Лабораторная работа № 2.23 ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Лабораторная работа №
2.23
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Цель работы: Исследовать поверхностный слой жидкости и определить
поверхностное натяжение двух различных жидкостей.
Теория и метод измерения
Молекулы жидкости испытывают притяжение со
стороны окружающих их молекул. Силы притяжения,
называемые силами Ван-дер-Ваальса, по природе
являются электрическими. Они обусловлены тем, что
Рис. 1.
атомы и молекулы содержат электрические заряды.
Силы притяжения возникают из-за того, что хотя молекулы в целом
нейтральны, электрические заряды в них разделены и могут смещаться
относительно друг друга (рис.1). В электрическом отношении молекула
превращается в диполь, т.е. систему
двух зарядов, равных по величине и
противоположных
по
знаку,
находящихся друг от друга на
расстоянии,
очень
малом
по
сравнению с расстоянием до точки
наблюдения.
Силы притяжения между
молекулами с увеличением расстояния
между ними быстро убывают.
Поэтому воздействие молекул друг на
друга осуществляется в пределах
Рис. 2.
небольшого расстояния r м.д.,
называемого радиусом молекулярного
действия. Сфера радиуса r м.д. называется сферой молекулярного действия.
Радиус молекулярного действия равен нескольким эффективным диаметрам
молекулы.
Таким образом, каждая молекула испытывает притяжение со стороны
всех молекул, находящихся внутри сферы молекулярного действия, центр
которой совпадает с центром данной молекулы.
Когда молекула находится внутри жидкости, то ее со всех сторон
симметрично окружают другие молекулы. Результирующая сила притяжения к
соседним молекулам в среднем равна нулю (рис. 2).
У молекулы, которая находится на поверхности жидкости, окружение
несимметричное (рис. 2) и молекула притягивается жидкостью. Все молекулы,
которые расположены в поверхностном слое жидкости, толщина которого
равна радиусу сферы молекулярного действия, находятся под действием
результирующих сил молекулярных взаимодействий, направленных внутрь
жидкости. Эти силы создают поверхностное натяжение.
Переходя из глубины жидкости в поверхностный слой, молекулы
выполняют работу против направленных внутрь жидкости сил. За счет этого
потенциальная энергия молекулы увеличивается. Поэтому молекулы
поверхностного слоя имеют большую потенциальную энергию, чем молекулы
остального объема жидкости.
Положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии.
Наличие поверхностной энергии обусловливает стремление жидкости к
сокращению своей поверхности. Поверхностный слой подобен упругой
растянутой пленке, стремящейся сжаться. Естественно, что никакой пленки,
ограничивающей жидкость снаружи, нет. Поверхностный слой состоит из тех
же молекул, что и вся жидкость.
Выделим мысленно участок поверхности жидкости, ограниченный
замкнутым контуром. Стремление этого участка к сокращению приводит к тому,
что он действует на остальную часть поверхности касательными к поверхности
силами, перпендикулярными в каждом месте к соответствующему элементу
контура. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.
Сила, приходящаяся на единицу длины контура, называется поверхностным
натяжением и обозначается буквой σ. Измеряют ее в ньютонах на метр (Н/м).
F
(1)
 .
l
Работа А, совершённая для увеличения поверхности жидкости на единицу
поверхности S , также характеризует поверхностное натяжение, и тогда
коэффициент поверхностного натяжения выражается как
A
(2)

.
S
и имеет размерность Дж/м2..
Если внешняя поверхность жидкости является не плоской, а выпуклой, то на
жидкость дополнительно к внешнему давлению действует добавочное давление
Δp, вызванное силами поверхностного натяжения. В случае сферической
поверхности жидкости добавочное давление Δp выражается как
2
р 
,
(3)
R
где R - радиус сферы.
Например, такое избыточное давление существует внутри пузырька
воздуха радиуса R, находящегося внутри жидкости вблизи ее поверхности.
