Лабораторные работы по физике: Молекулярная физика - файл ??_17.doc

Лабораторные работы по физике: Молекулярная физика
скачать (6124.9 kb.)
Доступные файлы (3):
??_17.doc8369kb.24.09.2005 12:42скачать
Mo-14.doc1603kb.24.11.2005 12:56скачать
Mo-18.doc310kb.12.12.2006 15:30скачать

??_17.doc

Лабораторная работа М17
Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры методом Ребиндера
Цель работы: определение коэффициента поверхностного натяжения воды при различных температурах.

Приборы и принадлежности: установка для определения коэффициента поверхностного натяжения воды в зависимости от температуры.

Описание установки:



рис. 1




  1. манометр;

  2. аспиратор;

  3. нагревательный элемент;

  4. сосуд с исследуемой жидкостью с боковым отростком и пробиркой;

  5. трубка с зауженным концом;

  6. термометр;

  7. отросток;

  8. штатив;

  9. стаканы № 1;

  10. стаканы № 2;

  11. 3-х конечные переходники.


Прибор состоит из наполненного водой аспиратора 2, соединенного с помощью трехконечных переходников 11 с манометром 1 и верхним воздушным пространством плотно закрытого сосуда 4, содержащего некоторое количество исследуемой жидкости. Через отверстие в пробке в этот сосуд вводится так называемый “кончик” 5, представляющий собой стеклянную трубку, нижний конец которой вытянут так, что выход канала весьма узок. Этот “кончик” помещается на уровне испытуемой жидкости так, чтобы он соприкасался с её поверхностью. Сосуд 4 помещается, для поддержания или изменения температуры, в стакан, наполненный водой 9, который может нагреваться. Свободный отросток переходника 11, способный закрываться, соединяет всю эту систему с атмосферой.
Основные понятия и соотношения.

П
оверхностное натяжение на границе жидкость
газ. Силы взаимодействия между молекулами в молекулярных системах очень быстро уменьшаются с увеличением расстояния между ними. Поэтому, начиная с некоторого расстояния r* силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние называется радиусом молекулярного действия, а сфера радиуса r* - сферой молекулярного действия. Радиус молекулярного действия порядка нескольких диаметров d молекулы (r*~(3 - 4)d).

Р


рис. 2


рис. 3


рис. 4

ассмотрим действие молекулярных сил на молекулы, находящиеся внутри жидкости и на ее поверхности (рис. 2). Равнодействующая всех сил притяжения, действующих со стороны молекул выделенной сферы молекулярного действия на центральную молекулу A, которая находится внутри жидкости, как видно из рисунка, равна нулю (в силу симметрии и однородности жидкости). Иначе обстоит дело с молекулой B, находящейся на поверхности жидкости с резкой границей раздела фаз между однородными жидкостью и газом. Так как плотность молекул над поверхностью жидкости, т.е. в газовой фазе, во много раз меньше их плотности в жидкости, на каждую молекулу, находящуюся на поверхности, будет действовать результирующая сила Fр, направленная внутрь жидкости. Действие молекулярных сил притяжения на молекулы, находящиеся в поверхностном слое толщиной порядка нескольких радиусов молекулярного действия, схематично изображено на рис. 3. Кроме того, на каждую молекулу слоя со стороны соседних молекул действуют силы отталкивания, которые в состоянии термодинамического равновесия не позволяют им перемещаться внутрь жидкости. В результате формируется равновесный переходный слой между жидкостью и газом. Этот тонкий слой находится в таком состоянии, что поверхность жидкости стремится сократиться. В этом отношении ее можно сопоставить с тонкой резиновой пленкой, натянутой изотропно по всем направлениям в плоскости поверхности раздела фаз. Силы, действующие по касательной к поверхности жидкости, называются силами поверхностного натяжения. Наличие поверхностного натяжения можно продемонстрировать с помощью мыльных пленок. Если из мыльного раствора достать проволочную рамку, на ней образуется мыльная пленка (рис. 4). Если проволочная сторона MN рамки может скользить без трения вдоль проволок АС и BD, силы поверхностного натяжения увлекают ее по направлению к стороне АВ, а площадь S пленки сокращается. Для того чтобы квазистатически увеличить площадь мыльной пленки, необходимо к проволоке MN приложить силу, равную 2F (мыльная пленка имеет две границы с воздухом). При смещении проволоки на dx эта сила совершает работу = 2Fdx, а площадь мыльной пленки увеличивается на dS = ldx.

Э
(1)

та работа в изотермических условиях расходуется на увеличение свободной энергии (энергии Гельмгольца), относящейся к поверхностному слою на границе между мыльной пленкой и воздухом. Учитывая наличие двух границ раздела, записываем ( — избыточная энергия поверхности раздела фаз):

В
еличина называется коэффициентом поверхностного натяжения на границе жидкость - газ (пар или воздух). Из формулы (1) следуют энергетическое и силовое определения для :


(2)



Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен избыточной свободной энергии, приходящейся на единицу площади поверхности жидкости ( =d/dS). С другой стороны, можно также сказать, что коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, приложенной к единице длины контура на поверхности жидкости ( = F/l = dF/dl). Следовательно, [ ] = 1 Дж/м2 = 1 Н/м.

Избыточная энергия поверхностного слоя обусловлена тем, что частицы, находящиеся в этом слое, обладают большей потенциальной энергией, чем частицы внутри жидкости. Действительно, молекула, находящаяся в поверхностном слое, взаимодействует в среднем с меньшим количеством соседей, чем молекула внутри жидкости (см. рис. 2). Так как потенциальная энергия сил притяжения является величиной отрицательной, то молекулы в поверхностном слое обладают избытком энергии по отношению к молекулам, находящимся внутри жидкости.

