Определение поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ 
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
Факультет радиофизики и компьютерных технологий

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №2 
Определение поверхностного натяжения жидкости 
методом отрыва кольца

 

 

 

                                                                                          

 

 

 

                                                                                           Подготовила студентка 
                                                                                                          биологического факультета 
                                                                                                          2 курса 51 группы 
                                                                                                          Сербенко Анна

                                                                                                        

 

 

 

 

Минск 2014

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ 
МЕТОДОМ ОТРЫВА КОЛЬЦА

Цель работы: 1. Ознакомиться с физикой явления поверхностного натяжения. 
                          2. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды, мыльного и солевого растворов.

Приборы и принадлежности: весы Жоли, кольцо на пружине, разновесы, линейка, кюветы с раз-личными жидкостями.

1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

      Поверхностное натяжение возникает на границе двух фаз (жидкость - пар, жидкость - жидкость) и обусловлено различием межмолекулярного взаимодействия в этих фазах.

      Для увеличения  поверхности жидкости надо вывести некоторое количество молекул из глубины на поверхность, т.е. cовершить работу против сил межмолекулярного взаимодействия  . Эта работа пропорциональна увеличению поверхности жидкости. Пусть   dA -  работа, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь поверхности жидкости на dS при постоянной температуре. Тогда

где знак минус обозначает, что для увеличения поверхности совершается внешняя работа. Коэффициент пропорциональности называется поверхностным натяжением. Из формулы следует, что поверхностное натяжение равно работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить поверхность жидкости на единицу.

      Жидкость стремится к такому состоянию, при котором ее поверхность минимальна. Это в свою очередь означает, что должны существовать силы, стремящиеся сократить поверхность жидкости. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

      Силы поверхностного натяжения приложены к точкам линии, ограничивающей поверхность жидкости. Они направлены перпендикулярно к этой границе и по касательной к поверхности жидкости.

      Поверхностное натяжение равно силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, являющейся границей поверхности жидкости. Поверхностное натяжение зависит от свойств самой жидкости и ее температуры, а также от свойств среды, с которой граничит жидкость. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению к воде является мыло. Оно сильно уменьшает ее поверхностное натяжение, поэтому из мыльного раствора можно выдувать большие мыльные пузыри, которые никогда не получатся из чистой воды. Это объясняется тем, что силы притяжения между молекулами самой жидкости больше сил притяжения между молекулами жидкости и примеси, поэтому молекулы жидкости, расположенные в по-верхностном слое, с большей силой втягиваются внутрь жидкости, чем молекулы примеси. Таким образом, молекулы жидкости уходят из поверхностного слоя в глубь жидкости, а молекулы поверхностно-активного вещества вытесняются на поверхность.

      Поверхностное  натяжение можно найти по формуле

2. МЕТОД ОТРЫВА КОЛЬЦА

      Установка для определения величины   (весы Жоли) изображена на рис. 1.

      Тонкостенное кольцо А, изготовленное из материала, который хо-рошо смачивается исследуемой жидкостью, и платформа Б с указателем У подвешиваются на пружине П. Пружина прикрепляется к кронштейну, связанному со штангой при помощи микрометрического винта М. На столике устанавливается стеклянная кювета К с исследуемой жидкостью (в нашем случае с водой). Положение платформы Б, а следовательно, и растяжение пружины П можно измерять по имеющейся на штанге миллиметровой шкале Ш.

 
Рис. 1

      Опустим кольцо в кювету с водой с помощью винта М так, чтобы кольцо слегка коснулось поверхности воды. Начнем медленно поднимать кольцо. При этом на него со стороны жидкости действует силы поверхностного натяжения, приложенные к границе поверхности жидкости и кольца. На рис. 2 показано вертикальное сечение кольца А, опушенного в воду. Поверхность жидкости возле стенок кольца искривляется, так как вода смачивает кольцо. На рис. 2 показан случай, когда имеется полное смачивание, и поэтому силы поверхностного натяжения направлены вдоль стенок кольца вертикально вниз.

 
Рис. 2

      Поднимая кольцо, пружина будет постепенно растягиваться, и будет увеличиваться сила упругости пружины. В момент, когда станет равной силе поверхностного натяжения (суммарная сила по всей границе жидкости с кольцом), кольцо оторвется от поверхности воды. Измерив удлинение пружины в момент отрыва, можно определить и, следовательно, и силу поверхностного натяжения .

