Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости
Скачать 7.91 Mb.
|
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Кафедра «Физика» Д.С. Штарев ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ Методические указания по выполнению лабораторной работы Хабаровск Издательство ДВГУПС 2012 УДК 532.61(075.8) ББК В365.35я73 Ш 876 Рецензент: Кандидат физико-математических наук, профессор кафедры Физика» Дальневосточного государственного университета путей сообщения А.В. Сюй
Приведены краткие теоретические сведения по основам явления поверхностного натяжения и связанных с ним явлений (смачивание, несмачивание, капиллярные эффекты и т.д.). Описаны основные методы измерения коэффициента поверхностного натяжения. Также дается подробная последовательность действий по измерению поверхностного натяжения методом отрыва кольца и капиллярным методом. Предназначены для студентов 1-го курса дневной формы обучения всех инженерных специальностей, изучающих дисциплину «Физика». УДК 532.61(075.8) ББК В365.35я73 © ДВГУПС, 2012 ВВЕДЕНИЕПоверхностные явления (такие как поверхностное натяжение жидкости) на границах раздела фаз жидкость – газ и жидкость – твердое тело являются наилучшей демонстрацией молекулярной структуры жидкости. Изучение явления поверхностного натяжения жидкости на практике помогает студентам лучше понять природу сил межмолекулярного притяжения и связанные с этим явления: смачивание, несмачивание, капиллярность. В свою очередь, понимание физической сущности этих эффектов очень важно для правильного формирования профессиональных навыков студента, так как поверхностные явления крайне широко представлены в жизни человека: гидравлические приводы машин и механизмов, очистка поверхностей от загрязнителей, технология получения новых материалов микроэлектроники, течение крови по капиллярным сосудам в теле человека… Данная лабораторная работа выполняется с целью изучения молекулярных свойств жидкости и определения коэффициента поверхностного натяжения воды двумя методами – методом отрыва кольца и капиллярным методом. Работа является частью раздела «Молекулярная физика и термодинамика», изучаемого в курсе физики высшей школы. Цель работы – измерить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва кольца и капиллярным методом. Оборудование: 1) весы Жоли; 2) капиллярные трубки разных диаметров; 3) сосуд для жидкости; 3) штангенциркуль; 4) исследуемая жидкость (вода). 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ1.1. Общие положенияЖидкости и газы по своим механическим свойствам очень похожи. Поэтому их часто рассматривают и описывают одинаково, считая сплошными средами, не имеющими структуры. Но если обратиться к молекулярному устройству жидкостей и газов, то станут очевидными различия, связанные с разным положением молекул в них. В жидкостях расстояние между молекулами гораздо меньше, чем в газах, молекулы «упакованы» значительно плотнее, поэтому имеют место некоторые особенности. Одна из таких особенностей – явление поверхностного натяжения, которое рассматривается в данной лабораторной работе. Явление поверхностного натяжения заключается в стремлении жидкости сократить площадь своей поверхности. Это явление можно объяснить, основываясь на представлениях о молекулярном строении жидкостей. На каждую молекулу жидкости со стороны других молекул действуют силы гравитационного притяжения: , (1) где G = 6,672510-11 м3/(кгс2) – гравитационная постоянная, m1, m2 – массы взаимодействующих молекул; R – расстояние между центрами их масс. Как видно из (1), силы притяжения между молекулами очень быстро убывают с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния между ними). Поэтому, начиная с некоторого «граничного» расстояния этими силами можно пренебречь. Это расстояние имеет величину порядка 10-9 м и называется радиусом молекулярного действия r. Сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия. Итак, каждая молекула подвергается действию сил притяжения со стороны молекул, входящих в сферу молекулярного действия. Но молекулы, находящиеся за пределами этой сферы, не действуют на рассматриваемую молекулу (точнее, действием сил притяжения к ним можно пренебречь). Выделим некоторую молекулу жидкости, окруженную со всех сторон другими молекулами. Силы, действующие на нее, сосредоточатся внутри сферы молекулярного действия (рис. 1). Эти силы направлены в разные стороны. А так как количество молекул внутри сферы молекулярного действия очень велико1, то силы притяжения рассматриваемой молекулы к ним в целом скомпенсированы, и равнодействующая всех этих сил равна нулю (в этом можно легко убедиться на рис. 1: возьмите любую молекулу внутри сферы молекулярного действия и найдите вторую молекулу, расположенную на таком же расстоянии, но с противоположной стороны от рассматриваемой молекулы). Рис. 1. Силы, действующие на молекулу, находящуюся в объеме жидкости: – рассматриваемая молекула; – молекулы, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не входящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу Таким образом, молекула, находящаяся в объеме жидкости не испытывает на себе воздействия со стороны других молекул, так как их суммарное воздействие на рассматриваемую молекулу скомпенсировано. Совершенно иная картина по сравнению с глубиной жидкости наблюдается на её поверхности. Здесь на любую рассматриваемую молекулу так же будут действовать силы со стороны