НОВЫЕ_МЕТОДИЧКИ / 251.1поверхнатяжcassy

Лабораторная работа № 241.2 Измерение поверхностного натяжения жидкостей

Цель работы:

1.Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей в зависимости от состава и температуры.

Краткое введение:

Известно,что молекулы жидкости находятся в тепловом хаотическом движении. Явление поверхностного натяжения обусловлено тем, что на молекулы, оказавшиеся на поверхности жидкости, сразу же действует результирующая сил притяжения к соседним молекулам., находящихся на поверхности жидкости. Она направлена вглубь жидкости (см. рис.1). Как только молекула погружается, результирующая сил обращается в ноль. Поэтому поверхность жидкости постоянно обновляется и, подобно упругой пленке, стремится сжаться – маленькая порция жидкости собирается в сферическую каплю, так как площадь поверхности сферы минимальна. Очевидно, что поверхностное натяжение зависит от температуры и состава жидкости, а также от вида среды над поверхностью.

Рис. 1. Действие сил межмолекулярного притяжения на молекулы в толще и на поверхности жидкости.

Отношение изменения свободной энергии к изменению площади поверхности при постоянной температуре называется поверхностным натяжением жидкости.

Пове<рхностное натяже<ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении в условиях постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности (сила, приходящаяся на единицу длины контура) называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в Н/м.

Существуют различные способы измерения коэффициента поверхностного натяжения σ.

Статические методы:

Метод поднятия в капилляре; Метод Вильгельми; Метод лежачей капли;

Метод определения по форме висячей капли; Метод вращающейся капли;

Динамические методы:

Метод дю Нуи (метод отрыва кольца); Сталагмометрический, или метод счета капель; Метод максимального давления пузырька;

Метод осциллирующей струи; Метод стоячих волн; Метод бегущих волн.

В данной работе используется метод дю Нуи (метод отрыва кольца).Он состоит в том, что металлическое горизонтально подвешенное кольцо с острой кромкой, полностью погружают в жидкость. Кольцо поднимают наверх, и тонкий слой жидкости вытягивается за кольцом (см. рис. 2). При смещении кольца на Dx площадь внешней и внутренней поверхности прилипшего за счет смачивания слоя жидкости изменяется на величину:

DS=2×p×D×Dx, (2) где D – диаметр кольца.

Рис.2. Иллюстрация принципа измерения методом отрыва кольца

Когда металлическое кольцо поднимается на расстояние Dх, то сила натяжения определяется формулой:

Таким образом, для вычисления коэффициента поверхностного натяжения необходимо измерить силу F, действующую на подвес кольца и диаметр кольца D. Экспериментальная установка показана на рис. 3.

Рис. 3. Экспериментальная установка Описание установки:

1.Стеклянное блюдце для исследуемой жидкости

2.Металлическое кольцо на подвеске

3.Цифровой динамометр

4.Консоль для подключения динамометра к ноутбуку

5.Столик с регулируемой поверхностью

6.Дистиллированная вода

7.Раствор поверхностно активного вещества (ПАВ)

8.Термометр

Ход работы:

1.Измерьте с помощью штангенциркуля диаметр металлического кольца D.

2.Протрите кольцо спиртом. Подвесьте кольцо на крюк цифрового динамометра. Опустите столик и подставьте под кольцо, не макая, чашку с дистиллированной водой.

3.Запустите программу CASSY Lab 2. Откройте эксперимент р1.8.4.2. (File-Open; D:\эксперименты\1842).

4.Справа в окошке настроек зайдите в Input A1 – Force FA1. Обнулите показания динамометра (нажать на кнопки [->0<-]).

5.Запустите регистрацию показаний динамометра в программе CASSY Lab кнопкой F9. На экране в цифровом и графическом виде будут отражаться показания динамометра.

6.Постепенно поднимайте вращением винта столик, чтобы кольцо погрузилось в воду. Потом медленно опускайте столик до полного отрыва кольца от поверхности воды.

7.Остановите регистрацию данных кнопкой F9.

8.Наведите мышь на полученную диаграмму и нажмите правую кнопку. Выберите пункт меню Other evaluation-Max- min, удерживая нажатой левую кнопку мыши, выделите график зависимости силы от времени эксперимента. Нажмите Alt-T, и программа автоматически выдаст значения минимума и максимума силы на выделенном участке диаграммы.

9.По формуле (3) вычислите коэффициент поверхностного натяжения,

используя максимальное показание динамометра.

10.Повторите эксперимент несколько раз для расчета погрешности. 11.Добавьте в исследованную воду каплю ПАВ (по рекомендации

лаборанта) и повторите цикл измерений.

12.Тщательно отмойте чашку и кольцо от ПАВ, протрите кольцо спиртом. 13.Налейте в чашку горячую дистиллированную воду, опустите в нее

термометр. Регистрируйте силу отрыва кольца и температуру воды по мере ее остывания с шагом 5-10 градусов. Результат эксперимента представьте графически и дайте письменное объяснение.

14.Объясните зависимость показаний динамометра при погружении кольца в воду и при извлечении его.

15.Сравните измеренные коэффициенты поверхностного натяжения между собой и с табличными значениями. Объясните обнаруженные различия.