Поверхностное натяжение способы определения коэффициента поверхностного натяжения

Способы определения поверхностного натяжения жидкостей

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.

В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами.

Статические методы:

1. Метод поднятия в капилляре

Основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре радиуса r при полном смачивании; поверхностное натяжение рассчитывают по формуле:

Высота подъема , где -разность плотностей жидкости и вытесняемого газа, r-радиус капилляра. Точность определения поверхностного натяжения растет с уменьшением отношения r/а (а-капиллярная постоянная жидкости).

При идеальном смачивании, т. е. когда краевой угол смачивания равен нулю справедливо уравнение:

= ghr/2,

— плотность жидкости;

g — ускорение свободного падения.

Недостатком этого метода является зависимость высоты подъема жидкости от характера смачивания стенок капилляра исследуемой жидкостью

2. Метод Вильгельми

Универсальный метод, особенно подходит для измерения поверхностного натяжения в течение длительного промежутка времени. Измеряется усилие, возникающее в процессе отрыва стеклянной пластины от поверхности жидкости

При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины

,

где G₀— вес сухой пластины

3. Метод лежачей капли

Метод основан на измерении формы капли, находящейся на несмачиваемой поверхности.

4. Метод определения по форме висячей капли.

Измеряется возможность проводить измерения при повышенной температуре и давлении. Оптическими методами анализируют геометрию капли.

5. Метод вращающейся капли

Сущностью метода является измерение диаметра капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости. Капля жидкости плотностью r1 помещается в трубку с более тяжелой (плотность r2) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью w капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r. Расчетное ур-ние:

Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения.

Динамические методы:

1. Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).

Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.

Для отрыва проволочного кольца радиусом R от пов-сти жидкости требуется сила

2. Сталагмометрический, или метод счета капель.

Метод основан на определении объема капли, вытекающей из капилляра с известным радиусом

Рис.Схема простейшего сталагмометра На рис.показана схема простейшего сталагмометра, который представляет собой сферический пузырек В известного объема Vk, ограниченный метками b и d и соединенный с двумя калиброванными капиллярами, имеющими объем каждого деления vе. Сталагмометр заполняют жидкостью, затем позволяют мениску очень медленно перемещаться по капилляру, перекрывая частично доступ воздуха в капилляр А с помощью резиновой трубки и зажима таким образом, чтобы каждая капля образовывалась за время не менее 4 с. После падения первой капли проводится отсчет деления, соответствующего верхнему мениску a в капилляре А (n делений от метки a). Скорость последующего образование капель также контролируют и устанавливают время образования капли не менее 4–5 с. После достижения мениском метки, например e в нижнем капилляре C (m делений от метки d), определяют объем одной капли при числе подсчитанных вытекших из сталагмометра капель N :

(ур-ние Тейта),

где G-общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r. Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэф., зависящий от г и объема капли.

К недостаткам сталагмометрического метода можно отнести возможность испарения жидкости с поверхности капель при их длительном образовании и необходимость введения поправочных коэффициентов для точного определения поверхностного натяжения.

При учете всех поправок погрешность сталагмометрического метода не превышает 1%.

3. Метод максимального давления пузырька (метод Ребиндера).

Оптимально подходит для измерения величины поверхностного натяжения в зависимости от возраста поверхности. Измеряется давление, которое необходимо приложить, чтобы пузырек пробульковал из капилляра в жидкость.

Расчет основан на ур-нии Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом г перед моментом отрыва давление

В этом случае определяется так называемое динамическое поверхностное натяжение, которое зависит от скорости пробулькавания пузырька.

4. Метод осциллирующей струи

5. Метод стоячих волн

6. Метод бегущих волн

При возмущении жидкости пластиной «лежащей» на её поверхности, по ней начинает распространяться цуг волн. Если просветить кювету с жидкостью импульсным источником света с частотой равной частоте возмущения, то на экран спроецируется «стоячая» волновая картина. Измеряя длину волны на экране и геометрически перерассчитывая её (зная расстояние от источника света до поверхности жидкости и расстояние от поверхности до экрана, а также про подобие треугольников) можно получить величину поверхностного натяжения по формуле:

,

Источник

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Как сказал.

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Список лекций по физике за 1,2 семестр

Я учу детей тому, как надо учиться

Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.

Урок 21. Лабораторная работа № 05. Измерение поверхностного натяжения жидкости (отчет)

Лабораторная работа № 5

Тема: «ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.