молекул жидкости, находящихся внутри сферы молекулярного действия. Коренное различие заключается в том, что жидкость находится только с одной стороны от поверхности. С другой стороны находится газ или вакуум. Как уже было отмечено выше, расстояние между молекулами в газе значительно (на несколько порядков) превышает расстояние между молекулами в жидкости. Это означает, что количество молекул газа, находящихся вблизи границы раздела жидкость – газ и могущих притягивать рассматриваемую молекулу, несущественно и их воздействием мы вправе пренебречь. Следовательно, сфера молекулярного действия превращается в полусферу, и равнодействующая молекулярных сил уже не будет равна нулю. Эта равнодействующая направлена внутрь жидкости и в общем случае не перпендикулярна и не параллельна поверхности жидкости (рис. 2). Рис. 2. Силы, действующие на молекулу, находящуюся на границе раздела фаз жидкость – газ: – рассматриваемая молекула; – молекулы, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не входящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу Для того чтобы найти равнодействующую всех сил, действующих на рассматриваемую молекулу на поверхности жидкости, необходимо сложить силы, с которыми рассматриваемая молекула притягивается к каждой молекуле, входящей в сферу молекулярного действия. Для этого каждую такую силу следует представить в виде двух ортогональных составляющих: нормальную к поверхности жидкости и касательную к ней (рис. 3). Рис. 3. Силы поверхностного натяжения и внутреннего (молекулярного) давления жидкости: – рассматриваемая молекула; – молекулы, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не входящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу; – сила поверхностного натяжения; – сила, обуславливающая внутреннее (молекулярное) давление Первая – нормальная к поверхности сила Fд – вызывает так называемое внутреннее, или молекулярное давление – давление жидкости на себя. Это давление не действует на тела, помещенные в жидкость, ибо оно вызвано исключительно молекулярными силами. Вторая же сила – касательная к поверхности FП.Н – называется силой поверхностного натяжения. Эта сила всегда стремится сократить свободную поверхность жидкости. Если мы будем каким-либо способом растягивать поверхность, силы поверхностного натяжения будут препятствовать этому. Рассмотрим этот процесс с энергетической точки зрения. Чтобы развести две молекулы на некоторое расстояние, необходимо совершить работу против сил молекулярного притяжения (1). Это означает, что система из многих молекул будет обладать потенциальной энергией вследствие межмолекулярного взаимодействия. Во внутренних слоях жидкости, как мы помним, молекулярные силы скомпенсированы (то есть их равнодействующая равна 0), поэтому потенциальная энергия отсутствует (равна 0). В поверхностном слое это не имеет места; молекулы поверхностного слоя обладают потенциальной энергией из-за существования нескомпенсированной силы поверхностного натяжения. Эта потенциальная энергия называется поверхностной энергией. Чтобы увеличить площадь свободной поверхности, необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. Энергия, затраченная при этом, превращается в поверхностную энергию, которая таким образом увеличивается. Если теперь прекратить воздействие на жидкость, она, в соответствии с принципом минимума энергии, сократит свою поверхность до минимально возможного в данных условиях значения. Совершенно очевидно, что изменение поверхностной энергии ΔE в этом случае будет пропорционально изменению площади свободной поверхности жидкости ΔS: ΔE = ΔS.(2) Коэффициент пропорциональности в (2) называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости. Так как для изменения поверхностной энергии необходимо совершить работу (A = ΔE), то из уравнения (2) можно получить следующее соотношение, определяющее физический смысл коэффициента поверхностного натяжения: .(3) Как видно из формулы (3), коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, совершенной молекулярными силами при изменении площади свободной поверхности жидкости на 1 м2 при постоянной температуре. Если выделить в свободной поверхности жидкости некоторый замкнутый контур, то сила поверхностного натяжения, приведенная к единице длины этого контура, также будет численно равна коэффициенту поверхностного натяжения: .(4) Исходя из формул (3) и (4), можно определить размерность коэффициента поверхностного натяжения. В СИ он обычно измеряется в ньютонах на метр (Н/м) или в джоулях на квадратный метр (Дж/м2). Иногда используется также единица системы СГС дина на сантиметр (дин/см), равная 10-3 Н/м. Величина поверхностного натяжения зависит от температуры – с ростом температуры она уменьшается. Также в значительной степени она зависит от примесей, содержащихся в жидкости. Существуют различные методы определения коэффициента поверхностного натяжения. Ниже изложены теоретические основы некоторых из них. 1.2. Метод отрыва кольцаС явлением поверхностного натяжения неразрывно связаны также явления смачивания и несмачивания. В отличие от молекул газов, молекулы твердых тел также могут испытывать притяжение со стороны молекул жидкостей. В жизни мы можем неоднократно наблюдать поведение капель разных жидкостей при попадании их на поверхность различных твердых тел. Одни из них растекаются по поверхности (рис. 4), другие, напротив, собираются в шарики (рис. 5).
