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.

=E/S

(1)

Пове́рхностное натяже́ние — 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 .

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 x площадь внешней и внутренней поверхности прилипшего за счет смачивания слоя жидкости изменяется на величину:

S=2Dx,

(2)

где D – диаметр кольца.

Рис.2. Иллюстрация принципа измерения методом отрыва кольца

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

F=E/x

(3)

Если сила натяжения увеличивается, то кольцо отрывается от жидкости. В момент отрыва кольца от жидкости будет справедливо равенство:

=F/2D.

(4)

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: Стеклянное блюдце для исследуемой жидкости Металлическое кольцо на подвеске Цифровой динамометр Консоль для подключения динамометра к ноутбуку Столик с регулируемой поверхностью Дистиллированная вода Раствор поверхностно активного вещества (ПАВ) 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.