Коефіцієнт поверхневого натягу - студопедія
Мета роботи: вивчення основних властивостей рідини, знайомство з деякими експериментальними методами вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу рідини.
Основні теоретичні положення
За своїми властивостями рідини схожі і на гази і на тверді тіла. Цей двоїстий характер пов'язаний з особливістю руху молекул рідини. У твердому тілі молекули складають кристалічну решітку і коливаються біля свого положення рівноваги (теплове їх рух). У рідинах середня відстань між молекулами більше, ніж у кристалів, і тому молекули рідини можуть відходити від своїх правильних положень. Молекули рідини здійснюють коливання біля тимчасових положень рівноваги.
Мал. 6.1. Молекули всередині рідини і поблизу поверхні
Побувши в такому положенні деякий час, молекула «перескакує» в інше місце і знову якийсь час живе в цьому місці (здійснюючи коливання) «осілим життям». У «осілого» стані молекулу утримують пружні сили. Ці пружні сили обумовлені дією сусідніх молекул розташованих на близькій відстані. Молекулярні сили дуже швидко зменшуються зі збільшенням відстані. Якщо по відношенню до якої - то молекулі М (рис. 6.1), що знаходиться всередині рідини, сусідні молекули розташовані симетрично, то рівнодіюча R всіх сил, прикладених до молекули М, дорівнює нулю R = 0. Однак внаслідок теплового руху рівновага порушується, і молекула приходить в рух під впливом рівнодіюча сили R ≠ 0. сили тяжіння між молекулами рідини швидко зменшуються зі збільшенням відстані. Вони практично звертаються в нуль вже на відстані близько 10 # 59450; 9 м. Тому результат впливу на кожну молекулу визначається тільки найближчими її сусідами. Він істотно залежить від того, де знаходиться розглянута молекула. Якщо остання розташована всередині рідини (на відстані, більшій ніж 10 # 59450; 9 м від кордону рідини), то сили взаємодії з усіма оточуючими її молекулами в середньому врівноважуються. На відміну від цього, середнє значення сили, що діє на молекулу поверхневого шару рідини товщиною близько 10 # 59450; 9 м, не дорівнює нулю; це обумовлюється тим, що молекула, розташована на поверхні, частково межує з молекулами тієї ж рідини, а частково - з молекулами іншого середовища, наприклад повітря і пара або стінки. Внаслідок різної щільності і природи молекул сила, що діє на виділену молекулу рідини з боку іншої середовища, відрізняється від сили її взаємодії з молекулами рідини. У підсумку результуюча сила, що діє на кожну молекулу поверхневого шару, спрямована або всередину рідини, або в сторону межує з нею середовища. Тому при переміщенні молекул з поверхневого шару в глиб рідини або навпаки з глибини рідини на поверхню відбувається робота. Ця робота тим більше, чим більше різниця між силами взаємодії молекул поверхневого шару з молекулами рідини і молекулами межує середовища.
Молекули рідини, розташовані на поверхні, знаходяться в особливому стані, наприклад молекули М1 і М2. Дія на ці молекули з боку молекул рідини більше, ніж з боку молекул пари або повітря, і тому рівнодіюча всіх діючих на молекулу М1 і М2 молекулярних сил спрямована всередину рідини нормально до її поверхні. Звідси випливає, що на всі молекули, розташовані в тонкому поверхневому шарі, діють сили, які прагнуть втягнути їх всередину рідини. Завдяки цьому поверхневий шар тисне з великою силою на рідину, створюючи в ній так зване внутрішнє або молекулярне тиск. Це тиск дуже велике (для води, наприклад, близько 11 # 8729, 10 8 н / м 2).
Молекули поверхневого шару рідини володіють надлишком енергії порівняно з молекулами, що знаходяться всередині рідини. Ця надлишкова енергія називається вільної поверхневою енергією або поверхневою енергією. Зазначеними властивостями поверхневого шару обумовлено особливе його стан, яке подібно станом натягнутою пружною плівки, яка прагне скоротити свою поверхню до малих розмірів.
Це прагнення рідини скоротити свою вільну поверхню називається поверхневий натяг.
Сили поверхневого натягу F спрямовані по дотичній до поверхні рідини і діють нормально до будь-якої лінії, проведеної на цій поверхні.
Для кількісної характеристики сили поверхневого натягу рідини вводять коефіцієнт поверхневого натягу # 945;, який чисельно дорівнює силі F, що діє на одиницю довжини довільної лінії L, подумки проведеної на поверхні рідини:
У цьому випадку коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в ньютонах на метр (н / м).
З розгляду властивостей поверхневого шару можна показати, що коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює вільної поверхні енергії W, розрахованої на квадратний метр поверхні рідини S:.
Завдяки поверхневому натягу будь-який обсяг рідини прагне зменшити площу поверхні, зменшуючи таким чином і потенційну енергію. Крихітні краплі води мають в повітрі майже сферичну форму, оскільки для сфери характерно менше відношення площі поверхні до об'єму, ніж для будь-якої іншої геометричної форми.
Коефіцієнт поверхневого натягу різний для різних рідин. Він залежить від роду рідини, температури (зменшується з підвищенням температури) і від ступеня чистоти поверхні (змінюється від найменшого забруднення).
