Мета роботи: визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідин.
Устаткування: чашка з водою, алюмінієві кільця, пружина, лінійка,
На молекули рідини, розташовані на її поверхні з боку інших молекул діють сили, спрямовані всередину рідини, внаслідок чого поверхневий шар рідини виробляє на інші верстви молекулярне тиск, в результаті якого рідина приймає таку форму, щоб поверхня її була найменшою при даному обсязі (роса в формі кульки).
Напружений стан поверхневого шару рідини називається поверхневий натяг і викликано силами тяжіння між молекулами цього шару.
Сума сил тяжіння, що діють на контур, що обмежує поверхню рідини, називається силою поверхневого натягу. Ставлення сили поверхневого натягу, що діє на контур, що обмежує поверхню рідини, до довжини цього контуру називається коефіцієнтом поверхневого натягу:. (1)
Вимірюється коефіцієнт поверхневого натягу в Н / м.
При розтягуванні поверхні рідини з її глибини до поверхні переміщаються молекули, при цьому відбувається робота проти сил молекулярного тяжіння і потенційна енергія поверхні рідини збільшується. При зменшенні поверхні молекулярні сили здійснюють роботу по переміщенню молекул всередину і потенційна енергія поверхні зменшується. Ця енергія називається вільною енергією поверхні рідини W.
Коефіцієнт поверхневого натягу (ВПП) може бути визначений як відношення вільної енергії поверхні рідини до площі цієї поверхні. . (2)
Вимірюється ВПП в. Величина ВПП змінюється в залежності від знаходяться в рідині домішок. Речовини, що ослабляють поверхневий натяг, називаються поверхнево активними речовинами - ПАР (нафта, спирт, ефір, мило). Сіль і цукор збільшують силу поверхневого натягу.
Молекули рідини взаємодіють не тільки один з одним, але і з молекулами твердих тіл. Якщо взаємодія між молекулами самої рідини більше взаємодії між молекулами рідини і твердого тіла, то така рідина буде несмачіваемих (рис. 1, а). Якщо ж сили взаємодії між молекулами рідини і твердого тіла більше сил взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина буде смачивающей (рис. 1, б).
Кут між поверхнею твердого тіла і дотичній до поверхні рідини називаетсякраевим кутом смачіваніяq.
Поверхня рідини (меніск), налитої в посудину, викривляється у її стінок: піднімається в разі смачивающей рідини (меніск увігнутий - рис. 2, а) і опускається в разі несмачіваемих рідини (меніск опуклий - рис. 2, б).
Для того щоб система перебувала в положенні стійкої рівноваги, її потенційна енергія повинна бути мінімальна.
Тому поверхня рідини, налитої в посудину, прагне
скоротитися до мінімуму (площину), і за рахунок вигнутої форми поверхні виникає додатковий тиск D р. визначається формулою Лапласа
де R1 і R2 - радіуси кривизни двох взаємно перпендикулярних поверхонь. Знаки «+» і «-» вказують напрямок додаткового тиску (рис. 24).
Якщо рідина налита в вузький циліндричний посудину малого діаметра (капілярні трубки), то за рахунок додаткового тиску вона піднімається вгору по трубці (в разі смачивающей рідини) на висоту h. яка визначається формулою Жюрена, (4)
де: # 952; - крайовий кут змочування; r - радіус капіляра; r - щільність рідини.
Коефіцієнт поверхневого натягу можна визначити різними методами. У нашій роботі він визначається методом відриву кільця і методом рахунку крапель.
Метод відриву кільця
1. Перевірте стан установки. Площина кільця повинна бути горизонтальна.
2. Відрахуйте положення покажчика «а» на шкалі ненагруженного динамометра,
потім положення «b», коли на чашку покладено вантаж масою m. вираженою в кг. Вага визначте за формулою Р = mg.
3. За формулою обчисліть ціну поділки шкали динамометра в Н / справ.