Причина, по которой различные жидкости растекаются или не растекаются на поверхности различных твердых тел, заключается в следующем. В месте контакта жидкости с поверхностью твердого тела на молекулы жидкости начинают действовать силы притяжения со стороны молекул твердого тела (из числа молекул, входящих в сферу молекулярного действия). В случае, если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела оказываются больше, чем силы притяжения между молекулами внутри жидкости, мы наблюдаем явление смачивания (рис. 6). В том же случае, если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела оказываются меньше сил притяжения между молекулами внутри жидкости, наблюдается явление несмачивания (рис. 7). Рис. 6. Механизм смачивания: – рассматриваемая молекула; – молекулы жидкости, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы твердого тела, входящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу Рис. 7. Механизм несмачивания: – рассматриваемая молекула; – молекулы жидкости, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы твердого тела, входящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу Явления смачивания и несмачивания численно характеризуются так называемым краевым углом Θ – углом между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости в точке раздела фаз «газ – жидкость – твердое тело». Как видно из рис. 6, 7, при смачивании краевой угол острый (00 > Θ > 900), при несмачивании – тупой (900 > Θ > 1800). Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения с помощью отрыва кольца основан на совершении работы против сил поверхностного натяжения. Если кольцо, смачиваемое исследуемой жидкостью, погрузить в нее, то за счет возникающего межмолекулярного притяжения, жидкость «прилипнет» к кольцу (с внутренней и внешней стороны). Если затем кольцо начать вытаскивать из жидкости, силы поверхностного натяжения будут увлекать жидкость вслед за кольцом, не позволяя кольцу оторваться от жидкости. Измерив эти силы (например, при помощи пружинных весов), можно определить коэффициент поверхностного натяжения. Пружинные весы, используемые в данной работе, представляют собой пружину, к одному концу которой прикладывается измеряемая сила, тогда как другой конец пружины закреплен. К свободному концу пружины подвешивается кольцо, смачиваемое исследуемой жидкостью. В положении равновесия указатель показывает некоторое значение h1. Кольцо приводится в соприкосновение с жидкостью. Затем посредством винтового механизма начинают поднимать пружину за закрепленный конец. Из-за сил поверхностного натяжения кольцо не отрывается от поверхности жидкости; пружина растягивается, и сила упругости увеличивается. Очевидно, что в каждом положении сила упругости, действующая со стороны пружины, уравновешивается силой тяжести и силой поверхностного натяжения. Когда сила упругости становится больше, кольцо отрывается. В момент отрыва кольца указатель показывает значение h2. При этом выполняется условие: ,(5) где m – масса кольца, Fупр – сила упругости, аFн – сила поверхностного натяжения, равная, согласно (4) Fп.н.= l. Контур, охватываемый жидкостью в момент отрыва кольца, представляет собой две концентрические окружности – внешнюю и внутреннюю стороны кольца (рис. 8). Длина этого контура l = (D1 + D2), (6) где D1 и D2– внешний и внутренний диаметры кольца соответственно. Сила же упругости, как известно из закона Гука, пропорциональна растяжению: Fупр = k|Δx|,(7) где k – жесткость пружины, подлежащая определению, Δx – растяжение пружины. Рис. 8. Взаимодействие кольца и смачивающей его жидкости Для определения k проводится следующий эксперимент. Кольцо с помощью винта опускают до соприкосновения с жидкостью и фиксируют положение указателя x0. Затем кольцо поднимают над поверхностью жидкости на 10–15 мм и крепят к кольцу груз массой 2 г (P=19,610-3 Н), после чего опять опускают винтом до соприкосновения с жидкостью. Фиксируют положение указателя x1. Так как во втором случае пружина растягивается не только подвешенным кольцом, но еще и прикрепленным грузом, ясно, что P= k|x0 – x1|=k|Δx|.(8) Из (8) следует, что .(9) Определим теперь коэффициент поверхностного натяжения . Из (4), учитывая (5), (6), (7) и (9), получим: .