Работа 6. Поверхностное натяжение
1. цель работы.
Познакомиться с явлением поверхностного натяжения в жидкостях; определить коэффициент поверхностного натяжения жидкостей различными способами..
2. вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению.
1) Энергетическая потенциальная яма для молекул жидкости в объеме жидкости и на поверхности жидкости.
2) Коэффициент поверхностного
натяжения
,
единицы его измерения из энергетических
соображений и исходя из понятия силы
поверхностного натяжения.
3) Направление сил поверхностного натяжения.
4) Давление Лапласа.
5) Высота поднятия жидкости в капилляре.
6) Методы измерения коэффициента поверхностного натяжения и их теоретическое обоснование.
Часть 1. Сведения из теории.
Известно, что всякая система частиц стремиться к состоянию термодинамического равновесия, характеризующемуся минимумом потенциальной энергии. В конденсированных средах, например, в жидкости, каждая молекула находится в поле потенциальных сил соседних молекул. Вследствие этого молекулы поверхностного слоя, имеющие меньшее число соседей, обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в объеме. Поверхностные молекулы стремятся уменьшить свою потенциальную энергию, т.е. уйти с поверхности в объем, что соответствует тенденции к уменьшению площади поверхности. Таким образом, равновесному состоянию жидкости соответствует минимальная свободная поверхность.
Постоянное стремление жидкости к сокращению свободной поверхности и приводит к возникновению явления поверхностного натяжения.
Количественно это явление
характеризуется коэффициентом
поверхностного
натяжения
,
определяемого работой необходимой для
обратимого изотермического
образования единицы площади поверхности.
Коэффициент поверхностного натяжения
можно определить также, как величину
численно равную
силе, действующей на единицу длины
контура поверхности и стремящейся
сократить поверхность до минимума при
заданном объеме жидкости, т.е.
Величиной и изменением поверхностного натяжения на границах раздела различных фаз (жидкость-газ, жидкость-твердое тело) обусловлены многие поверхностные явления (такие как смачивание, капиллярность и др.), положенные в основу ряда методов определения коэффициента поверхностного натяжения.
В данной работе коэффициент поверхностного натяжения определяется:
1) методом отрыва кольца;
2) методом отрыва капель;
3) методом измерения по добавочному давлению Лапласа;
4) методом измерения высоты поднятия жидкости в капилляре.
Часть 2. Метод отрыва кольца.
Этот метод основан на явлении смачивания.
Экспериментальная установка состоит из тонкого легкого кольца, подвешенного на длинной пружине из тонкой проволоки, способной удлиняться на значительную величину по действием малой силы, и широкого сосуда, заполненного жидкостью для фиксации положения нижнего конца пружины к ней припаян тонкий горизонтальный диск-индикатор, а установка снабжена зеркальной шкалой (рис. 1).
|
|
|
|
Если кольцо опустить
в воду, а потом
начать медленно сливать
воду
через сливное устройство вблизи дна
сосуда, то вследствие смачивания в
процессе понижения уровня жидкости
вслед за кольцом вытянется
водяной цилиндрик
(рис.2).
Сила поверхностного натяжения
,
где
– внешняя и внутренняя граница
поверхностей водяного цилиндрика, будут
удерживать кольцо
до тех пор, пока не уравновесится
упругой силой
пружины
.
В момент, когда
,
кольцо оторвется от жидкости.
Зная коэффициент упругости пружины и отметив по шкале положение диска-индикатора в момент отрыва кольца, можно рассчитать коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле
Часть 3. Метод отрыва капель.
Этот метод тоже основан на явлении смачивания. Экспериментальная установка включает капельницу со съемным капиллярным наконечником и небольшой сосуд (стаканчик).
В процессе медленного,
по каплям, вытекания
жидкости из
цилиндрического капилляра, происходит
формирование капли
на конце капилляра (рис.
3). Висящая на конце
смачиваемого ею капилляра радиусом
капля, удерживается
силами поверхностного
натяжения до тех пор, пока ее вертикальная
составляющая
не станет
равной силе тяжести
капли
.
определив массу
капли и измерив
наружный радиус
капилляра можно рассчитать коэффициент
поверхностного натяжения
Это идеальная модель отрыва капли. Реально отрыв капли происходит по радиусу, несколько меньшему, чем внешний радиус капилляра, и часть жидкости остается на трубке. Учет этих поправок приводит к преобразованию расчетной формулы к виду
