Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

                                Лабораторная работа №16.

Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Приборы и принадлежности: весы торсионные, исследуемая жидкость, скоба, штангенциркуль.

Цель работы: измерение коэффициента поверхностного натяжения.

                                             Введение

Разнообразные свойства жидкости, а следовательно жидких продуктов как продовольственных, так и непродовольственных, определяются особенностями строения, которые связаны со структурой молекул и прежде всего с характером молекулярного взаимодействия. Значение этих закономерностей необходимо, например, для создания эффективного контроля качества, что  является достаточно актуальной задачей.

Важным свойством, которым обладает жидкость, является поверхностное натяжение. Оно хорошо известно из опыта. Так, у налитой в стакан жидкости, в отличии от газа, есть хорошо определенная граница раздела, образованная ее свободной поверхностью, которая, как правило, устанавливается горизонтально. Эта граница сформирована силами поверхностного натяжения. Если жидкость нагревать, то эти силы будут уменьшаться, и граница разрушится.

Силы поверхностного натяжения имеют электромагнитную (кулоновскую) природу, поскольку обусловлены взаимодействием молекул, и быстро уменьшаются в зависимости от расстояния. Их характерный радиус действия имеет величину порядка 10^{-7 см, т.е. величину размера молекулы. Поэтому молекула может эффективно взаимодействовать лишь со своими ближайшими соседями.}

Находясь внутри жидкости, как показано на рис. 1 а , молекула испытывает притяжение со стороны своего окружения. Однако из соображений симметрии легко понять, что все силы попарно уравновешиваются и дают равнодействующую равную нулю.

Состояние молекулы на поверхности оказывается существенно иным. Над поверхностью жидкости находится насыщенный пар и газообразный воздух. Если давление мало превышает атмосферное, а температура близка к нормальной, то газ можно считать идеальным и пренебрегать его взаимодействием с молекулами из поверхностного слоя. Тогда действие молекул из ближайшего окружения, находящиеся под поверхностью жидкости, не будет стремиться втянуть внутрь жидкости под действием возникающих сил, т.е. сил поверхностного натяжения.

Для количественной характеристики поверхностного натяжения вводят коэффициент поверхностного натяжения a, который представляет силу, действующую на единицу длины:

                                           a=F/l,                                         (1)

где F- величина силы поверхностного натяжения, а l- длина контура, ограничивающего поверхность жидкости. Зная силу поверхностного натяжения F, можно вычислить работу, которую надо совершить, чтобы увеличить поверхность жидкости. Для этого рассмотрим проволочный контур с подвижной границей, на котором натянута тонкая пленка, например, мыльная, как показано на рис. 2. Под действием сил поверхностного натяжения пленка стремится сократиться. Поэтому, чтобы удержать ее в равновесии надо приложить силу, которая согласно (1) будет равна:

                                           F=2 al,                                          (2)

где учтено, что поверхностей две. Заметим, что сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности. Тогда, чтобы увеличить площадь пленки на величину DS=2lDх, требуется совершить работу

                                             DА=FDx                                     (3)

или с учетом (2)

                                                  DА=aDS.                                    (4)

Совершаемая работа идет на увеличение энергии пленки DЕ: DА= DЕ.

В результате из (4) найдем, что

                                              a= DЕ/DS                                     (5)

В термодинамике энергия Е называется свободной энергией, т.е. отношение (5) показывает, что коэффициент поверхностного натяжения  a представляет собой свободную энергию, приходящуюся на единицу площади поверхности жидкости.

Хорошо известно, что любая физическая система, если на нее не действуют внешние силы, стремится уменьшить свою свободную энергию. Применительно к явлению поверхностного натяжения это приводит к тому, что жидкость, например, в условиях несовместимости, когда отсутствует сила тяжести, принимает форму шара. Последнее не трудно понять, учитывая, что шар имеет минимальную поверхность, а, следовательно, жидкость имеет минимальную свободную энергию при фиксированном объеме.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры, и с ростом температуры для большинства жидкостей по линейному закону

                                          a=a₀(1-t/t_k) ,                                (6)

где  a₀ - значение коэффициента поверхностного натяжения при температуре t=0⁰ C, а t_k- критическая температура. Такое поведение связано с тем, что рост температуры приводит к уменьшению взаимодействия молекул из-за увеличения их к кинетической энергии. При достижении критической температуры, как следует из (6), a=0, и поверхность раздела исчезает. Для воды при t=20⁰ С значение коэффициента поверхностного натяжения a» 72,78×10^-3 Н/М.

                                         Описание установки

Определение коэффициента поверхностного натяжения производится путем взвешивания проволочной скобы, погруженной в жидкость, в момент отрыва от поверхности слоя. Из-за сил поверхностного натяжения, которые стремятся втянуть скобу внутрь жидкости, вес скобы будет больше, чем ее вес в воздухе. В результате

                          a= (Р₂-Р₁)/2l ,                                             (7)

где Р₂ и Р₁ - вес скобы в момент отрыва и в воздухе, l - длина скобы.

Схема установки показана на рис.3. Для определения веса используют торзионные весы. Коромысло весов 1 в нерабочем положении зажато, на что указывает положение арретира 2. Чтобы освободить коромысло, арретир переводят в положение «свободно». Указателем веса следит стрелка3. Рычагом 4 стрелка устанавливается в нулевое положение. При этом стрелка 5 должна совместиться с чертой равновесия. Затем арретир переводят в положение «зажато».

                                               Ход работы  

1.  Взвесить скобу в  воздухе. Для этого к коромыслу весов подвешивается скоба 6. Арретир переводится в положение «свободно». Повтором рычага 4 совмещают стрелку 5 с чертой равновесия. Показания стрелки 5 отвечают весу скобы Р₁. Коромысло весов зажимают арретиром.

2.  Взвесить скобу в момент отрыва от поверхности жидкости. Для этого сосуд с жидкостью 7 подводится под скобу. Коромысло весов освобождается, и рычагом 4 скоба опускается в жидкость. После ее погружения в жидкость рычагом 4 медленно поднимают скобу пока не произойдет отрыв скобы от поверхностного слоя. В момент отрыва определить показания весов Р₂ .

3.  Измерить длину скобы.

4.  Все измерения проводятся 3 раза. Результат, полученный с помощью расчетной формулы (7), записать в виде

                                                                           (8)

где абсолютная погрешность Da может быть найдена из соотношения:

                              

 - относительные погрешности при измерении веса и длины.

                                        Контрольные вопросы 1

1.  Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения. Каков его физический смысл?

2.  Приведите примеры, указывающие на существование поверхностного натяжения.

3.  Поясните, как измеряется коэффициент поверхностного натяжения в данной работе.

                                             Контрольные вопросы 2

1.  Чем обусловлено поверхностное натяжение жидкостей?

2.  Сформулируйте основные положения молекулярно- кинетической теории.

3.  Какую природу имеют силы взаимодействия между молекулами?

4.  Выведите выражение для работы, которую нужно совершить, чтобы изменить площадь поверхности жидкости.

5.  Какую форму принимает свободно падающая капля?

6.  От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

7.  Почему вес тела в воздухе отличается от веса тела внутри жидкости и не ее поверхности?

                                                     Литература

1.  Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т. 1,п. 43, 1967.

2.   Грабовский Р.И. Курс физики, п. 61, 1980.

3.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1, п. 143,1971.