,

где D и -внутренний и внешний диаметры кольца.

      Так как  , то

      Это длина контура, ограничивающего поверхность жидкости и кольца. Тогда поверхностное натяжение жидкости определяется по формуле

где - сила поверхностного натяжения 
       D – внутренний диаметр кольца, 
       h – толщина кольца. 

 

 

 

 

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ  РАБОТЫ

 

1. Расположили глаз на уровне платформы, по шкале Ш с помощью указателя У определили начальное положение платформы и занесли в табл. 1. Опыт повторили три раза. Определили среднее . 

2. На платформу (возле подвески) последовательно положили грузы весом от 1 до 5 Гс (Гс - грамм-сила) и для каждого определили положение платформы . Данные занесли в табл. 1.

Таблица 1

Измерение зависимости удлинения пружины от деформирующей силы

 

/см	, Гс	/см	/см
5	1	4,9	0,15
5,1	2	4,75	0,3
5,1	3	4,55	0,5
5	4	4,4	0,65
=5,05	5	4,5	0,8

 

  3. Построили график зависимости удлинения пружины от веса груза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F=k* , k=F/ =4*9,8*10-3 =6,03 Н/м , где k-коэффициент жесткости .

 

4. Сняли  кольцо. Измерили штангенциркулем (или линейкой) внутренний диаметр и толщину кольца . Результаты занесли в таблицу 2.

5.  Протерли внутреннюю поверхность кюветы и кольцо спиртом (дистиллированной водой). Подвесили кольцо.

6.  Поставили кювету на столик Д и наполнили ее дистиллированной водой. Опустили кольцо с помощью винта М (рис. 3) так, чтобы поверхность воды коснулась кольца. Проследили за тем, чтобы нижний обрез кольца коснулся воды всеми краями одновременно.

7.  Медленно поднимали кольцо с помощью микрометрического винта М, зафиксировали по шкале положение платформы в момент отрыва кольца и занесли в табл. 2.

Таблица 2

Измерение поверхностного натяжения воды

/см	/см	/см	/см	/см	/Н	/Н/м		/Н/м
6	0,7	4,6	4,5	0,5	3,015*10-2	7,179 *10-2	20	7,275 *10-2	1,3
		4,5
		4,4
		4,5
		4,5

 

 

8. Измерение   повторили не менее 5 раз, вычислили среднее значение   и удлинение пружины в момент отрыва кольца ( - из табл. 1). Значения   и   занесли в табл. 2.

=4,5-5=0,5 см.

9. По графику определили деформирующую силу, вызывающую данное удлинение , т. е. силу поверхностного натяжения .

F= k*

= 6,03*0,5*10-2 =3,015*10-2 Н.

10. Рассчитали поверхностное натяжение по формуле , выразив его в "Н/м".

 

=F/2п(D+h)=3,015*10-2/ 2*3,14*(6*10-2+0,7*10-2)=7,179*10-2 Н/м.

11.  Определить табличное значение   при данной температуре (см. табл. 3)

Таблица 3

Зависимость поверхностного натяжения воды от температуры

	0	10	20	30
, Н/м	7,564	7,422	7,275	7,118

 

12.  Сопоставить измеренное значение   с табличным   и оценить относительную погрешность по формуле.

- /  )*100%=1,3%

13. Аналогично провели измерения в мыльном и солевом растворах. Результатызанесли в табл. 4                                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Таблица 4

Измерение поверхностного натяжения мыльного раствора (№ 1)

и солевого раствора (№ 2)

 

Раствор №1					Раствор №2
/см	/см	/см	/Н	/Н/м	/см	/см	/см	/см	/Н/м
4,5	4,54	0,46	2,774*10-2	6,0605*10-2	4,4	4,42	0,58	3,497*10-2	8,326*10-2
4,6					4,4
4,5					4,5
4,5					4,4
4,6					4,4

 

 

Вывод: В ходе работы ознакомились с физикой явления поверхностного натяжения. Измерили поверхностное натяжение в дистиллированной воде = 7,179*10-2 Н/м, в мыльном растворе = 6,605*10-2Н/м, в солевом растворе =8,326*10-2Н/м, в воде  .