Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Лабораторная работа № 5.

Цель работы: Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрывания капель.

Приборы и принадлежности: установка для определения поверхностного натяжения жидкости; весы технические; жидкость исследуемая; бюретка.

 

Поверхностное натяжение жидкости

На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих молекул, находящихся в сфере молекулярного действия данной молекулы ( радиус сферы молекулярного действия данной молекулы равен ).

Рассмотрим молекулу «А», находящуюся на глубине жидкости (рис. 5.1). Молекулы из сферы ее молекулярного действия притягива-ют молекулу «А» с равными и противо-положно направлен-ными силами так, что равнодействую-                                                  Рис.5.1

 ющая этих сил равна нулю () и молекула «А» находится в равновесии.

Рассмотрим молекулу «В», находящуюся на поверхности жидкости. Равнодействующая сил, действующих на эту молекулу, не равна нулю() и направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Это объясняется тем, что над молекулой нет жидкости. В результате молекула «В» оказывается втянутой вглубь жидкости.

В таком же положении будут находиться все молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости.

Таким образом, поверхностный слой жидкости оказывает на всю жидкость давление. Это давление называется внутренним или молекулярным.

Под действием молекулярного давления поверхность жидкости минимальна для данных условий, т.е. она сокращается до минимально возможных размеров.

Стремление поверхностного слоя жидкости сократиться означает наличие в этом слое сил поверхностного натяжения, направленных по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно контуру, ограничивающему поверхность жидкости.

Напряженное состояние поверхностного слоя называется поверхностным натяжением.

Сила поверхностного натяжения F пропорциональна числу молекул, прилегающих к контуру. Указанное число молекул в свою очередь пропорционально длине контура l.

Следовательно

,                                                (1)

где «»– коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Из (1) следует,

                        .             (2)                            

                                                    Рис. 5.2

Коэффициент поверхностного натя-жения жидкости есть сила поверхностного                          

натяжения, действующая на единицу длины контура ограничивающего поверхность жидкости.

Установка (Рис. 5.2) содержит стеклянную трубку 1, наполненную жидкостью 2.                                                                                             

На конце трубки образуется капля 3, которая удерживается силой поверхностного натяжения . Сила  приложена к шейке 4 капли.

Так как вес капли  непрерывно увеличивается, то наступит момент, когда . В этот момент происходит отрыв капли от конца трубки. Следовательно,  или ,

т.к.  ( – масса капли).

В результате получаем:                                              

                                           ,                                                                 (3)

где  длина окружности шейки капли, – диметр шейки капли (приблизительно равен внутреннему диаметру трубки – 1,5 мм). Так как, капля имеет форму шара и следовательно обладает кривизной поверхности, силы поверхностного натяжения создают давление на жидкость, заключенную в капле «».

                                                  ,                                                       (4)

где – радиус капли.

Учитывая, что

где  – плотность жидкости (для воды кг/м³);

 – объем капли ().

Следовательно,

                                               .                                                    (5)

Порядок выполнения работы:

1. Взвесить бюретку.

2. Заполнить трубку водой.

3. Организовать капельный режим вытекания воды из трубки при помощи зажима.

4. Собрать в бюретку некоторое количество капель (не меньше 90).

5. Взвесить бюретку с каплями.

6. Определить массу капли.

7. Вычислить коэффициент «» по формуле (3).

8. Пункты 2–7 повторить для жидкости неизвестного состава.

9. Вычислить радиус капли воды «».

10. Вычислить давление «» для капли воды.

11. Определить абсолютную и относительную погрешности опыта для воды.

12. Все данные записать в таблицу.

                                                                                                                             Таблица 5.1

Жидкость											Прим.
Вода дистилли-рованная						0,073
Жидкость неизвестного состава						–	–	–	–	–

 

масса бюретки;

масса бюретки с жидкостью;

масса капли;

количество капель;

коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

коэффициент поверхностного натяжения воды дистиллированной, табличное значение равно 0,073 при температуре ;

радиус капли воды;

давление сил поверхностного натяжения на воду, заключенную в капле;

 абсолютная погрешность вычислений ;

относительная погрешность вычислений .

Контрольные вопросы:

1. Что такое поверхностное натяжение жидкости?

2. Как объяснить возникновение силы поверхностного натяжения жидкости?

3. Что такое коэффициент поверхностного натяжения жидкости?

4. Как объяснить возникновение давления жидкости внутри капли?

5. Что такое давление жидкости? Закон Паскаля.

Литература:

1. Грабовский, Р.И. Курс физики / Р.И.Грабовский.–СПб: Лань, 2012.–С.194–196.

2. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики / Т.И. Трофимова.–М.: КНОРУС, 2013.–С.84.

 

 

     Данные для расчетов: масса бирютки – 17,5 г., масса бирютки с чистой водой – 20, 9 г, масса бирютки с жидкостью неизвестного состава – 21, 5 г, количество капель – 100.