Лабораторная работа N⁰10

Определение поверхностного натяжения методом отрыва кольца от поверхности жидкости

Оборудование: 2 сосуда с водой, кольцо, весы, песок.

Теоретическое введение

В жидкостях между молекулами действуют силы взаимного притяжения. Действие этих сил на молекулы, расположенные вблизи поверхности жидкости, не скомпенсировано, в результате на поверхности возникает уплотненный, как бы натянутый, слой молекул, стремящийся сжать жидкость. В этом случае говорят, что возникает поверхностное натяжение жидкости. Давление этого слоя на жидкость приводит к появлению молекулярного давления. Под действием этого давления жидкость стремится сократить свою поверхность и занять минимальный объем. Сила поверхностного натяжения, которая действует на некоторый отрезок длиной l, расположенный на поверхности жидкости, определяется выражением F=σl.

Поверхностное натяжение можно определять путем измерения силы, которую нужно приложить перпендикулярно к поверхности жидкости для отрыва различных твердых тел от этой поверхности. Так как отрываемое тело смачивается жидкостью, то вместе с ним поднимается некоторое количество жидкости, т.е. свободная поверхность жидкости будет увеличиваться. Вследствие стремления этой поверхности сократиться возникает сила поверхностного натяжения. Если сила, действующая на тело, равна по величине силе поверхностного натяжения, то тело оторвется.

Рассмотрим кольцо с наружным диаметром D и толщиной d, касающееся поверхности жидкости (рис.9). При поднятии кольца над поверхностью жидкости между кольцом и поверхностью воды образуется пленка. Внешняя поверхность этой пленки тянет кольцо вниз с силой F₁=σπD, где σ- коэффициент поверхностного натяжения; внутренняя поверхность также тянет вниз с силой F₂=σπ(D-2d). Результирующая сила, удерживающая кольцо, равна сумме этих сил :

(10.1)

В момент отрыва внешняя сила F равна суммарной силе натяжения F_н

(10.2)

откуда

(10.3)

Поскольку диаметр и толщина кольца могут быть измерены штангенциркулем, то определение коэффициента поверхностного натяжения сводится к определению силы отрыва F. Эта сила может быть измерена, например, следующим методом.

Порядок выполнения работы

1. К левой чашке весов прикрепляется металлическое кольцо. Весы уравновешивают, насыпая на правую чашку песок. Осторожно насыпают песок на правую чашку до тех пор, пока кольцо не оторвется.
2. Уравновешивают весы, накладывая на левую чашку весов разновесы. Очевидно, вес разновесов P=mg, где m - масса разновесов, g=9.8 м/с₂ равен силе F, отрывающей кольцо.
3. Опыт выполняется 5 раз, данные заносятся в таблицу 1. Затем вычисляют среднюю силу по формуле (0.3), стандартное отклонение S_n по формуле (0.4а), абсолютную погрешность ΔF по формуле (0.4) и относительную погрешность для силы ε_F по формуле (0.6).
   

   Таблица 1

   Результаты опыта по определению поверхностного натяжения воды

   N0 п/п	Сила F, H	(Fi-Fcp)2, H	Погрешности	σ,Н/м
   1.			ΔF= εF= Δσ=
   2.
   3.
   4.
   5.
   Сред.	Fcp=	Sn=

4. Так как в формулу (10.3) сила входит в первой степени, а погрешностями измерения диаметра и толщины кольца можно пренебречь, то согласно (0.8) относительная погрешность для коэффициента поверхностного натяжения ε_σ=ε_F . Определим значение коэффициента поверхностного натяжения по формуле (10.3), а его абсолютная погрешность рассчитывается по формуле (0.9).

Контрольные вопросы

1. Опишите характер теплового движения молекул в жидкостях.
2. Объясните механизм возникновения молекулярного давления и поверхностного натяжения.
3. Почему при отсутствии внешних сил капля жидкости принимает форму шара?
4. На что затрачивается работа при увеличении поверхности жидкости?
5. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? В каких единицах он измеряется? Как зависит его величина от сил межмолекулярного взаимодействия?
6. Что такое поверхностно-активные вещества? Почему их молекулы скапливаются на поверхности жидкости?
7. Выведите рабочую формулу.