Лабораторная работа 16 Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости
![]()
|
Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярёва» Кафедра ПМ и САПР Лабораторная работа № 1.16 «Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости» Цель работы: Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды. Задания к работе: n= 8,tºC= 22º К работе допущен: Работу выполнил: Работу защитил: Ковров 2018 Введение Молекулы жидкости взаимодействуют между собой с силами притяжения на расстоянии, равном нескольким эффективным диаметрам молекулы, т.е. величине порядка 10-9 м. Это расстояние является радиусом молекулярного действия r. Сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия. Таким образом, каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех молекул, находящихся внутри сферы молекулярного взаимодействия, центр которой совпадает с центром рассматриваемой молекулы. Для молекул М1, находящихся от поверхности жидкости на расстоянии ![]() Иначе обстоит дело, если молекула находится на расстоянии от поверхности, меньшем r. В этом случае часть сферы молекулярного действия, выступающая над поверхностью жидкости, заполнена молекулами пара и воздуха. Так как плотность газообразной сферы над поверхностью жидкости многократно меньше плотности жидкости, то на молекулы, находящиеся в поверхностном слое, например, молекулы М2 и М3 (рис. 1), действует равнодействующая сила fравн, направленная внутрь жидкости перпендикулярно к поверхности. Модуль этой силы растет при переходе от внутренней к наружной границе слоя. ![]() Рис.1 Схема для объяснения свойств поверхностного слоя жидкости Переход молекулы из глубины жидкости на поверхность приводит к увеличению площади поверхности на величину dS и сопровождается работой против равнодействующей силы:
Коэффициент ɑ - является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (ɑ>0) . Он численно равен работе, совершаемой молекулами, переходящими из глубины поверхности за единицу. В системе СИ - [ɑ]=Дж/м2. Работа молекулы, переходящей из глубины жидкости в поверхностный слой, совершается за счет ее кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Таким образом, молекулы в поверхностном слое обладает избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости:
Эта избыточная потенциальная энергия есть свободная энергия поверхностного слоя. Таким образом, из (1) и (2) следует, что коэффициент поверхностного натяжения можно определить как свободную энергию единицы площади поверхностного слоя жидкости:
где ![]() Если на поверхности жидкости мысленно провести замкнутый контур и удалить поверхностные молекулы за пределами этого контура, то для того, чтобы при этом форма контура не изменилась в соответствии с принципом Лагранжа, к контуру следует приложить эквивалент действия удаленных поверхностных молекул. Таким эквивалентом являются силы притяжения между поверхностными молекулами, направленные по касательной к поверхности жидкости (рис.2). Эти силы называются силами поверхностного натяжения. ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рис.2. Участок поверхности жидкости на котором показаны силы поверхностного натяжения, действующие на замкнутый контур. Вывод молекул из глубины жидкости на поверхность, ограниченную контуром, приводит к перемещению границы контура на величину dx. Если контур разбить на элементарные участки dl, то перемещение каждого такого участка на dxприведет к увеличению площади поверхности жидкости, ограниченной контуром, на dS. Такое увеличение поверхности приведет к увеличению свободной энергии, потенциальной по своей сути, как следует из (3), на величину:
В этом случае модуль силы поверхностного натяжения с учетом (4) можно определить из связи между консервативной силой и потенциальной энергией:
Из (5) коэффициент поверхностного натяжения можно определить как физическую величину, численно равную силе поверхностного натяжения, действующей на единице длины линии, мысленно проведенной на поверхности жидкости. В этом случае единица измерения коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ - [ɑ] = Н/м. Коэффициент поверхностного натяжения вызывают дополнительное избыточное давление в жидкости в случае, если ее поверхность является плоской. Так как в равновесии свободная энергия поверхности стремится к минимуму, то и поверхность жидкости стремится к наименьшей в данных условиях площади, что приводит к появлению положительного избыточного давления (∆p>0) в случае выпуклой поверхности (рис. 3,а) и отрицательного избыточного давления (∆p<0) в случае выгнутой поверхности (рис. 3,б). ![]() Рис.3. Избыточное давление под выпуклой поверхностью (а) и избыточное давление под выгнутой поверхностью (б) Величина избыточного давления ∆p определяется формулой Лапласа:
где R1 и R2 - радиусы кривизны поверхностности в двух взаимно перпендикулярных сечениях. Для сферической поверхности R1=R2. Избыточное давление в соответствии с (6) определяется по формуле:
Существует ряд методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей: метод отрыва капель, метод отрыва кольца от поверхности жидкости, капиллярный метод, метод наибольшего давления в пузырьке газа и др. Описание установки В настоящей работе коэффициент поверхностного натяжения определяется методом наибольшего давления в пузырьке газа. Этот метод реализуется в экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 4. ![]() Принцип действия установки заключается в следующем. При перетекании жидкости из сосуда 2 в сосуд 1 жидкость из сосуда 1 вытесняет воздух через калиброванный капилляр трубки 4, на срезе которого формируется и срывается в пузырек воздуха. Давление необходимое для этого процесса, обеспечивается перепадом гидростатических давлений жидкости в первом и втором сосудах. Выходу воздуха из капилляра препятствует гидростатическое давление жидкости на глубине h и лапласово давление на срезе капилляра. Образование и отрыв пузырьков воздуха прекращается при равенстве давления воздуха на выходе капилляра p1 максимальному давлению воздуха в пузырьке p2: ![]() |