Лабораторная работа № 1-6
Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва пластины
Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости методом отрыва пластины от ее поверхности.
Оборудование:
1. Штатив;
2. Линейка;
3. Пружина;
4. Пластина;
5. Сосуд с исследуемой жидкостью.
6. Эталонный груз.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Жидкость – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным состояниями и сочетающее в себе некоторые характерные особенности обоих этих состояний. Жидкости, в частности, присущи некоторые черты кристаллического тела. Жидкость способна сохранять свой объем, образовывать поверхность раздела с другой средой, обладать определенной прочностью на разрыв. Согласно рентгенографическим исследованиям у жидкого состояния наблюдается некоторая схожесть структуры с кристаллическим состоянием, в частности определенная упорядоченность частиц жидкости.
В расположении частиц, в жидкости наблюдается так называемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице жидкости расположение по отношению к ней других таких же частиц является упорядоченным. Эта упорядоченность сохраняется достаточно длительное время, а за тем она может нарушиться за счет флуктуационных тепловых процессов. При этом частица, занимающая первоначально одно стационарное (или “оседлое”) состояние со своего места переходит в другое и некоторое время там находится. Затем происходит следующий переход. Можно лишь с помощью методов одного из разделов теоретической физики приблизительно рассчитать вероятность перехода, время оседлости и другие характеристики движения молекул жидкости, некоторая схожесть строения жидкости с кристаллической решеткой твердого тела позволяет считать жидкость квазикристаллической (кристаллоподобной).
К настоящему времени нет пока законченной теории жидкого состояния. Она создается на основе экспериментального обнаружения ближнего порядка методами рентгеновского анализа и нейтронографии.
Молекулы жидкости, находящихся на поверхности, т.к. плотность газа, с которым граничит жидкость, во много раз меньше плотности самой жидкости, испытывают действие силы, направленной внутрь жидкости. Поверхностный слой в целом обладает дополнительной потенциальной энергией, которая входит составной частью во внутреннюю энергию жидкости. Из-за наличия поверхностной энергии жидкость обладает тенденцией к стягиванию, т.е. сокращению своей поверхности, вследствие чего возникают силы поверхностного натяжения.
Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рис. 1).
Рис. 1.
Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед
Рис. 1 иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H2 O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие от рис. 1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис. 2 дает представление о структуре молекулы воды.
Рис. 2.
Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·107 раз
Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 3).
Рис. 3.
Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения
Сила поверхностного натяжения, приходящаяся на единицу длины контура, называется коэффициентом поверхностного натяжения σ.
 | (1) |
где dF – сила поверхностного натяжения; dl – элемент контура.
Коэффициент σ также может быть найден как
 | (2) |
Существует много способов измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. В данной работе используется метод отрыва пластины от ее поверхности, приведем в качестве примера другой метод определения коэффициента поверхностного натяжения – метод капель.
Рис. 4.
Метод капель
Если из стеклянной трубки капает жидкость (рис. 4), то капля отрывается от нее только тогда, когда ее вес Р будет равен (немного больше) силе поверхностного натяжения F, удерживающей каплю от падения, т.е.
| P= F =sl, | (3) |
где l = 2pr – периметр шейки капли в момент отрыва; r – радиус капли. Тогда P = 2spr, откуда
 | (4) |
Однако радиус шейки отрывающейся капли определить трудно, поэтому предлагается следующее. Допустим, что некоторый объем жидкости V содержит 
капель одной жидкости и n капель другой. Тогда, обозначив через 
и r плотности этих жидкостей, можно записать:
 | (5) (6) |
Разделив (5) на (6) почленно, получим
 | (7) |
Это и есть расчетная формула. Из нее видно, что зная коэффициент поверхностного натяжения 
первой жидкости (обычно это – вода), можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения испытуемой жидкости s.
Установка состоит из бюретки А вертикально укрепленной в штативе В (рис. 5). К бюретке при помощи резиновой трубки присоединена пипетка С. Внутри резиновой трубки находится шарик, выполняющий роль клапана, нажимая на который можно заставить жидкость либо вытекать струей, либо каплями.
Одну из бюреток промывают водой, наполняют ее водой и заставляют воду медленно капать. При этом считают число капель, соответствующее некоторому объему вытекшей жидкости. Выпустив оставшуюся воду, промывают бюретку испытуемой жидкостью и заливают в нее некоторый объем этой жидкости, и также находят число капель, полученных при вытекании.
Рис.5.
Принципиальная схема установки «метода капель»: (А – бюретка, В – штатив, С – пипетка)
В данной работе подробно рассматривается метод отрыва пластины от ее поверхности.