4. Прибравши грузик, підійміть кювету з водою за допомогою кремальєри до
дотику поверхні рідини з кільцем. Опустіть кювету, визначте положення «с» покажчика в момент відриву кільця. Досвід повторіть 3 рази і визначте середнє значення рср.
5. За формулою Fср = k (cср - a) обчисліть середню силу поверхневого натягу
6. За формулою l = π (d1 + d2) (де d1 і d2 - зовнішній і внутрішній діаметри кільця) обчисліть довжину кордону поверхневого шару, обмеженого кільцем.
7. За формулою обчисліть коефіцієнт поверхневого натягу води.
8. Знайшовши по таблиці значення коефіцієнта поверхневого натягу води при температурі досвіду т знайдіть похибки вимірювань.
9. Результати вимірювань і обчислень занесіть в таблицю 1.
2. Метод рахунку крапель Форма і розмір крапель, що відриваються від кінця капілярної трубки, залежить не тільки від сили поверхневого натягу, а й від діаметра трубки і щільності витікаючої рідини (рис. 25). Перед відривом краплі утворюється шийка, радіус r якої трохи менше радіуса капілярної трубки. Уздовж окружності шийки діє сила поверхневого натягу F = 2πr # 945 ;. яка в момент відриву дорівнює силі тяжіння краплі Р = mg2πr # 945; = Mg (5) звідки (6)
Через складність відліку маси краплі і радіуса шийки розрахунок за формулою (9.6) дає великі похибки, тому використовується метод порівняння коефіцієнта поверхневого натягу досліджуваної рідини з коефіцієнтом поверхневого натягу a0 еталонної рідини (дистильованої води). Нехай з однакового обсягу (між мітками трубки) випливає n крапель досліджуваної рідини і n0 - крапель еталонної рідини. Масу однієї краплі рідини висловимо за формулою
тоді вираз (5) для обох рідин запишеться:
де: r і r0 - щільності досліджуваної і еталонної рідин.
Вважаючи радіуси шийки краплі для обох рідин мало відрізняються і перетворивши рівняння (8) щодо a. отримаємо:
1. У сталагмометра налийте дистильовану воду і прорахуйте кількість крапель n0 між мітками, попередньо відрегулювати швидкість їх витікання. Щільність r0 і коефіцієнт поверхневого натягу a0 для температури досвіду випишіть з таблиці.
2. Промийте трубку 1% розчином досліджуваної рідини (кухонної солі), налийте таку ж кількість її. Прорахуйте кількість крапель між мітками. За формулою (9.9) розрахуйте коефіцієнт поверхневого натягу досліджуваної рідини.
3. Досвід повторіть з 3, 7 і 9% -ми розчинами цієї рідини і розрахуйте для них коефіцієнти поверхневого натягу. Щільність цих рідин вказана на судинах.
4. Внесіть результати в таблиць
5. викреслив графік залежності коефіцієнта поверхневого натягу від концентрації розчину, відкладаючи по осі абсцис концентрацію розчину, а по осі ординат значення коефіцієнта поверхневого натягу.
6. Виконайте ті ж досліди для розчинів цукру в воді.
7. Зробіть висновок, як змінюється ВПП в розчині цукру.
Питання до захисту роботи:
1. Дати визначення ВПП, вказати одиниці його вимірювання.
2. Які сили називаються молекулярними і як вони змінюються при зміні відстані між молекулами?
3. Що таке вільна енергія поверхні рідини?
4. Які речовини називаються поверхнево активними?
5. Чим пояснюється змочування рідиною поверхні твердого тіла?
6. Яку форму має поверхню смачивающей і не смачивающей рідини?
7. Чим обумовлено і як направлено додатковий тиск? Як його розрахувати?
8. Як пояснити капілярні явища? Як розрахувати висоту підйому рідини в капілярній трубці?
9. Виводьте формулу коефіцієнта поверхневого натягу методом рахунку
Лабораторна робота № 9