Предлагаемый метод определения поверхностного натяжения жидкости
(метод максимального давления в газовом пузырьке) состоит в том, что в
исследуемую жидкость через капилляр вдувается воздушный пузырек.
Давление воздуха, которое нужно для отрыва пузырька от капилляра, является
искомой величиной, которая используется для дальнейшего расчета
коэффициента поверхностного натяжения.
Лабораторная установка (рис. 3) состоит
из аспиратора 1 аспиратор (процесс отбора
газа называется аспирацией), манометра 2 ,
шкалы 3 и кранов 4, 5 и 8, пробирок 6 и 7 с
исследуемыми жидкостями, сосуда 9,
капиллярных трубок 10 и 11.
Если выпускать воду из аспиратора, объем
воздуха в нем увеличивается, а давление
воздуха уменьшается. Пониженное давление
р1 передается по стеклянным трубкам в
пробирку 6 (или 7) над поверхностью
жидкости, в которую опущен конец
капилляра. Открытый верхний конец
капилляра находится под атмосферным
Рис. 3.
давлением р, которое больше давления р1.
Разность давлений (р − р1) (рис. 4) стремиться выдуть пузырек воздуха из
капилляра в жидкость, но этому противодействует добавочное давление
Δр = 2σ/R,
создаваемое силами поверхностного натяжения жидкости
в образующемся пузырьке радиуса R и направленное к
центру пузырька.
Атмосферное давление р уравновешивается суммой
давления р1 воздуха в пробирке 6 (или 7) и давления воздуха
в пузырьке Δр (см. рис. 4)
р = р1 + Δр
(4)
По мере вытекания воды из аспиратора давление р1
уменьшается, что приводит к увеличению давления воздуха
Рис.4
внутри пузырька
2
p 
,
R
а значит к уменьшению его радиуса кривизны (см. рис. 5).
Максимального значения давление Δр достигает, когда
радиус пузырька становится равным радиусу капилляра R0.
Дальнейшее уменьшение давления р1 приводит к отрыву
пузырька воздуха, так как нарушается равновесие давлений.
Разность давлений (р − р1), максимальная в этот момент,
измеряется U-образным манометром и равна ρgh, где ρ −
Рис. 5.
плотность жидкости в манометре, h − разность уровней
жидкости в коленах манометра в момент отрыва пузырька.
Таким образом, в момент выдувания пузырька имеет место равенство:
ρgh = 2σ/R0.
Откуда
(5)

ghR
0.
(6)
2
Порядок выполнения работы
1 .Открыть пробку 12 , кран 5. Наполнить аспиратор водой.
2 Закрыть кран 5 и пробку 12.
3. Повернуть кран 4 таким образом, чтобы одна из пробирок с исследуемой
жидкостью была соединена с манометром и аспиратором.
4. Открыть кран 8 и подобрать такую скорость истечения воды из аспиратора,
чтобы в исследуемой жидкости у конца капилляра образовывалось 2 - 3
пузырька в минуту.
5. По шкале манометра произвести отсчет наибольшей разности уровней h
воды в коленах манометра, соответствующей максимальному дополнительному
давлению внутри воздушного пузырька. Опыт повторить 5 раз.
6. С помощью крана 4 соединить вторую пробирку с аспиратором.
7. Повторить пункты 4,5 для второй исследуемой жидкости.
8. Вычислить поверхностное натяжение σ по формуле (6).
9. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.
№ Жид
кость
R0,
м
ρ,
кг/м3
h,
м
σi ,
Н/м
<σ>
Н/м
σi,
Н/м
σ2i,
(Н/м)
S  
t, n
2
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Окончательный результат записать в виде
  (    ), Н/м
при  =
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какова природа сил молекулярного взаимодействия?
2. Что называется поверхностным натяжением и каков его физический смысл?
3. Как направлены силы поверхностного натяжения?
4. Какова размерность поверхностного натяжения?
5. В чем состоит метод максимального давления в газовом пузырьке?
σ,
Н/м
E,%