Мал. 6.2. Сили на півсфері мильної бульбашки
Існування поверхневого натягу призводить до того, що вільна поверхня рідини поводиться так, як ніби вона зроблена з пружною оболонки. Однак існує велика відмінність між еластичністю цієї оболонки, яка визначається поверхневий натяг, і еластичністю речовини типу гуми. У випадку плоскої поверхні рідини сила натягу не залежить від того, наскільки поверхня розтягнута. Для того щоб збільшити площу поверхні, витягаючи в поверхневий шар все нові і нові молекули, необхідно прикладати постійну силу. З іншого боку, щоб розтягнути гуму, доводиться прикладати силу, пропорційну розтягування.
До сих пір ми міркували про поверхні між рідиною і газом. У краю судини рідина знаходиться в контакті і
з твердим тілом, і з
Мал. 6.3. Три різних випадку контакту рідини з твердим тілом (- результуюча сила, що діє на молекулу)
газом. На рис. 6.3 поки зани три різних випадки.
У першому випадку (рис. 6.3 а) взаємодія молекул рідини з твердим тілом досить сильно, щоб з-гнути рідина догори на кордоні з твердим тілом. В цьому випадку зазвичай говорять, що жид-кістка змочує поверхню твердого тіла.
Така ситуація характерна для води, сопріка-сающейся зі склом. У другому випадку (рис.6.3 б) результуюча сила, що діє на рідину на кордоні з твердим тілом, на-правлю всередину рідини. Це не змочую-щаяся рідина. Така ситуація характерна для ртуті в скляній посудині. У третьому слу-чаї (рис. 6.3 в) поверхня рідини пер-пендікулярна стінці. Так поводиться вода в со-судах з срібла і деяких видів пластмас.
Вигнута поверхня рідини в сосу-де називається меніском. При взаємодії зі стінкою судини сили поверхневого натягу прагнуть або підняти рівень рідини, або опустити його. Це називається капілярним ефектом.
Мал. 6.4. Сили в капілярі
У вузьких скляних трубках, капілярах, опущених в рідину, добре помітно підняття або опускання рідини. Поверхнева плівка рідини в трубці під дією молекулярних сил рідини і скла приймає увігнуту форму (увігнутий меніск). На такий викривленою поверхні сили поверхневого натягу викликають додатковий тиск # 8710; p. обумовлене кривизною поверхні, спрямоване завжди в сторону увігнутій поверхні.
Назва пов'язана з тим, що висота підйому рідини велика в досить уз-ких трубках, званих капілярами.
У верхнього краю, де рідина стосується скла, форма її поверхні дуже схожа на півсферу мильної бульбашки, яку ми розглядали (рис. 6.4). Сі-ла поверхневого натягу спрямована уздовж поверхні рідини. Вер-тікальная складова цієї сили дорівнює
.
Вона врівноважується силою тяжіння стовпа рідини з щільністю. . Таким чином, маємо. отже
Якщо рідина в капілярі не змочується, рівень її в капілярі виявляється нижче рівня в рідини в широкому посудині. Це в точності такий же ефект, і описується він тією ж формулою (6.2).
Опис експериментальної установки і послідовність
Рис.6.5. Загальний вигляд установки
Досліджувана рідина знаходиться в посудині А. Кільце В. виготовлене з матеріалу, добре змочується цією рідиною, подве-Шено на пружині С.
1. Визначити коефіцієнт пружності пружини k. для чого на чашечку 2 покласти вантаж m та відзначити розтягнення пружини x. Обчислити k за формулою
Вимірювання провести 3-4 рази з різними вантажами і потім визначити середнє значення.
2. Виміряти довжину пружини. потім кільце опустити в посудину з водою. Посудина опускати вниз до відриву кільця від води. Виміряти довжину пружини в момент відриву кільця від води. Експеримент провести 5 6 разів.
3. Виміряти штангенциркулем зовнішній і внутрішній діаметри кільця D і d, а потім визначити суму зовнішньої і внутрішньої довжин кіл кільця L
а потім знайти коефіцієнт поверхневого натягу
Обробка результатів експерименту
1. Величина повної похибки визначення визначається за формулою
де - приладова похибка лінійки.
Похибки і визначаються за методикою розрахунку похибок прямих вимірювань.
2. Результат представити у вигляді.
Визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом підняття рідини в капілярі
Капіляр вставляється в широкий посудину з досліджуваною рідиною. За допомогою масштабної лінійки визначається висота підйому рідини h. Цей досвід проводиться не менше 5 разів.
Якщо відомий радіус r капіляра, то сила поверхневого натягу:
Сила тяжіння стовпа рідини дорівнює. а так як F = P, то отримуємо. тобто
Обробка результатів і розрахунок похибок
1. Похибка величини h визначити за методикою розрахунку похибок прямих багаторазових вимірювань, задаючи довірчу ймовірність і коефіцієнт Стьюдента.
2. Похибка непрямих вимірювань величини a розрахувати за формулою
3. Результат записати у вигляді:.
Цікавим є порівняння величин коефіцієнтів поверхневого натягу однієї і тієї ж рідини, отриманих різними методами, і похибок їх визначення.
Лабораторна робота 7