1. Начертили таблицу:

опыта

Масса капель

m, кг

Число капель

n

Диаметр канала шприца

d, м

Поверхност-ное натяжение

σ, Н/м

Среднее значение поверхностного натяжения

Табличное значение
поверхност-ного натяжения

Относительная погрешность

δ %

Вычисляем поверхностное натяжение по формуле

Находим среднее значение поверхностного натяжения по формуле:

Определяем относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

Вывод: я измерил поверхностное натяжение жидкости (воды), оно получилось равным 0,069 Н/м, что с учетом погрешности 41,76% совпадает с табличным значением.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

Поверхностное натяжение зависит от силы притяжения между молекулами. У молекул разных жидкостей силы взаимодействия разные, поэтому поверхностное натяжение разное. Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее.

2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?

Если температура увеличивается, то скорость движения молекул соответственно увеличивается, а силы сцепления между молекулами — уменьшаются. т.е силы поверхностного натяжения зависят от температуры. Чем температура жидкости выше, тем слабее силы поверхностного натяжения.

3. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?

Изменится незначительно, т.к. в формулу входит величина g — ускорения свободного падения. А мы знаем, что в разных точках Земли ускорение свободного падения различно. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьирует ся от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах.

4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?

Изменение диаметра трубки не может приводить к изменению измеряемой величины. Для определения поверхностного натяжения используется формула .

По рисунку видно, что уменьшение диаметра трубки компенсируется уменьшением массы капли, а поверхностное натяжение, естественно, останется тем же.

5. Почему следует добиваться медленного падения капель?

При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли растет постепенно. Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1 капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли сила тяжести равна результирующей силе поверхностного натяжения F = πdσ.

Необходимо, чтобы капли отрывались от трубки самостоятельно, под действием силы тяжести. Если падение капель будет быстрым при дополнительном нажатии на поршень шприца, то в момент отрыва капли сила тяжести не будет равна силе поверхностного натяжения и данный метод даст большую погрешность измерения.

Источник

Поверхностное натяжение способы определения коэффициента поверхностного натяжения

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Методические указания по выполнению лабораторной работы

Хабаровск Издательство ДВГУПС

УДК 532.61(075.8) ББК В365.35я73

Кандидат физико-математических наук, профессор кафедры Физика» Дальневосточного государственного университета путей сообщения

Ш 876 Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости : методические указания по выполнению лабораторной работы / Д.С. Штарев. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. – 19 с. : ил.

Приведены краткие теоретические сведения по основам явления поверхностного натяжения и связанных с ним явлений (смачивание, несмачивание, капиллярные эффекты и т.д.). Описаны основные методы измерения коэффициента поверхностного натяжения. Также дается подробная последовательность действий по измерению поверхностного натяжения методом отрыва кольца и капиллярным методом.

Предназначены для студентов 1-го курса дневной формы обучения всех инженерных специальностей, изучающих дисциплину «Физика».

Поверхностные явления (такие как поверхностное натяжение жидкости) на границах раздела фаз жидкость – газ и жидкость – твердое тело являются наилучшей демонстрацией молекулярной структуры жидкости. Изучение явления поверхностного натяжения жидкости на практике помогает студентам лучше понять природу сил межмолекулярного притяжения и связанные с этим явления: смачивание, несмачивание, капиллярность. В свою очередь, понимание физической сущности этих эффектов очень важно для правильного формирования профессиональных навыков студента, так как поверхностные явления крайне широко представлены в жизни человека: гидравлические приводы машин и механизмов, очистка поверхностей от загрязнителей, технология получения новых материалов микроэлектроники, течение крови по капиллярным сосудам в теле человека…

Данная лабораторная работа выполняется с целью изучения молекулярных свойств жидкости и определения коэффициента поверхностного натяжения воды двумя методами – методом отрыва кольца и капиллярным методом. Работа является частью раздела «Молекулярная физика и термодинамика», изучаемого в курсе физики высшей школы.

Цель работы – измерить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва кольца и капиллярным методом.

2) капиллярные трубки разных диаметров;

3) сосуд для жидкости;

4) исследуемая жидкость (вода).

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Общие положения

Жидкости и газы по своим механическим свойствам очень похожи. Поэтому их часто рассматривают и описывают одинаково, считая сплошными средами, не имеющими структуры.

Но если обратиться к молекулярному устройству жидкостей и газов, то станут очевидными различия, связанные с разным положением молекул в них. В жидкостях расстояние между молекулами гораздо меньше, чем в газах, молекулы «упакованы» значительно плотнее, поэтому имеют место некоторые особенности. Одна из таких особенностей – явление поверхностного натяжения, которое рассматривается в данной лабораторной работе.

