Материал: Лабораторная №5

Работа № 5 Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Цель работы:

освоить методы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, определить коэффициенты поверхностного натяжения растворов этилового спирта.

Приборы и принадлежности:

Растворы спирта различных концентраций, торсионные весы.

Введение

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости – один из важнейших показателей молекулярного состояния жидкости.

Молекула, находящаяся внутри жидкости, взаимодействует с окружающими её молекулами. Так как взаимодействия симметричны, то равнодействующая сил равна нулю. Для молекулы, находящейся вблизи поверхности, симметрия нарушается и возникает сила, некомпенсированная действием других молекул и направленная внутрь жидкости. Поэтому для перемещения молекул из глубины жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу.

При отсутствии внешних сил молекулы жидкости стремятся занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии, поэтому жидкость в свободном состоянии стремится иметь минимальную площадь поверхности и принимает форму шара. Поверхностный слой уплотняется, что похоже на упругую пленку, в которой действуют упругие силы (силы поверхностного натяжения), направленные по касательной к поверхности. Если условно выбрать на поверхности жидкости отрезок длинной l (рис.1), то силы поверхностного натяжения F можно изобразить стрелками, перпендикулярными отрезку.

l

Рис. 1

Коэффициент поверхностного натяжения равен

σ = F / l.

Следовательно, с одной стороны коэффициент поверхностного натяжения - это сила, действующая по касательной к поверхности, перпендикулярно единицы длины линии, лежащей в поверхностном слое.

Так как молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимся внутри жидкости, то для увеличения площади поверхности жидкости необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. Тогда

σ = A/ S.

Т. е. с другой стороны коэффициент поверхностного натяжения – это потенциальная энергия единицы площади поверхностного слоя жидкости.

Поверхностное натяжение биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. В диагностических целях определяют поверхностное натяжение спинномозговой жидкости, желчи, мочи. Коэффициент поверхностного натяжения мочи в норме составляет 70•10^-3 Н/м, а при наличии в моче желчных пигментов значительно снижается. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости в клиниках применяются два метода: метод отрыва капель с помощью сталагмометра или капельницы и метод отрыва кольца или рамки с помощью торсионных весов.

Метод отрыва пластины (рамки).

При медленном подъеме пластинки (рамки) при хорошем смачивании жидкость увлекается за пластинкой (рамкой) вверх (рис. 3) и краевой угол ϕ уменьшается до нуля, при этом силы поверхностного натяжения F, действующие по периметру пластинки, становятся направленными вертикально вниз, а их результирующая принимает максимальное значение F_max.

Рис.3.

При дальнейшем подъёме происходит отрыв пластинки (рамки) от жидкости. Для отрыва необходима приложить силу F, равную силе тяжести пластинки Р (рамки) и результирующей сил поверхностного натяжения F_max:

F^' = P + F_max.

откуда

F_max = F^' – P

Так как коэффициент поверхностного натяжения

σ = F_max / l , а l = 2(a+b),

то

σ = F^' – P / 2(a+b)

(5)

Порядок выполнения работы.

1. Изучите устройство торсионных весов и правила взвешивания на них.

2. Измерьте среднюю длину рамки, l(м)

l

Рис. 4

Таблица 1.

3. Определите силу отрыва пластинки от поверхности воды по показаниям торсионных весов. (Перед соприкосновением пластинки с жидкостью нужно тщательно промыть их спиртом). Во время работы ту часть кольца или пластинки, которая будет соприкасаться с водой, старайтесь не брать пальцами.

4. Рассчитайте значение силы отрыва по формуле

_,

где m – показание весов, переведенные в кг (10^-6), g=9,8 м/с² – ускорение свободного падения.

5. Определить среднее по трем измерениям значение .

6. Рассчитать значение коэффициента поверхностного натяжения по формуле

7. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

8. Постройте график коэффициента поверхностного натяжения от концентрации спирта в растворе .

9. Делаем вывод по работе.

Вопросы для самоконтроля.

1.Особенности строения жидкостей.

2. Объяснить, почему на поверхности жидкости имеется натяжение.

3.Как направлена сила поверхностного натяжения?

4.Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения.

5. Почему сила поверхностного натяжения имеет максимум в момент отрыва?

6. Вывести рабочую формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель.

7.Как зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости от температуры?

8.Как зависит коэффициент поверхностного натяжения раствора этилового спирта от концентрации?

