 |
Механизм возникновения поверхностного натяжения
|
|
|
|
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
по дисциплине «Физика»
для студентов, обучающихся по направлению 270800.62 «Строительство» и профилю подготовки «Автомобильные дороги» очной формы обучения
Тюмень, 2011
УДК 532
П-27
Паутова Л.В., Тимерзянова И.И. Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва капель: методические указания к лабораторной работе по курсу «Физика» для студентов направления 270800.62 «Строительство», профиль «Автомобильные дороги» очной формы обучения. - Тюмень: РИО ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», 2011. – 13 с.
Методические указания разработаны на основании рабочих программ ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ» дисциплины «Физика» для студентов, обучающихся по направлению «строительство» очной формы обучения.
Указания включают описания лабораторных установок, методику измерений, порядок выполнения и расчетов лабораторных работ по теме «Поверхностное натяжение».
Рецензент: Самсонова Н.П.
Тираж 50 экз.
© ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»
© Паутова Л.В., Тимерзянова И.И.
Редакционно-издательский отдел ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»
Содержание
Введение ………………………………………………………………………….4
1 Теоретическая часть …………………………………………………………..5
1.1 Поверхностная энергия…………………..………………………….…..5
1.2 Механизм возникновения поверхностного натяжения……….……..…..5
1.3 Простые проявления поверхностного натяжения………………..…... 6
|
|
|
1.4 Условия равновесия на границе раздела двух жидкостей…………...….6
1.5 Условия равновесия на границе жидкость - твердое тело……………… 8
1.6 Поверхностно-активные вещества……………………………………….. 8
2 Методика эксперимента …………………………………………………....... 8
3 Порядок выполнения работы …………………………………………….…10
4 Контрольные вопросы………………………………………………………...13
Библиографический список……………………………………………..………..14
Введение
Методические указания разработаны на основании рабочих программ ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ дисциплины «Физика» для студентов направления «Автомобильные дороги» очной формы обучения. Указания включают описания лабораторных установок, методику измерений, порядок выполнения и расчетов лабораторных работ по теме «Поверхностное натяжение» студентами профиля АД направления 270800.62 «Строительство». Настоящие методические указания нацелены на приобретение студентами следующих компетенций:
- общекультурных:
ОК-1 – Владение культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения;
ОК- 2 – умение логически верно, аргументированно и ясно строить устную и письменную речь;
-профессиональных:
ПК-1 – использование основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применение методов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
ПК-2 – способность выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат;
ПК-5 – владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, навыки работы с компьютером как средством управления информацией.
Цель работы – определение поверхностного натяжения жидкостей.
|
|
|
Приборы и принадлежности – бюретка, закрепленная в штативе, исследуемые жидкости, мерный стакан, термометр.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Поверхностная энергия
Жидкое состояние возникает тогда, когда потенциальная энергия притяжения молекул превосходит по абсолютному значению их кинетическую энергию. Силы притяжения между молекулами в жидкости значительны и обеспечивают удержание молекул в объеме жидкости. Таким образом, у жидкости образуется поверхность, которая ограничивает ее объём. Поверхность, ограничивающая данный объём, зависит от формы. Из геометрии известно, что при заданном объёме минимальной поверхностью обладает шар.
На частицы, находящиеся в тонком слое вблизи поверхности жидкости, действуют со стороны других молекул жидкости силы, равнодействующая которых направлена внутрь жидкости, нормально к поверхности (рисунок 1). При увеличении поверхности жидкости некоторое число молекул из объёма жидкости должно быть поднято в поверхностный слой. Для этого необходимо затратить работу. Эта работа совершается за счёт кинетической энергии молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемая поверхностной энергией, пропорциональна площади слоя ΔS.
, (1)
где σ- удельная плотность поверхностной энергии, Дж/м2;
ΔS-площадь поверхности жидкости,м2.
Так же как в механике, система стремится достигнуть состояния с наименьшей потенциальной энергией и только состояние с наименьшей потенциальной энергией является устойчивым, в термодинамике система в изотермических условиях стремиться достигнуть состояния с наименьшей свободной энергией. Поэтому поверхность жидкости стремится сократиться. Благодаря этому вдоль поверхности жидкости действуют силы, называемые силами поверхностного натяжения.
В этом отношении жидкость уподобляется тонкой резиновой плёнке, растянутой изотропно по всем направлениям в плоскости поверхности.
Механизм возникновения поверхностного натяжения
|
|
|
На первый взгляд (рисунок 1) не ясно как возникают силы поверхностного натяжения, действующие вдоль поверхности. Чтобы это понять, необходимо принять во внимание, что кроме сил притяжения на молекулы поверхностного слоя действуют также и другие силы, которые не позволяют этим молекулам переместиться внутрь жидкости. Равнодействующая этих сил и обеспечивает возникновение поверхностного натяжения (рисунок 2); через закреплённые блоки перекинута нить, на которую в 
вертикальном направлении действуют силы f, а в горизонтальном направлении в нити действует сила натяжения f.
Поверхностное натяжение жидкости зависит от свойств вещества, с которым соприкасается поверхность жидкости, поскольку вещество у поверхности жидкости также воздействует на молекулы поверхностного слоя жидкости и, следовательно, изменяет силы, втягивающие их внутрь жидкости. Это означает, что поверхностное натяжение 
изменяется. Ясно, что поверхностное натяжение на поверхности раздела двух жидкостей должно быть меньше, чем на свободной поверхности. На поверхности раздела твердого тела с жидкостью поверхностное натяжение также уменьшается.
Сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине контура, ограничивающего поверхность.
, (2)
где σ – коэффициент поверхностного натяжения, H/м;
l- длина линии вдоль которой действует сила, м.
Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины произвольной линии на поверхности жидкости, или работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить площадь поверхности на единицу площади.
|
|
|