(10) Это окончательная формула для вычисления коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца. 1.3. Капиллярный методЯвления смачивания и несмачивания являются причиной капиллярных явлений, которые имеют большую практическую значимость. Суть их приведена ниже. Если узкую трубку (капилляр) с открытыми концами поместить одним концом в жидкость, то вследствие явлений смачивания или несмачивания, речь о которых шла выше, поверхность жидкости в капилляре искривляется (рис. 9). Рис. 9. Поведение жидкости в капиллярах Причем радиус кривизны жидкости сравним с радиусом капилляра. Такая искривленная свободная поверхность жидкости в месте её соприкосновения с поверхностью твердого тела называется мениском. В зависимости от формы искривления жидкости мениск может быть вогнутым и выпуклым. Из-за действия межмолекулярных сил искривленная поверхность жидкости будет оказывать на жидкость добавочное давление. Если жидкость смачивает поверхность капилляра, то поверхность ее будет вогнутой (вогнутый мениск), а добавочное давление – отрицательным. Из-за разности давлений жидкость будет подниматься по капилляру до некоторой высоты h см. рис. 9, а). В случае, если жидкость не смачивает капилляр, ее поверхность будет выпуклой (выпуклый мениск), добавочное давление – положительным, следовательно, уровень жидкости в капилляре будет ниже уровня жидкости снаружи (см. рис. 9, б). Добавочное давление под искривленной поверхностью жидкости определяется по формуле ,(11) где R – радиус кривизны поверхности жидкости. Если жидкость в капилляре поднялась (или опустилась) до какого-то уровня h (см. рис. 9, а) и остановилась, значит, гидростатическое давление уравновешено добавочным давлением искривленной поверхности жидкости: , (12) где ρ – плотность жидкости. Как мы видим, высота поднятия жидкости в капилляре связана с коэффициентом поверхностного натяжения. Это позволяет определять α по высоте поднятия жидкости. Для определения поверхностного натяжения погрузим стеклянный капилляр в воду и измерим высоту h, на которую вода поднимется в капилляре. Можно с хорошей точностью считать, что вода полностью смачивает стекло. При этом краевой угол равен 00, а радиус кривизны поверхности жидкости равен радиусу капилляра r, который можно измерить с помощью микроскопа. Следовательно, . (13) 2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 2.1. Определение коэффициента поверхностного натяжения |
№ опыта | D1, мм | D2, мм | x0, мм | x1, мм | h1, мм | h2, мм | , Н/м |
1 | | | | | | | |
2 | | | | | | ||
3 | | | | | | ||
Среднее | | | – | – | | | |
Повесить кольцо на пружину. Опустить винтом кольцо до его соприкосновения с жидкостью. Снять по шкале отсчет указателя x0 и занести его в табл. 1.
Поднять кольцо над поверхностью жидкости на 10–15 мм. Прикрепить к кольцу груз массой 2 г (P = 19,610-3 Н). Опустить винтом кольцо до соприкосновения с жидкостью. Снять по шкале отсчет указателя x1 и занести его в табл. 1.
Снять груз.
Поднять кольцо над поверхностью жидкости на 10–15 мм. Вращением винта опустить кольцо до соприкосновения с водой (опускать до тех пор, пока вся площадь кольца не соприкоснется с жидкостью). Снять по шкале отсчет указателя h1 и занести его в табл. 1.
Вращением винта медленно поднимать кольцо до тех пор, пока оно не оторвется от жидкости. В момент отрыва прекратить подъем, снять по шкале отсчет указателя h2 и занести его в табл. 1.
Повторить пункты 5–6 три раза для каждого из трех опытов.
Найти средние значения всех измеренных величин.
Рассчитать по формуле (10) коэффициент поверхностного натяжения для каждого из трех опытов.
Найти среднее значение коэффициента поверхностного натяжения.
Найти абсолютные случайные погрешности измерения всех величин.
Найти относительную погрешность измерения αпо формуле
, (14)
где , , , .
Найти абсолютную погрешность измерения .
Записать результат измерений с учетом абсолютной погрешности.
Сравнить значения , полученные экспериментально со справочными значениями.
Сделать выводы.
2.2. Определение коэффициента поверхностного натяжения
капиллярным методом
Для определения коэффициента поверхностного натяжения капиллярным методом необходимо произвести следующие действия.