Явление поверхностного натяжения заключается в стремлении жидкости сократить площадь своей поверхности. Это явление можно объяснить, основываясь на представлениях о молекулярном строении жидкостей. На каждую молекулу жидкости со стороны других молекул действуют силы гравитационного притяжения:

где G = 6,6725 10 -11 м 3 /(кг с 2 ) – гравитационная постоянная, m 1 , m 2 – массы взаимодействующих молекул; R – расстояние между центрами их масс.

Как видно из (1), силы притяжения между молекулами очень быстро убывают с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния между ними). Поэтому, начиная с некоторого «граничного» расстояния этими силами можно пренебречь. Это расстояние имеет величину порядка 10 -9 м и называется радиусом молекулярного действия r . Сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия.

Итак, каждая молекула подвергается действию сил притяжения со стороны молекул, входящих в сферу молекулярного действия. Но моле-

кулы, находящиеся за пределами этой сферы, не действуют на рассматриваемую молекулу (точнее, действием сил притяжения к ним можно пренебречь). Выделим некоторую молекулу жидкости, окруженную со всех сторон другими молекулами. Силы, действующие на нее, сосредоточатся внутри сферы молекулярного действия (рис. 1). Эти силы направлены в разные стороны. А так как количество молекул внутри сферы молекулярного действия очень велико 1 , то силы притяжения рассматриваемой молекулы к ним в целом скомпенсированы, и равнодействующая всех этих сил равна нулю (в этом можно легко убедиться на рис. 1: возьмите любую молекулу внутри сферы молекулярного действия и найдите вторую молекулу, расположенную на таком же расстоянии, но с противоположной стороны от рассматриваемой молекулы).

Сфера молекулярного действия

Рис. 1. Силы, действующие на молекулу, находящуюся в объеме жидкости: – рассматриваемая молекула; – молекулы, входящие в сферу молекулярного дей-

ствия; – молекулы, не входящие в сферу молекуляр-

ного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу

1 Размеры молекул на порядок меньше радиуса молекулярного действия, объемы – на три порядка меньше объема сферы молекулярного действия, поэтому внутри сферы может помещаться, по меньшей мере, порядка 10 2 молекул (учитывая расстояние между ними).

Таким образом, молекула, находящаяся в объеме жидкости не испытывает на себе воздействия со стороны других молекул, так как их суммарное воздействие на рассматриваемую молекулу скомпенсировано.

Совершенно иная картина по сравнению с глубиной жидкости наблюдается на её поверхности. Здесь на любую рассматриваемую молекулу так же будут действовать силы со стороны молекул жидкости, находящихся внутри сферы молекулярного действия. Коренное различие заключается в том, что жидкость находится только с одной стороны от поверхности. С другой стороны находится газ или вакуум. Как уже было отмечено выше, расстояние между молекулами в газе значительно (на несколько порядков) превышает расстояние между молекулами в жидкости. Это означает, что количество молекул газа, находящихся вблизи границы раздела жидкость – газ и могущих притягивать рассматриваемую молекулу, несущественно и их воздействием мы вправе пренебречь. Следовательно, сфера молекулярного действия превращается в полусферу, и равнодействующая молекулярных сил уже не будет равна нулю. Эта равнодействующая направлена внутрь жидкости и в общем случае не перпендикулярна и не параллельна поверхности жидкости (рис. 2).

Граница раздела жидкость газ

Сфера молекулярного действия

Рис. 2. Силы, действующие на молекулу, находящуюся на границе раздела фаз жидкость – газ: – рассматриваемая молекула; – молекулы, входящие в сферу

молекулярного действия; – молекулы, не входящие в

сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу

Для того чтобы найти равнодействующую всех сил, действующих на рассматриваемую молекулу на поверхности жидкости, необходимо сложить силы, с которыми рассматриваемая молекула притягивается к каж-

дой молекуле, входящей в сферу молекулярного действия. Для этого каждую такую силу следует представить в виде двух ортогональных составляющих: нормальную к поверхности жидкости и касательную к ней (рис. 3).

Граница раздела жидкость газ Сфера молекулярного действия

Рис. 3. Силы поверхностного натяжения и внутреннего (молекулярного) давления жидкости: – рассматриваемая молекула; – молекулы, входящие в сферу молекулярного дей-

ствия; – молекулы, не входящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу; – сила поверхностного натяже-

ния; F д – сила, обуславливающая внутреннее (молекуляр-

Первая – нормальная к поверхности сила F д – вызывает так называемое внутреннее, или молекулярное давление – давление жидкости на себя. Это давление не действует на тела, помещенные в жидкость, ибо оно вызвано исключительно молекулярными силами. Вторая же сила – касательная к поверхности F П . Н – называется силой поверхностного натяжения. Эта сила всегда стремится сократить свободную поверхность жидкости. Если мы будем каким-либо способом растягивать поверхность, силы поверхностного натяжения будут препятствовать этому.

