Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО

НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО

ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ

Цель работы: определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва кольца и методом отрыва капель. Исследование температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения методом измерения максимального избыточного давления в пузырьках воздуха.

Краткая теория

Молекулы поверхностного слоя жидкости испытывают действие не скомпенсированных межмолекулярных сил, направленных внутрь жидкости. Поэтому при переходе из внутренних частей жидкости на ее поверхность молекулы должны совершить работу против этих сил, что приводит к увеличению их потенциальной энергии по сравнению с остальными молекулами жидкости. В результате любое жидкое тело, на которое действуют внешние силы, должно принять форму, при которой площадь ее поверхности будет минимальной. Этому условию удовлетворяют тела сферической формы.

Силы поверхностного натяжения в жидкостях не зависят от размеров свободной поверхности, т.е. стремятся сократить поверхность до нуля. Это свойство жидких пленок объясняется тем, что при изотермическом изменении величины поверхности жидкости изменяется число молекул, содержащихся в поверхностном слое, а среднее расстояние между молекулами не меняется. Поэтому не изменяются и силы межмолекулярного взаимодействия, определяющие величину поверхностного натяжения.

Коэффициентом поверхностного натяжения называется величина работы, необходимой для образования единицы площади поверхности при постоянной температуре. Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность. Коэффициент поверхностного натяжения есть величина, численно равная свободной энергии единицы площади поверхности жидкости.

Под свободной энергией понимают ту часть внутренней энергии системы, за счет которой может быть получена работа при изотермическом процессе. Величина коэффициента поверхностного натяжения жидкости определяется взаимодействием молекул жидкости и зависит от рода жидкости и ее температуры. С повышением температуры увеличиваются молекулярные расстояния и уменьшаются силы взаимодействия молекул. Поэтому коэффициент поверхностного натяжения с ростом температуры линейно уменьшается. При критической температуре он равен нулю, так как исчезает разница между жидкостью и паром, а значит и поверхность, разделяющая обе фазы.

Теория методов и экспериментальные установки

Метод отрыва кольца

Экспериментальная установка представлена на рис.1. Она состоит из деревянного штатива (1), на столике (2) которого закреплен сосуд (3) с исследуемой жидкостью. Тонкое металлическое кольцо (4) подвешено к пружине динамометра (цена деления шкалы динамометра – 40 мг) (5), верхний конец которой закреплен в подвижном кронштейне (6).

Суть данного метода заключается в измерении силы, которую нужно приложить, чтобы оторвать кольцо от поверхности жидкости.

Пусть − внутренний диаметр кольца, − внешний диаметр кольца, F − сила отрыва кольца от поверхности жидкости, − коэффициент поверхностного натяжения. Отрыв кольца от поверхности происходит по двум окружностям. Это позволяет найти длину общей линии разрыва, а затем коэффициент поверхностного натяжения из выражения:

, (1)

где d − толщина стенок кольца.

Метод отрыва капель

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капель (рис.2) состоит из стеклянного сосуда (1) с краном (2) и тонкой полиэтиленовой трубки (3).

При вытекании жидкости из трубки малого радиуса силы поверхностного натяжения не позволяют жидкости выливаться сразу. При этом образуется капля жидкости (рис.2). Силой, удерживающей каплю на конце трубки, является сила поверхностного натяжения, которая может быть определена по формуле:

, (2)