Повышение температуры жидкости или растворение в ней поверхностно-активных веществ приводит к уменьшению энергии поверхностного слоя жидкости, что способствует снижению коэффициента поверхностного натяжения . При комнатной температуре у большинства жидкостей на границе раздела жидкость - газ коэффициент поверхностного натяжения ж,г  0,01-0,05 Н/м.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от свойств другой фазы, с которой соприкасается жидкость или газ. Поэтому различают поверхностное натяжение ж,г (жидкость — газ), ж,т (жидкость—твердое тело), г,т (газ — твердое тело) и т.д.
Задания для самостоятельной работы.

1. Открыть отросток соединительной трубки 11, устанавливая этим внутри прибора атмосферное давление Ра. Уровни жидкости в коленах манометра 1 выравниваются.

2. Закрыть отросток 7, открыть кран аспиратора 2 так, чтобы можно было легко отсчитать высоты уровней в манометре 1 в момент отрыва пузырька воздуха в сосуде 4.

3. Когда частота образования пузырьков установится, определить разность высот жидкости в коленах манометра (h). Отсчет производить не менее чем для десяти пузырьков. Одновременно измерять температуру термометром 6 в стакане 9.

4. Подставив в формулу (3) (см. приложение 1), полученное h и взятое из таблиц значения 0 для комнатной температуры, найти А.

5. Нагревая воду в стакане 9, в который погружен сосуд 4, до 303 К, произвести отсчет h через заданные преподавателем Т.

6. По формуле (3) найти для воды при заданных температурах Тi. Результаты занести в таблицу.

7. Определить относительную погрешность при Т=303 К.

8. Построить график зависимости =f(Т).
Приложение 1. Методика измерений.

Если, закрыв отросток, слегка приоткрыть кран аспиратора, то вода начинает медленно вытекать из него. При этом в верхней части аспиратора, а так же в соединенной с ней верхней части сосуда и в левом колене манометра 1 образуется разряженное пространство. При некотором определенном разряжении избыток атмосферного давления притягивает через “кончик” в сосуд пузырек воздуха. Это происходит тогда, когда разность атмосферного давления и давления в сосуде, измеряемое разностью высот уровней жидкости в коленах манометра h, уравновешивает давление, вызываемое поверхностным натяжением испытуемой жидкости, стремящийся сжать образующийся пузырек. В момент отрыва пузырька, между и h, существует соотношение:

=АH, (3)

где А – коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров “кончика”, т.е. величина постоянная для данного прибора.

Для определения А необходима произвести опыт с какой либо жидкостью (водой), поверхностное натяжение которой хорошо известно. Тогда, подставив соответствующие значения и в (2) будем иметь: =А. Определив таким образом А из последнего соотношения, можно найти по формуле (2) при различных Т.
Приложение 2 Термодинамика поверхностного натяжения.

Для увеличения поверхности пленки на dF над ней надо произвести работу . Сама пленка при этом совершает работу . По первому началу термодинамики или

Введя энтропию S (dS=dQ/T), перепишем это равенство в виде .

Свободная энергия равна , а поэтому.

Отсюда , и следовательно,

Подставим сюда . Поверхностное натяжение зависит от температуры пленки, но не зависит от ее площади. Поэтому после подстановки получим

Если пленка расширяется изотермически, то ей надо сообщить тепло .

Тепло, сообщенное единице поверхности пленки при изотермическом расширении, равно .

Оно положительно, потому что, как показывает опыт, величина уменьшается с повышением температуры. Величина q называется теплотой образования единицы поверхности пленки.
Вопросы к лабораторной работе.

  1. Чем отличаются состояния молекул на поверхности и внутри жидкости?

  2. Каковы особенности поверхностного слоя жидкости? Какова толщина этого слоя?

  3. Почему свободная поверхность жидкости сокращается? Как изменяется поверхностная энергия при сокращении площади поверхности?

  4. Как объяснить возникновение сил поверхностного натяжения? Как направлена сила поверхностного натяжения?

  5. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения? Чем отличаются силы поверхностного натяжения от сил упругости?

  6. Почему искривляется свободная поверхность жидкости у стенок сосуда? Какую форму она имеет в капилляре?

  7. Почему возникает избыточное давление внутри сферической капли?

  8. От чего зависит высота подъема жидкости в капиллярах?

  9. Почему у всех веществ поверхностное натяжение уменьшается с температурой?

  10. Что представляют собой поверхностно-активные вещества?

  11. При каком условии жидкость смачивает твердое тело? (не смачивает?)


Задачи к лабораторной работе.

  1. Для определения коэффициента поверхностного натяжения воды использован метод отрыва капель. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды, если масса 200 капель воды равна 9,2 г, а диаметр шейки капли во время отрыва равен 2 мм. (=0,072 Н/м)

  2. Определить коэффициента поверхностного натяжения бензина, если в трубке радиусом 0,2 мм высота его поднятия - 3 см. Плотность бензина 0,7 г/см3.



Литература

  1. Савельев И.В. Курс общей физики. т.1. - М.: Наука. - 1987. - С. 372-389.

  2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. т.2. – М.:Наука. – 1979. – С. 421.

  3. Наркевич И.И. и др. Физика. Мн.: Новое издание. – 2004. – С. 252-253.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации