Цель работы: изучить поверхностное натяжение жидкостей. Задача

Вид материала

Задача

Содержание Описание установки и метода определения коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва проволоки 1 имеются два резьбовых отверстия. В одно вворачивается стержень 7 Порядок выполнения работы Описание установки и метода измерений коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капель Порядок выполнения работы Контрольные вопросы Библиографический список Методические указания к лабораторной работе по физике № 9 Главный редактор Л. А. Суевалова

Подобный материал:

• Вопросы коллоквиума к работам 1,2,3, 49.32kb.
• Поверхностное натяжение жидких разбавленных сплавов на основе олова, индия и смачивание, 750.07kb.
• Белорусская медицинская академия последипломного образования, 35.96kb.
• Задачи: изучить теоретические основы устройства и принципы работы батареек; изучить, 128.44kb.
• Задачи работы: Изучить образ А. С. Пушкина. Проанализировать факты из его биографии., 196.48kb.
• 1. Теоретические сведения, 771.46kb.
• Лабораторная работа №3·09а получение и исследование света с различными состояниями, 128.34kb.
• Тема 4, 51.35kb.
• Методические указания к лабораторной работе по исследованию статических характеристик, 104.56kb.
• Программа дисциплины дс. Ф. 01 «современная пресс-служба» Цели и задачи дисциплины, 408.05kb.

Цель работы: изучить поверхностное натяжение жидкостей.

Задача: определить коэффициент поверхностного натяжения воды разными методами; исследовать влияние примеси на коэффициент поверхностного натяжения воды.

Приборы и принадлежности: сосуд с исследуемой жидкостью, динамометр, набор проволок (петель), бюретка с исследуемой жидкостью, стакан.


ВВЕДЕНИЕ

Силы взаимодействия между молекулами в жидкостях играют существенную роль. Они имеют электромагнитную природу и действуют на расстояниях порядка 10^-9 м.


Выделим внутри жидкости молекулу. Опишем около нее сферу радиусом 10^-9 м (сфера молекулярного действия). На молекулу действуют только те молекулы, которые находятся внутри этой сферы (рис. 1). В результате молекулы, окружающие выделенную молекулу, компенсируют действие друг друга. Иначе обстоит дело с молекулой, находящейся на поверхности жидкости. Она испытывает большее воздействие со стороны молекул жидкости, чем со стороны молекул пара и газа, находящихся над поверхностью жидкости, т. е. на молекулу действует результирующая сила, направленная внутрь жидкости нормально к ее поверхности. Это относится ко всем молекулам поверхностного слоя, толщина которого равна радиусу сферы молекулярного действия.

Следовательно, поверхностный слой оказывает на жидкость давление, называемое внутренним или молекулярным давлением. Это давление велико (для воды, например, около 1 ∙ 10⁹ Н/м²).

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. В случае равновесного состояния температура постоянна по всему объему жидкости и кинетические энергии молекул будут одинаковы. При переходе молекул из внутренних частей жидкости на ее поверхность они должны совершить работу против направленных внутрь жидкости сил притяжения со стороны других молекул жидкости. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии молекул, переходящих в поверхностный слой. Таким образом, поверхностный слой жидкости обладает избыточной свободной энергией Е. Свободной энергией называется та часть потенциальной энергии системы, которая изотермически может обратиться в работу. Свободная энергия стремится к минимуму, в силу чего поверхность жидкости стремится к уменьшению. Так, при отсутствии внешних сил жидкость принимает форму сферы (минимальная поверхность).

Следовательно, в поверхностном слое жидкости появляются силы притяжения между молекулами, действующие по касательной к поверхности жидкости. Эти силы называются силами поверхностного натяжения, т. к. они создают в поверхностном слое стремление сократить поверхность жидкости. Для количественной характеристики сил поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения


,

т. е. коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины контура l, ограничивающего поверхность жидкости, где S – изменение площади поверхности жидкости; А – работа, по изменению площади жидкости; г – элемент перемещения контура жидкости под действием силы поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, ее температуры и примесей. Вещества, изменяющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Например, мыло уменьшает поверхностное натяжение воды с 7 ∙ 10^-2 до 4 ∙ 10^-2 Н/м.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДЫ МЕТОДОМ ОТРЫВА ПРОВОЛОКИ

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения изображена на рис. 2. Она состоит из динамометра, чашки с водой и набора проволок (петель). Принцип работы динамометра основан на свойстве пружины растягиваться пропорционально приложенной силе. Динамометр состоит из корпуса 1, внутри которого размещен стакан 2 с измерительной пружиной 3, имеющей прямой конец с зацепом 4. Зацеп предназначен для подвешивания петли 5. На прямом конце измерительной пружины закреплена стрелка 6, которая служит для отсчета показаний динамометра.


Р


ис. 2

В корпусе 1 имеются два резьбовых отверстия. В одно вворачивается стержень 7, при помощи которого динамометр закрепляется в штатив. Во второе отверстие завинчен стопорный винт 8, который фиксирует стакан 2 с измерительной пружиной 3 в вертикальном положении. Если стопорный винт отпустить, то стакан с измерительной пружиной устанавливается в верхнее положение. К корпусу динамометра прикреплена прозрачная шкала, проградуированная в миллиньютонах (мН).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1

1. Выбрать необходимую для исследования проволоку (петлю), обезжирить ее, а затем надеть на зацеп измерительной пружины.
   
2. Закрепить динамометр на штативе так, чтобы центр чашки с жидкостью был на одной оси с осью измерительной пружины.
   
3. С помощью стопорного винта 8 установить стрелку динамометра против нулевой отметки шкалы.
   
4. Поднять держатель чашки жидкости так, чтобы проволока (петля) полностью погрузилась в жидкость.
   
5. Медленно выкручивать винт держателя чашки с жидкостью до тех пор, пока проволока (петля) не оторвется от жидкости. По шкале динамометра зафиксировать значение силы, при которой петля оторвалась от поверхности жидкости.
   
6. Опыт повторить три – четыре раза и заполнить табл. 1.
   

Таблица 1

i	l, мм	F, мН	, мН	, Н/м	, Н/м	табл, Н/м
1
2
3
4


7. Вычислить значение коэффициента поверхностного натяжения жидкости в СИ по формуле
   

, (1)

где – сила, действующая на данную петлю; l – длина проволоки. Определить среднее значение коэффициента поверхностного натяжения и относительную погрешность измерения.

8. Сравнить полученный результат с табличным значением.
   

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ

Для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капель используется стеклянная трубка с делениями и узким концом (бюретка) (рис. 3).

Из стеклянной трубки вытекает исследуемая жидкость каплями. При отрыве капли ее вес Р₀ равен силе поверхностного натяжения Р₀ = F, где Р₀ = m₀g, m₀ – масса одной капли жидкости, а F =  ∙ l =  ∙ d; l = d – длина окружности шейки капли; d – диаметр шейки капли, равный внутреннему диаметру узкого конца бюретки (d = = 1,8 мм). Тогда

. (2)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 2

1. Подставить под бюретку стакан и отрегулировать краном К частоту от­рыва капель так, чтобы их было удобно считать. Цена одного большого деления бюретки равна 1 см³. Тогда масса воды этого объема равна 1 г.
   
2. Дать возможность слиться в виде капель массе воды в 3-4 г, считая при этом число капель n.
   
3. Определить массу одной капли
   

.

4. По формуле (2) определить коэффициент поверхностного натяжения в СИ.
   
5. Опыт повторить три – четыре раза, экспериментальные данные занести в табл. 2 и определить среднее значение коэффициента поверхност­ного натяжения при комнатной температуре.
   

6^. Аналогичным образом определить коэффициент поверхностного натя­жения мыльного раствора (повторить пп. 1–5).

Таблица 2

i	m, г	n	m0, г	d, mm	g, м/с2	, Н/m		.табл, Н/м
1
2
3
4


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое силы поверхностного натяжения? Как они направлены?
   
2. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? В каких единицах он измеряется?
   
3. Почему при отсутствии внешних сил капля жидкости принимает форму шара?
   
4. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?
   

5. Чему равен коэффициент поверхностного натяжения при критической температуре?
   
6. Что такое критическая температура?
   
7. Что такое поверхностно-активные вещества?
   
8. В чем состоит принцип действия различных моющих средств?
   
9. Назовите примеры проявления сил поверхностного натяжения в быту, природе.
   
10. Поясните, почему в расчетной формуле (1) стоит величина F/2.
    

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. : Высш. шк., 2002. – 542 с.
   
2. Орехов А. В. Основы молекулярной физики и термодинамики / А. В. Орехов. – Хаба­ровск : Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2003. – 75 с.
   

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ МЕТОДАМИ ОТРЫВА ПРОВОЛОКИ

И ОТРЫВА КАПЕЛЬ

Методические указания к лабораторной работе по физике № 9^а

для студентов всех специальностей и всех форм обучения

Составитель Орехов Анатолий Васильевич

Главный редактор Л. А. Суевалова

Редактор Т. Ф. Шейкина

Компьютерная верстка В. Н. Адамович

Дизайнер обложки М. В. Привальцева


Подписано в печать 28.11.05. Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,46.

Тираж 200 экз. Заказ .


Издательство Тихоокеанского государственного университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.