Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
34
Добавлен:
02.04.2015
Размер:
70.14 Кб
Скачать

работа 23. определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Цель работы - определить коэффициент поверхностного натяжения воды при комнатной температуре по капиллярному подъему.

Общие сведения

Над свободной поверхностью жидкости находится ее пар. Плотность пара во много раз меньше плотности жидкости. Поэтому молекула поверхностного слоя окружена меньшим числом молекул, чем молекула, находящаяся внутри жидкости. Силы, действующие на молекулу поверхностного слоя со стороны молекул жидкости и пара, не уравновешиваются, и результирующая сила направлена внутрь жидкости.

Для перевода молекулы жидкости изнутри в поверхностный слой необходимо совершить работу, за счет которой увеличивается запас потенциальной энергии молекул поверхностного слоя жидкости. Любая система в состоянии равновесия имеет минимальную потенциальную энергию. Жидкость может уменьшить свою потенциальную энергию за счет уменьшения площади поверхности. Следовательно, существуют силы, стремящиеся сократить поверхность жидкости. Эти силы и называют силами поверхностного натяжения. Они направлены по касательной к поверхности жидкости. Чтобы увеличить поверхность жидкости, надо совершить работу против сил поверхностного натяжения:

,                                   (1)

где  - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения.

Коэффициент  является одной из основных величин, характеризующих свойства жидкости. Если  = 1, то, как следует из формулы (1),  = , т.е. коэффициент поверхностного натяжения определяется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости на единицу. Коэффициент поверхностного натяжения в СИ измеряется в ньютонах на метр.

`С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения жидкости уменьшается, и при критической температуре, когда исчезает различие между жидкостью и ее паром,  = 0. Можно показать, что если сила взаимодействия между молекулами жидкости меньше силы взаимодействия этих молекул с молекулами вещества, из которого изготовлен сосуд, то поверхность жидкости будет вогнутой (смачивание); при обратном соотношении поверхность будет выпуклой (несмачивание). В результате искривления поверхности появляется добавочное давление, которое согласно формуле Лапласа

,                                   (2)

где R1 и R2 - радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных нормальных сечений поверхности жидкости.

Искривление поверхности особенно заметно в очень узких трубках - капиллярах. Для цилиндрических капилляров формула (2) принимает вид

,                                    (3)

где R - радиус сферической поверхности, при полном смачивании или несмачивании практически равный радиусу капилляра.

В случае смачивающей жидкости добавочное давление p является отрицательным по сравнению с атмосферным. Если стеклянный капилляр опустить в широкий сосуд с водой, то жидкость в капилляре будет подниматься выше уровня ее в широком сосуде до тех пор, пока гидростатическое давление столбика жидкости не уравновесит добавочное давление, вызванное кривизной поверхности. Зная добавочное давление p, по формуле (3) можно найти коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Чтобы измерить p, воспользуемся следующим способом. Как было указано выше, уровень смачивающей жидкости в капилляре выше уровня ее в широком сосуде. Если над уровнем воды в капилляре создать давление , добавочное по сравнению с давлением воздуха на воду в широком сосуде, то уровень воды в капилляре понизится и сравняется с уровнем воды в сосуде. При этом добавочное давление воздуха будет равно добавочному давлению p, вызванному кривизной поверхности.

Добавочное давление воздуха измеряется по разности уровней h жидкости в коленах манометра:

,                                        (4)

где  - плотность жидкости в манометре; g - ускорение свободного падения.

Следовательно,

,

откуда

(5)

Порядок выполнения работы

Капилляр, опущенный в стакан К с водой, трубкой В сообщается с более широкой трубкой D и манометром С (см. рисунок). Трубка D опущена в сосуд с водой, установленный на столике, который можно закрепить в любом положении винтом Е. Поднимая столик, мы сжимаем воздух в трубках В и D, и в капилляре над поверхностью воды создается добавочное давление , измеряемое манометром.

Чтобы измерить диаметр капилляра, его укрепляют на штативе и помещают перед объективом микроскопа так, чтобы в поле зрения был торец капилляра. Изображение канала капилляра должно накладываться на изображение шкалы окуляра. Изображение фокусируют перемещением штатива с микроскопом. Диаметр капилляра измеряют в делениях шкалы (цена деления указана).

Последовательность проведения измерений следующая:

1) укрепить на штативе вставленный в пробку капилляр и изме­рить его диаметр микроскопом;

2) вставить капилляр с пробкой в трубку В установки и, поднимая столик F, погрузить нижний конец капилляра на 12 мм в воду (вода в капилляре установится выше уровня воды в стакане);

3) поднимая столик E, опускать уровень воды в капилляре до тех пор, пока не появится и не оторвется первый пузырек воздуха;

4) измерить разность h1 уровней жидкости в манометре три раза, вычислить добавочное давление воздуха в капилляре h = h1 - h', где h' - превышение уровня воды в стакане над нижним концом капилляра,  h= 12 мм.

5) повторить пп.1-4 с капиллярами различных диа­метров.

Результаты опыта записать в таблицу:

Номер

опыта

d

R

R

h

h

6. Для каждого капилляра вычислить коэффициент поверхностного натяжения  по формуле (5), а затем среднее значение .

7. Вычислить среднюю арифметическую погрешность .

Результаты измерений следует представить в виде

.

Контрольные вопросы

1. Чем обусловлена энергия поверхностного слоя жидкости?

2. Какова физическая природа сил поверхностного натяжения? Как они направлены?

3. Что такое коэффициент поверхностного натяжения? От чего он зависит и в каких единицах измеряется?

4. Что такое лапласово давление? Как его рассчитывают?

5. Почему при смачивании жидкость в капиллярах поднимается, а при несмачивании опускается? От чего зависит высота подъема жидкости в капиллярах?