Рассмотрим этот процесс с энергетической точки зрения.

Чтобы развести две молекулы на некоторое расстояние, необходимо совершить работу против сил молекулярного притяжения (1). Это означает, что система из многих молекул будет обладать потенциальной энергией вследствие межмолекулярного взаимодействия. Во внутренних

слоях жидкости, как мы помним, молекулярные силы скомпенсированы (то есть их равнодействующая равна 0), поэтому потенциальная энергия отсутствует (равна 0). В поверхностном слое это не имеет места; молекулы поверхностного слоя обладают потенциальной энергией из-за существования нескомпенсированной силы поверхностного натяжения. Эта потенциальная энергия называется поверхностной энергией .

Чтобы увеличить площадь свободной поверхности, необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. Энергия, затраченная при этом, превращается в поверхностную энергию, которая таким образом увеличивается. Если теперь прекратить воздействие на жидкость, она, в соответствии с принципом минимума энергии, сократит свою поверхность до минимально возможного в данных условиях значения.

Совершенно очевидно, что изменение поверхностной энергии E в этом случае будет пропорционально изменению площади свободной поверхности жидкости S :

в (2) называется коэффициен-

том поверхностного натяжения жидкости. Так как для изменения поверхностной энергии необходимо совершить работу ( A = E ), то из уравнения (2) можно получить следующее соотношение, определяющее физический смысл коэффициента поверхностного натяжения:

Как видно из формулы (3), коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, совершенной молекулярными силами при изменении площади свободной поверхности жидкости на 1 м 2 при постоянной температуре.

Если выделить в свободной поверхности жидкости некоторый замкнутый контур, то сила поверхностного натяжения, приведенная к единице длины этого контура, также будет численно равна коэффициенту поверхностного натяжения:

Исходя из формул (3) и (4), можно определить размерность коэффициента поверхностного натяжения. В СИ он обычно измеряется в ньютонах на метр (Н/м) или в джоулях на квадратный метр (Дж/м 2 ). Иногда используется также единица системы СГС дина на сантиметр (дин/см), равная 10 -3 Н/м.

Величина поверхностного натяжения зависит от температуры – с ростом температуры она уменьшается. Также в значительной степени она зависит от примесей, содержащихся в жидкости.

Существуют различные методы определения коэффициента поверхностного натяжения. Ниже изложены теоретические основы некоторых из них.

1.2. Метод отрыва кольца

С явлением поверхностного натяжения неразрывно связаны также явления смачивания и несмачивания. В отличие от молекул газов, молекулы твердых тел также могут испытывать притяжение со стороны молекул жидкостей. В жизни мы можем неоднократно наблюдать поведение капель разных жидкостей при попадании их на поверхность различных твердых тел. Одни из них растекаются по поверхности (рис. 4), другие, напротив, собираются в шарики (рис. 5).

Рис. 4. Пример смачивания поверхности

Рис. 5. Пример несмачивания

твердого тела жидкостью

поверхности твердого тела жидкостью

Причина, по которой различные жидкости растекаются или не растекаются на поверхности различных твердых тел, заключается в следующем. В месте контакта жидкости с поверхностью твердого тела на молекулы жидкости начинают действовать силы притяжения со стороны молекул твердого тела (из числа молекул, входящих в сферу молекулярного действия). В случае, если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела оказываются больше, чем силы притяжения между молекулами внутри жидкости, мы наблюдаем явление смачивания

В том же случае, если силы притяжения между молекулами жидкости

и твердого тела оказываются меньше сил притяжения между молекулами внутри жидкости, наблюдается явление несмачивания (рис. 7).

Краевой угол Θ 0

Твердое тело

Рис. 6. Механизм смачивания: – рассматриваемая молекула; – молекулы жидкости, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не вхо-

дящие в сферу молекулярного действия; – молекулы твердого тела, входя-

щие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу

Краевой угол Θ > 90 0

Рис. 7. Механизм несмачивания: – рассматриваемая молекула; – молекулы жидкости, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не

входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы твердого тела, вхо-

дящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу

Явления смачивания и несмачивания численно характеризуются так называемым краевым углом Θ – углом между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости в точке раздела фаз «газ –

Источник