1. Убедиться, что капиллярные трубки чисты и пусты.
2. Опустить нижние концы капилляров в воду.
3. Отсчитать по миллиметровой бумаге высоты h поднятия воды в первом и во втором капиллярах и занести результаты измерений в табл. 2.
Таблица 2
Капилляр | № опыта | h, мм | , мм | , Н/м | , Н/м |
Первый | 1 2 3 | | | | |
Второй | 1 2 3 | | | |
4. Вынуть капилляры из воды и выдуть из них воду.
5. Повторить п. 2–4 три раза.
6. Найти средние значения для первого и второго капилляра и занести их в табл. 2.
7. Рассчитать по формуле (13) два значения коэффициента поверхностного натяжения (для первого и второго капилляра), найти их среднее значение и занести в табл. 2.
8. Вычислить абсолютные и относительные ошибки измерения h для первого и второго капилляра, а также определяемые ими ошибки измерения .
9. Сравнить значения , полученные экспериментально со справочными значениями.
10. Сделать выводы.
2.3. Контрольные вопросы
В чем заключается явление поверхностного натяжения?
Каково происхождение сил поверхностного натяжения?
Что такое коэффициент поверхностного натяжения?
В чем заключаются явления смачивания и несмачивания?
Опишите причины капиллярных явлений.
Опишите сущность метода отрыва кольца и капиллярного метода.
Проведите самостоятельно вывод формулы (10).
Проведите самостоятельно вывод формулы (13).
Какую форму принимают жидкости в невесомости? Почему?
Приведите примеры применения капиллярных явлений.
Каким образом жук-водомерка держится на поверхности воды?
Что такое поверхностно-активные вещества, для чего их применяют?
2.4. Задания по УИРС
Составьте программу для расчета коэффициента поверхностного натяжения на удобном для вас языке или рабочий лист в программах MathCAD, Matlab или Maple.
Возьмите небольшую швейную иглу и попробуйте положить ее на поверхность воды. При определенных условиях вам это удастся. Объясните это явление.
Визуально и с помощью доступных вам технических средств пронаблюдайте отрыв капель от водопроводного крана, пипетки, сосульки. Опишите этот процесс.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Савельев, И.В. Курс общей физики. Т. 1. / И.В. Савельев. – М. : Наука, 1990.
Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М. : Высшая школа, 2004.
Зисман, Г.А. Курс общей физики. Т. 1. / Г.А. Зисман, О.М. Тодес. – М. : Наука, 1972.
Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Т. 2 / Д.В. Сивухин. – М. : Физматлит, 2003.
Кикоин, И.К. Молекулярная физика / И.К. Кикоин, А.К. Кикоин. – М. : Физматгиз, 1969.
Ландау, Л.Д. Курс общей физики: Механика и молекулярная физика. / Л.Д. Ландау, А.И. Ахиезер, Е.М. Лифшиц. – М. : Наука, 1969
Физический энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров. – М. : Советская энциклопедия, 1983.
Физический практикум. Механика и молекулярная физика / под ред. В.И. Ивероновой. – М. : Наука, 1967.
Кэй, Дж. Таблицы физических и химических постоянных / Дж. Кэй, Т. Лэби. – М. : Физматгиз, 1962.
Кошкин, Н.И. Справочник по элементарной физике / Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. – М., 1966.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4
1.1. Общие положения 4
1.2. Метод отрыва кольца 9
1.3. Капиллярный метод 13
2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 15
2.1. Определение коэффициента поверхностного натяжения
методом отрыва кольца 15
2.2. Определение коэффициента поверхностного натяжения
капиллярным методом 16
2.3. Контрольные вопросы 17
2.4. Задания по УИРС 17
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 18
Учебное издание
Штарев Дмитрий Сергеевич
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Методические указания по выполнению лабораторной работы
Редактор Г.Ф. Иванова
Технический редактор И.А. Нильмаер
———————————————––––———––––——–————————————
Формат 60841/16. Гарнитура «Arial». Уч.-изд. л. 1,3.
Усл. печ. л. 1,2. Зак. 2. Тираж 50 экз. Цена 80 руб.
————————————————––––————————–—————————
Издательство ДВГУПС
680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Д.С. Штарев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ПОВЕРХНОСТНОГО
НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Методические указания
по выполнению лабораторной работы
|
Хабаровск
2012
1 Размеры молекул на порядок меньше радиуса молекулярного действия, объемы – на три порядка меньше объема сферы молекулярного действия, поэтому внутри сферы может помещаться, по меньшей мере, порядка 102 молекул (учитывая расстояние между ними).