результате поверхность ведет себя так, как будто она обтянута напряженной пленкой.

Работа, которую необходимо затратить для того, чтобы квазистатически и изотермически увеличить поверхность жидкости на единицу, не меняя объема жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения (КПН).

Другое определение, эквивалентное данному: КПН равно силе, действующей на единицу длины разреза пленки на поверхности жидкости.

КПН зависит от того, с какой средой граничит жидкость. Обычно в справочниках приводят значения КПН жидкости, граничащей с воздухом или со своим насыщенным паром.

Если поверхность жидкости искривлена, то, в результате натяжения поверхностного слоя, давление больше с той стороны поверхности, с которой она выглядит вогнутой. Разность давлений находится по формуле Лапласа:

,

где и – радиусы кривизны поверхности, – КПН.

Определение КПН воды методом отрыва кольца.

Прибор изображен на рис.1. На штативе подвешена пружина 2 с диском- указателем 11, на конце пружины имеется небольшая чашечка 3. К пружине подвешено металлическое кольцо 4. На подставке установлен сосуд с водой 5.

Кольцо опускают до соприкосновения с водой. Затем медленно понижают уровень воды в сосуде 5, выпуская ее через кран в стакан 6, следя при этом за положением указателя на шкале. В момент отрыва кольца замечают положение указателя на линейке 1.

В этот момент сила поверхностного натяжения, , действующая на кольцо со стороны воды, и вес кольца в сумме равна силе, с которой пружина тянет кольцо вверх:

(1)

Имеем, используя определение КПН:

где – длина границы взаимодействия кольца с водой,

– внутренний радиус кольца, – внешний радиус. Итак:

(2)

Затем выпускают воду из сосуда и вытирают кольцо фильтровальной бумагой. Кладут на чашечку 3 разновесы и добиваются того, чтобы указатель стал на то место, которое он занимал в момент отрыва кольца. При этом вес кольца вместе с весом разновесов , где – масса разновесов, равен силе натяжения пружины :

(3)

Из (1), (3) находим:

С учетом (2) получим:

(4)

Определение КПН жидкости методом максимального

давления в пузырьке.

Прибор (рис.1) состоит из наполненного водой аспиратора 7, соединенного через резиновые трубки и трехконечную стеклянную трубку с манометром 10 и с верхним пространством плотно закрытого сосуда 12, в который наливается некоторое количество исследуемой жидкости. Через отверстие в пробке этот сосуд вводится так называемый “кончик” 9, представляющий собой стеклянную трубку, нижний конец которой оттянут так, что выход канала трубки весьма узок. Этот “кончик”, помещается на уровне испытуемой жидкости так, чтобы он соприкасался с ее поверхностью. Сосуд 12 помещается при необходимости в стакан с подогреваемой водой, что позволяет исследовать зависимость КПН от температуры.

Если слегка приоткрыть кран аспиратора 8, то вода начнет медленно вытекать из него, и в верхней части аспиратора, а следовательно, и в верней части сосуда 12 и в левом колене манометра 10 создается разряжение.

При некотором определенном разряжении избыток атмосферного давления проталкивает через “кончик” 9 в сосуд 12 пузырек воздуха. Это происходит тогда, когда разность давления атмосферного воздуха и воздуха в сосуде 12, измеряемая манометром, уравновешивает давление, вызываемое поверхностным натяжением испытуемой жидкости, стремящейся сжать образующийся пузырек.

Обозначим эту разность давлений через H, а коэффициент поверхностного натяжения через . Тогда в момент отрыва пузырька имеет место соотношение:

, (5)

где А – коэффициент, зависящий от размеров “кончика”, то есть величина постоянная для данного прибора. Для ее определения необходимо произвести опыт с какой либо жидкостью, КПН которой известен, например, с водой. Тогда, подставив соответствующие значения и в (5) получим:

(6)

Подставляя (6) в (5), находим:

(7)

Определение постоянной прибора А производят следующим образом. Налив в аспиратор 7 воды до уровня бокового отростка и дистиллированной воды в сосуд 12, приоткрывают пробку с “кончиком”, устанавливая этим атмосферное давление внутри прибора. Уровни жидкости в коленах манометра при этом выравниваются. Закрыв пробку с “кончиком”, открывают кран аспиратора 8 настолько, чтобы изменение давления внутри происходило достаточно медленно и можно было легко отсчитывать разность уровней в манометре в момент отрыва пузырька.

Отсчеты производятся не менее чем по десяти пузырькам и берется среднее. Подставим в формулу (6) полученное значение и взятое из таблиц значение КПН воды, находят А.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ.

1. Измерить КПН воды методом отрыва кольца. Измерения произвести три раза.

2. Методом максимального давления в пузырьке определить значение КПН для раствора метилового спирта в воде при различных концентрациях раствора. Построить график зависимости КПН от концентрации раствора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения?

2. Как измеряется КПН методом отрыва кольца?

3. Измерение КПН методом максимального давления в пузырьке.

4. Как зависит КПН раствора метилового спирта в воде от концентрации раствора?

5. Задача. В тонком дне сосуда имеется малое отверстие радиуса

r =0,1 мм. В сосуд наливают воду. При каком максимальном уровне воды она еще не будет выливаться из отверстия?

ЛИТЕРАТУРА.

1. Д.В. Сивухин. Общий курс физики.Термодинамика и молекулярная

Физика.

2