ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9

ВИЗНАЧЕННЯ КООФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КІЛЬЦЯ.

Прилади:1. Терези Жоллі

2. Важки.

3. Штангенциркуль

4.Дослідна рідина

Теоретична частина

В природі існує три агрегатні стани речовини (твердий рідкий і газоподібний), кожний з яких характеризується трьома основними положеннями молекулярно-кінетичної теорії будови речовини: дискретністю, взаємодії і руху.

Це означає що кожна речовина складається з часток (молекул, атомів або іонів), які знаходяться в безперервній взаємодії, притягання і відштовхування. Ця взаємодія приводить до безперервного хаотичного руху.

Характер руху молекул для кожного аграрного стану різний. Молекули газу знаходяться в безперервному русі, частки твердих тіл – коливальному русі біля певних положень рівноваги.

Рідини за своїми властивостями займають проміжне положення між газами і твердими тілами і мають подібність як до одних, так і до інших. За теорією, розробленою членом-кориспондентом АН СРСР Я. Френкелем, рух в рідинах носить слідуючий характер: кожна молекула рідини протягом деякого часу (час так званої релаксації) виконує коливальні рухи навколо певного положення рівноваги. Час від часу змінює положення рівноваги, переміщуючись на відрізок величиною порядку розмірів самої молекули, тобто для рідин має місце і коливальний рух (як і для твердих тіл); і поступальний (як і для газів).

Таким чином, тверді, рідкі та газоподібні тіла мають неоднаковий характер молекулярного руху. Причина цього полягає в тому, що характер молекулярного руху визначається силами взаємодії між молекулами, а ці сили взаємодії залежать від молекулярних віддалей. В свою чергу міжмолекулярні віддалі різні для різних станів.

Поверхневі шари рідин (а також і твердих тіл) відрізняються своїми властивостями від внутрішніх шарів. Це зумовлено тим, що молекули поверхневих шарів перебувають в особливих умовах порівняно з молекулами серединної рідини.

Візьмемо, наприклад, рідину, що стискається з своєю парою, повітрям. Якщо молекула А (див. мал. 1) розташована всередині рідини, то сфера, всередині якої виявляється сила молекулярної дії (так звана сфера молекулярної дії), повністю знаходиться в рідині. Цілком імовірно, що кожній молекулі рідини m₁, що знаходиться в сфері дії молекули А і діє на цю молекулу з одного боку, знайдеться симетрична їй відносно А молекула m₂. Таким чином, сила взаємодії між молекулою А, що знаходиться всередині рідини, і всіма іншими в сфері взаємодії розподілені більш-менш симетрично в усіх напрямках і тому вони мало впливають на рух молекул всередині речовини.

Якщо молекула В, переміщуючись до межі, вийде на саму поверхню, то над нею не буде молекул, що залишились нижче (бо взаємодія між молекулами В і молекулами пари та повітря надто мала), рівнодійна цих сил буде направлена всередину рідин.

В такому стані неоднобічного притягання перебувають всі інші молекули, що знаходяться на поверхні рідини. Ці молекули, порівняно з молекулами внутрішніх шарів, перебувають в особливих енергетичних умовах.

Шар рідини, в якому молекули перебувають в особливих умовах порівняно з молекулами всередині рідини, ми називаємо поверхневим шаром. Його товщина порядку 10^{-7 сантиметрів.}

Такими характерними для рідин особливостями являються:

a) наявність певного об’єму і зв’язаної з ним вільної поверхні;

б) надзвичайно мала стисливість і помітна здатність до утворення краплин;

в) якщо для газу внутрішній тиск р = складає лише деяку поправку до зовнішнього тиску р, то в рідинах на перше місце виступає внутрішній тиск (він дорівнює тисячі і десятки тисяч атмосфер).

Оскільки сили, які діють на молекули рідини в її внутрішніх шарах, взаємно врівноважуються, то під час руху молекул у шарах, віддалених від поверхні, робота не виконується.

Проте, щоб вийти з середини у поверхневий шар, молекули повинні виконувати роботу, з боку поверхневого шару на них діятиме напрямлена всередину рідини сила, яка зростає в міру наближення до геометричної межі рідини.

З цього виходить, що молекули поверхневого шару мають деякий надмір потенціальної енергії порівняно з молекулами, що перебувають всередині рідини. Оскільки будь-яка система намагається перейти до стану, в якому її потенціальна енергія була б найменшою, то повинно існувати намагання до переходу як найбільшого числа молекул з поверхневого шару рідини в її середину.

Зменшення числа молекул, що знаходяться в поверхневому шарі, може відбутися лише завдяки зменшенню величини вільної поверхні рідини.

Отже, в будь-якій рідині відбувається прояв намагання скорочення вільної її поверхні до найменших можливих границь. Таке явище називається поверхневим натягом,а сили що при цьому виникають, поверхневими силами.

В поверхневому шарі рідини внаслідок молекулярних взаємодій з’являються деякого роду сили:

1. сила внутрішнього (або молекулярного) тиску, спрямованої нормально до поверхні рідини. Вони перешкоджають молекулам рідини віддалятися одна від одної, змушують їх триматись разом і створювати бульбашки. Вони ж зумовлюють малу стисливість рідини під зовнішнім тиском бо вона вже стиснута великим внутрішнім тиском.

2. сили поверхневого натягу, спрямовані вздовж поверхні рідини.

Силу F =αl, внаслідок дії якої відбувається скорочення поверхні, називають силою поверхневого натягу.

Коефіцієнт пропорційності α називають коефіцієнтом поверхневого натягу і визначають відношенням

(1)

Отже, коефіцієнт поверхневого натягу є величина, вимірювана силою поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини контура, який обмежує поверхню рідини.

Якщо чисельник і знаменник правої частини рівняння (1) помножимо на довжину S, то

,

де S поверхня рідини, а чисельник А рівний роботі по ізотермічному скороченню поверхні рідини і називається вільною енергією поверхні рідини

Тоді - коефіцієнт поверхневого натягу, рівний вільній енергії одиниці поверхні рідини. Вимірюється коефіцієнт поверхневого натягу в Н /м, дн/см, або Дж/м², ерг/см².

Завдання цієї роботи є знаходження коефіцієнта поверхневого натягу даної рідини (в нашій роботі води).

Існують різні методи вивчення коефіцієнта поверхневого натягу: 1) по висоті підняття рідини в капілярах 2) по відриву краплин даної рідини і т. д.

Ми використаємо метод відриву кільця, опис методу дається нижче (див. рис. 4)

Зануримо кільце К, підвішене до динамометра Д в досліджувану рідину.

Якщо матеріал кільця змочується даною рідиною, то щоб відірвати кільце від рідини потрібно прикласти до нього певну силу F, необхідну для розриву плівки, що прилипає до зовнішньої та внутрішньої поверхні кільця.

Якщо позначити зовнішній діаметр кільця літерою d₁, а внутрішній d₂, то загальна довжина l границі розриву плівки дорівнює:

l= d₁+ d₂ = (d_{1 +} d₂)

Сила F, що затримує кільце в рідині і яка прикладена вздовж границі розриву плівки довжиною l. Ця сила є в даній роботі силою поверхневого натягу. Вона визначається динамометром Д.

Отже коефіцієнт поверхневого натягу згідно формули (1)

(2)

Щоб вимірювати внутрішній діаметр кільця, можна виміряти товщину кільця h.

Тоді l = 2 (d₁ - h)

(3)

З урахуванням похибок: (4)