НОВЫЕ_МЕТОДИЧКИ / 24_1_Конденсированное состояние вещества / 241_1

Лабораторная работа № 241.1

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:

Упражнение 1.

1. Измерьте с помощью штангенциркуля диаметр металлического кольца D.

2. Протрите кольцо спиртом.

3. Подвесьте металлическое кольцо под прецизионный динамометр. Поставьте под металлическое кольцо блюдце с дистиллированной водой.

4. Выставите показание динамометра на ноль, передвигая подвижную трубку.

5. Медленно поднимайте винтом стойку, чтобы кольцо погрузилось в воду, находящуюся в блюдце. Затем медленно опускайте стойку до тех пор, пока кольцо полностью не выйдет из воды.

6. По показаниям динамометра определите силу поверхностного натяжения воды.

7. По формуле (4) определите коэффициент поверхностного натяжения воды.

8. Сравните измеренные коэффициенты поверхностного натяжения с табличными значениями. Объясните наблюдающиеся различия.

Упражнение 2.

9. Капните 2-3 капли мыла в блюдце с дистиллированной водой.

10. Проведите измерения (пункты 4-6)для раствора воды с мылом.

11. По формуле (4) определите коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора.