Лабораторна робота № 23

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КРАПЛІ

Мета роботи:Визначити коефіцієнт поверхневого натягу невідомої рідини.

Обладнання:бюретка, досліджувана рідина.

 

Теоретичні відомості

Рідини за своїми властивостями займають проміжне місце між газами та твердими тілами і мають ознаки як газу, так і кристалічного тіла. Зокрема, для рідин, як і для кристалів, характерна наявність певного об’єму, і водночас рідини, як і гази, займають форму посудини, в якій вони знаходяться. Для кристалічних тіл характерно впорядковане розміщення частинок (дальній порядок). За даними рентгенографічних досліджень в рідинах спостерігається ближній порядок (впорядковане розміщення сусідніх частинок довкола даної на незначних віддалях). У зв’язку з відсутністю в рідинах дальнього порядку в них не виявлено анізотропії (залежності фізичних властивостей від напряму), характерної для кристалів. У рідинах, з видовженими молекулами, спостерігається однакова орієнтація молекул у межах певного об’єму. В таких рідинах має місце анізотропія оптичних і інших властивостей. Рідини з такими властивостями одержали назву рідких кристалів.

Тепловий рух молекул має такий характер: молекула протягом певного часу коливається відносно тимчасового положення рівноваги, а потім стрибком переміщується в нове положення рівноваги. З підвищенням температури амплітуда і частота стрибків збільшуються.

Між молекулами рідини діють Ван-дер-Ваальсівські сили притягання, які швидко зменшуються із збільшенням відстані між молекулами ( ~ ).

Ці молекулярні сили треба враховувати до певної відстані між молекулами, яка має назву радіуса молекулярної взаємодії. Кожна молекула в середині рідини (рис. 23.1) зазнає притягання з боку всіх тих молекул, які знаходяться в сфері радіуса молекулярної взаємодії r, центр якої співпадає з центром даної молекули. Рівнодійна всіх сил, в даному випадку, дорівнює нулю. Якщо ж молекула знаходиться на поверхні рідини або на відстані від поверхні, яка менша радіуса молекулярної взаємодії, то рівнодійна всіх сил не дорівнює нулю і напрямлена усередину рідини. При переході молекули з глибини рідини в поверхневий шар над молекулою виконується від’ємна робота і молекула набуває потенціальної енергії.

Таким чином, молекули в поверхневому шарі мають додаткову потенціальну енергію, величина якої пропорційна площі поверхні, тобто

, (23.1)

де – коефіцієнт поверхневого натягу. З механіки відомо, що положення рівноваги тіла відповідає мінімуму потенціальної енергії, тому за умови відсутності зовнішніх сил рідина приймає форму з мінімальною поверхнею, тобто форму кулі. Наявність поверхневої енергії зумовлює намагання рідини скоротити свою поверхню. Поверхневий шар рідини поводить себе як пружна плівка, яка намагається скоротитись. У ній діють сили поверхневого натягу.

З рівняння (23.1) коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює додатковій енергії молекул поверхневого шару, віднесеній до одиниці площі цієї поверхні, тобто

. (23.2)

В системі SI коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в або .

Коефіцієнт поверхневого натягу можна виразити і так:

, (23.3)

тобто, як відношення сили поверхневого натягу до довжини межі поверхні, на яку діє ця сила.

Поверхневий натяг суттєво залежить від температури, так як з підвищенням температури збільшується віддаль між молекулами, а значить зменшуються сили взаємодії.

Поверхневий натяг залежить і від домішок, які є в рідині. Речовини, які послаблюють поверхневий натяг рідини, називаються поверхнево – активними речовинами (наприклад, по відношенню до води - мило). Є речовини, які збільшують поверхневий натяг води – цукор, сіль та інші. Збільшення чи зменшення поверхневого натягу пояснюється величиною сил взаємодії між молекулами рідини і молекулами рідини та домішок.

Є різні методи визначення коефіцієнта поверхневого натягу: метод відриву краплі, відриву кільця, метод Ребіндера, метод підняття чи опускання рідини в капілярних трубках і ін..

Коли рідина витікає з капіляра, то на кінці капіляра утворюється крапля. Поверхня краплі розтягується під дією сили тяжіння, що діє на рідину. (рис. 23.2). Сила тяжіння тягне краплю вниз, збільшуючи розмір кулі – краплі, а сила поверхневого натягу намагається скоротити поверхню «плівки». В момент відриву краплі вага краплі – дорівнює силі поверхневого натягу, яка рівна . Тоді , де – довжина шийки, по якій відбувається розрив «плівки» поверхневого шару.

Коефіцієнт поверхневого натягу для даної рідини можна визначити з рівняння , але довжина шийки краплі , по якій відбувається розрив, є невідомою. Можна обійтися без визначення довжини , застосувавши метод порівняння. Нехай в трубці знаходиться рідина об’ємом , густиною і відомим коефіцієнтом поверхневого натягу . Якщо ця рідина витікає краплями в кількості , то очевидно

 

, (23.4)

 

де – вага рідини, - довжина шийки . Для рідини з невідомим коефіцієнтом поверхневого натягу , об’ємом , густиною і кількістю утворених з цього об’єму крапель можна записати

 

. (23.5)

 

Виключивши з рівнянь (23.4) і (23.5) , отримуємо:

. (23.6)

Таким чином, визначивши об’єми і рідин, кількість крапель і та табличне значення , можна визначити поверхневий натяг невідомої рідини. Якщо взяти об’єми однаковими, то в формулі (23.6) можна їх скоротити і вона набуде вигляду:

. (23.7)