Описание установки. Молекулы жидкости расположены настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют зна

ЛАБОРАТОРИЯ МЕХАНИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

Лабораторная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ КАПЕЛЬНЫМ МЕТОДОМ

Краткая теория.

Молекулы жидкости расположены настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Благодаря сильному взаимодействию между молекулами, свойства жидкостей существенно отличаются от свойств газов. Граничный слой, отделяющий жидкость от окружающего ее пространства, обладает

особыми свойствами, рассмотрим силы, действующие на. молекулу внутри жидкости (рис. 1). На выделенную молекулу действуют силы отталкивания со стороны непосредственных соседей и притяжения со стороны молекул, находящихся не далее определенного радиуса молекулярного взаимодействия.

Равнодействующая всех сил для молекулы, находящейся от поверхности жидкости на расстоянии, превышающем радиус взаимодействия из соображений симметрии, очевидно, равна нулю. Иначе для молекулы, находящейся вблизи

поверхности. Обычно рассматривается граница раздела жидкости н пара над ней или какого-либо газа (воздуха). Давление пара или газа над жидкостью существенно меньше, поэтому выступающая часть сферы молекулярного взаимодействия будет менее заполнена молекулами, чем остальная часть сферы. В результате на каждую молекулу в поверхностном слое действует сила, направленная внутрь жидкости.

Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой связан с необходимостью совершения работы против сил, действующих на нее в поверхностном слое. Эта работа совершается молекулой за счет ее кинетической энергии н идет на увеличение потенциальной энергии молекулы в поверхностном слое. Таким образом, можно считать, что весь поверхностный слой обладает потенциальной энергией, величина, которой пропорциональна величине поверхности жидкости:

В поле тяжести Земли форма и положение поверхности жидкости соответствует минимуму суммарной потенциальной энергии, т. е. форме шара.

Поверхность жидкости действует как упругая растянутая пленка, стремящаяся сжаться. Если мысленно ограничить часть поверхности замкнутым контуром, то поведение поверхностного слоя будет такое, как будто внутренние и внешние части поверхностного слоя действуют друг на друга мс силами, равными по величине и направленными в противоположные стороны вдоль нормали к контуру. Эти силы — силы поверхностного натяжения. Эти силы пропорциональны длине контура:

σ— коэффициент поверхностного натяжения, численно равный силе приходящейся на единицу длинны контура, l — длина контура

Иная картина на границе раздела жидкость — жидкость. Если жидкости не смешиваются друг с другом, то появляется четко выраженная граница раздела между ними и свойства поверхности раздела тоже удобно описывать с помощью коэффициента межфазного натяжения.

Изучая межфазное натяжение между двумя жидкостями, надо учитывать их временную растворимость, т. к. чаще всего надо измерять межфазное натяжение взаимно насыщенных растворов.

Результаты экспериментальных измерении межфазного натяжения были обращены Г.Н. Антоновым в виде приближенного правила: коэффициент меж фазного натяжения на границе двух, жидкостей равен разности коэффициентов поверхностных натяжений их взаимно насыщенных растворов.

Для измерения межфазного натяжения применяются те же экспериментальные методы, что и для измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, граничащих со своим паром

Теория метода.

Существуют несколько различных методов определения коэффициента поверхностного натяжения: капиллярный метод, метод максимального давления пузырьков, метод счета капель и другие.

В этой лабораторной работе экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения проводится капельным методом. Рассмотрим процесс отрыва капель. Несколько стадий этого

процесса изображены на рис. 2. Весьма приближенно можно считать, что вес оторвавшейся капли равен

где r — радиус конца трубки, σ— коэффициент поверхностного натяжения.

Отсюда, m — масса оторвавшейся капли. Но более точно определяет коэффициент поверхностного натяжения формула:

Описание установки.

Экспериментальная установка состоит из микрометрического шприца для выдавливания капель жидкости, подставки и стеклянного стакана. С помощью данной установки можно определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости, если капли исследуемой жидкости падают в пустой стакан. Можно также измерять коэффициент межфазного натяжения, для чего необходимо заполнить стакан другой жидкостью. Для удобства работы с жидкостями различной плотности установка снабжена прямыми и изогнутыми иголками. Масса выдавливаемой капли определяется по известной плотности жидкости и объему капли, который измеряется с помощью микрометрического винта. На формирование каждой капли необходимо затратить не менее 5 минут, причем особенно осторожно проводить последнюю стадию формирования непосредственно перед отрывом капли.

Выполнение работы.

Упражнение 1.

Поиск по сайту: