Порядок выполнения работы.

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ.

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды и глицерина методом отрыва капель с помощью измерительного микроскопа.

А. Основные понятия.

СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ.

Жидкость обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. Средняя энергия теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

 

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ.

Cуммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии теплового движения и потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия.

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная поверхностная энергия, пропорциональна площади слоя DS: DE = sDS, где s - поверхностное натяжение, определяемое как плотность поверхностной энергии. Жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность (шаровую). Рассмотрим поверхность жидкости, ограниченную замкнутым контуром. Если под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости сократилась, то контур переместился в другое положение. Силы, действующие со стороны малого участка на граничащие с ним другие участки, совершают работу:

DA = fDlDx, где f = F/Dl - сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости. С учетом того, что

DlDx = DS, получим DA = fDS. Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии DA = DE. Cледовательно, s = f, т.е. поверхностное натяжение равно силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются расстояния между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости называются поверхностно-активными. Другие вещества (соли, сахар) увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой.

 

СМАЧИВАНИЕ.

Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. Для не смачивающей жидкости силы притяжение между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом. Жидкость, смачивающая одну поверхность, не смачивает другую).

Рис. Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей.

 

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ.

В узких трубках и щелях из-за смачиваемости (несмачиваемости) стенок жидкостью возникает искривление поверхности жидкости – мениск, а сами трубки называются капиллярами. Из-за лапласова давления жидкость в капилляре поднимается (при смачиваемости) или опускается (при несмачиваемости) стенок. Форма которую принимает свободная поверхность жидкости, зависит от сил поверхностного натяжения, от взаимодействия с ограничивающими поверхность твёрдыми стенками, а так же от силы земного тяготения, действующей на жидкость. Жидкости, которые хорошо смачивают твердое тело, называются гидрофильными, плохо смачиваемые - гидрофобными. Сила поверхностного натяжения на разделе твердое - жидкость равна F=F₀cosά, где F₀ - cила поверхностного натяжения на свободной поверхности жидкости.

Рис. Подъем смачивающей жидкости в капилляре.

Движение жидкости по капиллярам и узким щелям имеет существенное значение в неживой и живой природе, а также в технических процессах. Капиллярные эффекты, широко известные в технике и быту, в основном обусловлены тем, что благодаря действию сил поверхностного натяжения давление внутри жидкости может отличаться на некоторую величину ∆p от внешнего давления p газа или пара над поверхностью жидкости. Если жидкость смачивает стенки капилляра, то под вогнутой поверхностью имеется избыточное давление Dp. Это давление приводит к тому, что жидкость в капилляре поднимаетсянад плоской поверхностью жидкости в широком сосуде, где избыточного давления нет. Если же жидкость не смачивает стенки капилляра, то положительное избыточное давление приводит к опусканию жидкости в капилляре. Жидкость в капилляре поднимается на такую высоту h, при которой давление столба жидкости (гидростатическое давление rgh) уравновешивается избыточным давлением Dр, 2s/R = rgh, где r - плотность жидкости, g -ускорение свободного падения. h =2σ/ρgh. Но радиус кривизны жидкости R связан с радиусом капилляра r: R = r/cos ά r: где ά - угол края, т.е. высота подъёма в капилляре равна h = 2σcos ά/R; - формула Жюрена.

Контрольные вопросы.

1. Что такое жидкость и каковы ее свойства?

2. Объяснить природу сил поверхностного натяжения.

3. Что такое смачиваемость и несмачиваемость?

4. Дать определение коэффициента поверхностного натяжения.

5. За счет чего возникает дополнительное давление на границе раздела?

6..Что такое капиллярные явления, где они наблюдаются и применяются?

 

Методика и техника эксперимента.

Жидкость накапливается в виде капли на конце бюретки (рис.). Капля имеет шейку примерно цилиндрической формы. По мере накопления капли площадь шейки увеличивается. Происходит процесс, в ходе которого увеличивается поверхность шейки капли под действием силы тяжести mg. В момент отрыва капли сила тяжести mg уравновешивается силами поверхностного натяжения Fi, действующими по контуру, ограничивающему поперечное сечение шейки радиуса r. Результирующая, сил поверхностного натяжения F = ΣF_i может быть вычислена как F = a2pr. Отсюда mg = a2pr, а коэффициент поверхностного натяжения

a = (mg)/(pd), где d = 2r – диаметр капли; m - её масса; g - ускорение свободного падения. Массу капли можно определить, измерив объём V некоторого числа n капель, и зная плотность r: m = (PV)/n. Расчётная формула имеет вид a = (rgV)/(pdn).

 

Порядок выполнения работы.

1.Налить в бюретку воду. Снять со шкалы бюретки показание, соответствующее объёму налитой жидкости.

2.Открыть кран бюретки так, чтобы капли можно было считать. Отсчитав n = 100 капель, закрыть кран.

3.Снять со шкалы бюретки показание V₂ оставшегося объема.

4.Открыть кран бюретки и, наблюдая в измерительный микроскоп, измерить диаметр шейки капли в момент отрыва.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: