Теоретическое обоснование исследования
Как известно, коэффициентом поверхностного натяжения называют физическую величину, численно равную работе, необходимой для увеличения поверхности жидкости на единицу площади, или величина численно равная силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура на поверхности жидкости:
= (dF/dl) (1)
Если опустить кольцо в жидкость, а затем медленно поднимать его вверх, то наступит момент, когда кольцо оторвется от поверхности жидкости. Если бы в жидкости отсутствовала сила поверхностного натяжения, то отрыв кольца от поверхности жидкости произошел бы, как только плоскость основания кольца пересекла поверхность жидкости. Однако из за наличия силы поверхностного натяжения жидкости наступает момент когда плоскость основания кольца уже находится над поверхностью жидкости а отрыв кольца не происходит (см.рис. 1).
 |
Рис.1.
Это связано с тем, что сила поверхностного натяжения F1 частично компенсирует силу, которая поднимает кольцо F2.
Рассмотрим силы, действующие на кольцо, которое касается поверхности жидкости в момент отрыва кольца. Силы поверхностного натяжения, действующие на внутренний и внешний контур кольца (рис. 2.), направлены вертикально вниз и их результирующая равна сумме сил действующих на элементы кольца dl.
dli(1)
dli(2) Рис. 2.
Обозначим:
dFi(1)-сила поверхностного натяжения, действующая на элемент dli(1) внешнего контура кольца,
dFi(2)-сила поверхностного натяжения, действующая на элемент dli(2) внутреннего контура кольца.
Согласно формуле (1):
dF=adl (2)
Результирующая сила поверхностного натяжения, действующая на кольцо будет равна сумме двух сил; силы F1 действующей на внешний контур кольца, и силы F2 действующей на внутренний контур кольца.
Суммируя по элементам соответственно внешнего и внутреннего контура, окончательно получим:
F=F1 +F2 = π 
(Dвнеш + Dвнут) (3)
где:
Dвнеш - внешний диаметр кольца,
Dвнут - внутренний диаметр кольца,
- коэффициент поверхностного натяжения.
Из формулы (3) можно определить коэффициент поверхностного натяжения, равный:
= F / π (Dвнеш + Dвнут) (4)
Следовательно, определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца сводится к измерению силы необходимой для отрыва.
Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит от температуры,
= (T). (рис.3)
Рис.3 (Зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры)
Техническое обеспечение исследования
Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения представляет собой:
динамометр с подвешенным на одном плече кольцом (1);
сосуд с исследуемой жидкостью
включение/выключение печи (1)
регулятор температуры нагрева (2)
печь с электронным термометром (4);
Методика проведения исследования
1. С помощью штангенциркуля измерить внутренний и внешний диаметр кольца.
2. Перед проведением измерений необходимо выставить динамометр по отвесу и уравновесить его с подвешенным сухим кольцом.
3. Осторожно подливать в сосуд жидкость до тех пор, пока кольцо не коснется поверхности жидкости, при этом равновесие нарушится.
4. С помощью электронного термометра измерить первоначальную температуру жидкости.
5. Медленно увеличивать силу натяжения при помощи динамометра, до тех пор, пока кольцо не оторвется от поверхности жидкости.
6. В момент отрыва кольца от поверхности жидкости снять показания со шкалы динамометра (для этого определить количество делений и умножить на цену одного деления).
7. Для воды провести измерения п.6 при различных температурах (через каждые 10 °C). Для этого необходимо включить печь (для начала нагрева нажать кнопку Set на экране термометра).
8. Каждое измерение провести три раза и вычислить среднее значение.
9. Вычислить коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости (
). (4).
10.Получив все данные, заполнить таблицу.
11.Провести измерения пп.6,7, для молока, растительного масла.
| № | Вещество | Цена деления динамометра, Н | Количество делений динамометра | Значение силы, F, Н | D, м | d,м | , Н/м
| Температура жидкости, °C |
| Вода | ||||||||
| Молоко | ||||||||
| Масло | ||||||||
| Мыльный раствор |
1. По табличным данным построить график зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости от температуры (t) для воды.
Контрольные вопросы:
1.Чем отличается строение жидкости от строения твердых тел?
2.Как следует понимать выражение «ближний порядок в жидкостях»?
3.Что такое поверхностный слой жидкости? Почему он обладает свойствами отличными от свойств остальной массы жидкости?
4.От чего зависит давление под изогнутой поверхностью жидкости? От чего зависит высота поднятия или опускания жидкости в капиллярах?
5. Как и отчего зависят силы молекулярного взаимодействия?
6. Какое количество энергии требуется для разбивания шарообразной капли радиусом R на мелкие капли радиусом r?
7. От каких факторов зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ?
8. Укажите, как направлена сила поверхностного натяжения в момент отрыва кольца.
9. Объясните явления смачивания и не смачивания жидкостью. Какие значения принимает краевой угол?
10. Как можно наблюдать капиллярные явления? Приведите примеры.
11. Получите из формулы Лапласа избыточные давления для сферической, цилиндрической и плоской поверхности жидкости.
12. От каких факторов зависят случайные погрешности в данной экспериментальной работе?
13. Выведите формулу, необходимую для расчета коэффициента поверхностного натяжения в данной лабораторной работе.