9.Дать поясняющий рисунок и рабочую формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца (рамки).

10.Дать поясняющий рисунок и рабочую формулу для определения коэффицииента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва рамки.

11. Где и для каких целей в клинике используется метод отрыва капель''

Задачи для самостоятельного решения.

1. Какую силу нужно приложить к горизонтальному алюминиевому кольцу вьсотой h= 10 мм, внутренним диаметром d₁= 50 мм и внешним диаметром d₂=52 мм, чтобы оторвать его от поверхности воды? 2) Какую часть от найденной силы составляют силы поверхностного натяжения?

2. Из вертикальной трубки радиусом r= 1 мм вытекают капли воды. Найти радиус капли в момент отрыва. Каплю считать сферической. Диаметр шейка капли в момент считать равным внутреннему диаметру трубки.

3 . На сколько нагреется капля ртути, полученная от слияния двух капель радиусом 1 мм каждая?

4. Какую работу против сил поверхностного натяжения надо совершить, чтобы разбить сферическую каплю ртути радиусом 3 мм на две одинаковые капли?

5. Какую работу против сил поверхностного натяжения надо совершить, чтобы увеличить вдвое объем мыльного пузыря радиусом 1 см? Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора принять равны 43*10 Н/м.

Литература:

1. Ремизов А.Н. и др. Медицинская и биологическая физика. – М: ДРОФА,2004, § 7.6 – 7.8

2. Тищенко А.А. Краткий курс лекций по физике. –Орел: Картуш, 2008, лекция 4.

3. Федорова В.Н., Фаустов Е.В. Медицинская и биологическая физика. –М: ГЭОТАР-Медиа, 2009, § 8.1-8.8

4. Данное методическое пособие.

Приложение 1 Торсионные весы (устройство)

Торсионные весы (рис. 5а) предназначены для взвешивания тел, вес которых не превышает 500 мГс (миллиграмм силы). Основные технические характеристики: наибольшая допустимая нагрузка – 500 мГс, наименьшая нагрузка – 10 мГс, цена наименьшего деления шкалы – 1 мГс, абсолютная погрешность в любой части шкалы 0,5 мГс.

Рис.5

а) б)

Общий вид и конструкция весов изображены на рис. 5 а, б соответственно. В основе действия весов лежат упругие свойства спиральной пружины, угол закручивания которой пропорционален силе тяжести взвешиваемого тела, поэтому шкала прибора проградуирована в миллиграммах силы (1 кГс =9,8 Н).

Ось весов 5 вращается на двух конических опорах. На оси прибора одним концом закреплена моментная пружина 11, являющаяся измерительным элементом весов. Другим концом она прикреплена к указательной стрелке 3, которая, в свою очередь, связана с переводной ручкой 12, служащей для закручивания пружины 11. На оси также закреплено коромысло весов 4, на один конец которого шарнирно подвешен крючок с чашкой 7.

С другой стороны коромысла закреплена пластинка из мягкого железа, которая при движении коромысла двигается между полюсами магнита 1 и является успокоителем колебаний коромысла весов (демпфером). На коромысле также закреплена контрольная стрелка 10, конец которой выводится на лицевую часть панели прибора и указывает положение равновесия коромысла.

При перемещении указательной стрелки 3 (с помощью переводной ручки 12) конец ее скользит по шкале 2. Шкала прибора, указательная 3 и контрольная 10 стрелки закрыты стеклом. Через отверстие в стекле проходит ось, на наружной части которой укреплена переводная ручка 12.

Для установления коромысла весов в нулевое положение имеется тарировочная спиральная пружина 9, один конец которой закреплен на оси прибора, второй закреплен на держателе 6, жестко связанным с тарировочной рукояткой 8. Устройство передачи допускает поворот держателя на 90⁰ в двух направлениях.

Механизм весов смонтирован в металлическом корпусе, застекленном со стороны шкалы (рис.5а). Сбоку корпуса имеется отверстие для вывода конка коромысла 8 с крючком 9 и чашечкой 10, закрытых остекленным футляром 7. В нижней части корпуса расположена ручка арретира 3, удерживающего коромысло весов при хранении, переносе, нагрузке и разгрузке весов.

Корпус весов укреплен на стойке, имеющей в основании треножник с двумя установочными винтами 1 и сферическим уровнем 2.