Метод капиллярного поднятия
В основе капиллярного метода лежит свойство искривленной границы раздела, заключающееся в том, что давление в жидкости под искривленной и плоской поверхностями неодинаково и отличается на величину капиллярного давления: p= σ(1/r1+1/r2) (1)
Капиллярное давление является движущей силой поднятия или опускания жидкости в капиллярах, частично погруженных в эту жидкость. При смачивании жидкостью поверхности капилляра в нем образуется вогнутая поверхность, давление под которой меньше, чем под плоской поверхностью жидкости в сосуде. Под действием этой разности давлений жидкость в капилляре поднимается выше ее уровня в сосуде до тех пор, пока гидростатическое давление столба жидкости не уравновесит капиллярное давление. Если жидкость не смачивает поверхность капилляра, то в нем образуется выпуклая поверхность, давление под которой больше, чем под плоской поверхностью. Вследствие этого жидкость в капилляре опускается ниже ее уровня в сосуде.
В капиллярах цилиндрической формы образуется сферическая поверхность, для которой r1 = r2 = r3, и уравнение (1) переходит в следующее: р 2 / r.
Условие равновесия в этом случае характеризуется уравнением:
2σ/r=h(p2-p1)g (2)
где r – радиус кривизны сферической поверхности; h – высота поднятия (опускания) жидкости; 1 и2 – плотности жидкости и насыщенного пара.
Из (2) следует, что при известном радиусе кривизны поверхности можно определить поверхностное натяжение, измерив высоту столба жидкости в капилляре. Поскольку радиус кривизны поверхности экспериментально неопределим, формулу (2) приводят к виду, удобному для практического использования, следующей подстановкой (рис. 1): r cos0= R где – краевой угол; R – радиус капилляра.
Рис.1. Схема, поясняющая соотношение между радиусом кривизны поверхности r и радиусом капилляра R
Таким образом, для точного определения поверхностного натяжения жидкости по высоте поднятия кроме радиуса капилляра необходимо измерить краевой угол. В этом заключается основной недостаток метода.
Для воды и многих органических жидкостей краевой угол близок к нулю, поэтому необходимость в определении отпадает (r = R).
Для определения поверхностного натяжения методом капиллярного поднятия необходимы: капилляр диаметром 0,2-0,3мм, тем или иным способом соединяемый с сосудом, в который заливается исследуемая жидкость, катетометр для измерения высоты поднятия жидкости, обеспечивающий точность 1 мкм, и устройство для подсветки мениска.
Радиус капилляра определяется измерением длины столбика ртути известного веса. Для установки отбирают капилляры, имеющие наиболее однородное сечение по длине. Если не требуется большая точность, то радиус капилляра можно определить по высоте поднятия стандартной жидкости с известным значением поверхностного натяжения 0 по формуле
R 2 0 /(h 00 g). В этом случае поверхностное натяжение исследуемой жидкости рассчитывается по уравнению
h/ h 00. (3)
Сосуд для исследуемой жидкости должен иметь достаточно большое сечение (диаметр не менее 30 мм), чтобы поверхность жидкости в нем была плоской.
Определение положения мениска жидкости в капилляре и сосуде следует проводить на фоне темного экрана с узкой щелью (2-5мм), освещаемой лампой.
За высоту поднятия h принимается расстояние между полюсом мениска и уровнем плоской поверхности жидкости.
Один из возможных вариантов аппаратурного оформления метода показан на рис. 2. Прибор для определения высоты поднятия жидкости изготовлен в виде U - образной трубки, одно колено 2 которой имеет диаметр около 30 мм, а вторым служит градуированный капилляр 1.
Экспериментальная часть
Метод отрыва капель
Оборудование: шприц, стакан, вода, сахар.
Ход опыта:
1) Набираем в медицинский шприц чистую воду (водный раствор сахара) объемом 1-2 мл. Внутренний диаметр его равен 2 мм. Потренируйтесь выпускать воду по каплям.
2) Определим число капель в набранном объеме воды V. Вычислим массу одной капли по формуле (1):
m0=M/N=Ps*V/N (1)
σ= m0 g / 2 nR = m0 g /nd (2)
Поставил формулу (1) в расчетную формулу (2) и рассчитали коэффициент поверхностного натяжения. Проделали опыт не менее 3-х раз, результаты приведены в таблице.
| № опыта | V,M | N | σ H/M | t,c |
| 0,002 | 2,15 | |||
| 0,002 | 2,73 | |||
| 0,002 | 3,65 | |||
| Среднее знач. | 0,002 | 2,84 |
Заключение
Работа имеет большое познавательное значение, вызывает интерес к физике и практической деятельности. Проведённое исследование подтвердило зависимость поверхностного натяжения от температуры: оно уменьшается с увеличением температуры жидкости.
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Поверхностная плёнка прогнётся и не даст игле утонуть. По этой же причине лёгкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.
Прогиб плёнки не позволит выливаться воде, осторожно налитой вчастое решето. Так что можно «носить воду в решете». Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение затрудняет просачивание воды сквозь неё, и потому она не промокает насквозь мгновенно.
В своём стремлении сократиться поверхностная плёнка стремится придать жидкости сферическую форму, но препятствует сила тяготения. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объёмными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы радуги.
Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в современных технологиях, полиграфии, технике.
Поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма. Например, считается, что организму более полезна жидкая кровь, тогда клеткам не надо тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.
Вода – жидкое вещество: её можно разливать, в неё можно погружать предметы. На силу натяжения в значительной степени влияет химический состав воды.
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна: без этих сил мы не могли бы писать чернилами; нельзя было бы намылить; нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений; пострадали бы важные функции нашего организма.
Список литературы.
1: https://studopedia.su/2_33060_termodinamika-poverhnostnogo-natyazheniya.html
2: https://studfiles.net/preview/2383541/page:88/
3: https://foxford.ru/wiki/fizika/sila-poverhnostnogo-natyazheniya
4: https://studopedia.ru/7_13309_metodi-opredeleniya-poverhnostnogo-natyazheniya.html
5:https://studfiles.net/preview/5485166/
6: https://allrefs.net/c12/47ajh/p26/
7: https://studopedia.org/11-91611.html
8: https://studfiles.net/preview/1820899/page:2/