Материал: Шилов Лабораторный практикум курса обсчей физики Разделы 2012

Пренебрегая силой тяжести кольца mg (приложенной к центру масс кольца), для момента отрыва кольца можно получить следующее выражение коэффициента поверхностного натяжения:

Поверхностно-активные вещества. Уменьшение поверхност-

ной свободной энергии может происходить не только за счет сокращения площади поверхности жидкости, но и при добавлении другой жидкости с меньшим коэффициентом поверхностного натяжения. Молекулы добавленной жидкости стремятся расположиться в поверхностном слое. Объясняется это тем, что взаимодействие добавленных молекул с молекулами растворителя меньше сил взаимодействия между молекулами растворителя. Как следствие, выход на поверхность молекул поверхностно-активного вещества уменьшает коэффициент поверхностного натяжения раствора. К поверхностно-активным веществам по отношению к воде являются многие жиры, соли, спирты и эфиры.

Есть вещества (например, раствор сахара, некоторых солей), которые увеличивают коэффициент поверхностного натяжения растворителя. Они концентрируются в глубине раствора, выталкивая на поверхность поверхностно-активные вещества. Примером может служить добавление соли в мыльный раствор, что вызывает выталкивание на поверхность мыла, являющегося поверхностноактивным веществом. Коэффициент поверхностного натяжения мыльно-солевого раствора уменьшается.

Для таких растворов существует эмпирическое уравнение Шишковского:

где α0 – коэффициент поверхностного натяжения растворителя (воды); α – коэффициент поверхностного натяжения раствора; А и В – эмпирические константы, причем А мало меняется от вещества к веществу, В зависит от поверхностной активности вещества; с – концентрация раствора.

Если для некоторых растворов Вс >> 1, то выражение (2.11.6) можно упростить, оно примет вид

121

где K – коэффициент поверхностного натяжения, он уменьшается экспоненциально с увеличением концентрации: K = α0 – А lnB.

Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры. С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения вещества должен уменьшаться, при достижении критической температуры он равен нулю, так как исчезает разница плотности жидкости и ее пара, значит, исчезает поверхность, разделяющая обе фазы состояния. Приближенная зависимость коэффициента поверхностного натяжения дана уравнением, установленным физиком Р. Этвешем*:

2

α = B(Tк −T −τ) Mρ 3 , (2.11.8)

где В – постоянный коэффициент, практически он одинаков для всех жидкостей и равен 0,975·10-7 Дж/К моль2/3; Тк – критическая температура жидкости; ρ – плотность жидкости; М – молярная масса; τ – небольшая величина, имеющая размерность температуры. При температуре, близкой к критической, уравнение Шишковского не применимо, так как противоречит равенству α = 0 при критической температуре.

Из уравнения Этвеша следует:

что показывает большую зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости от температуры при большей ее плотности и меньшей ее массы. Это эмпирическое уравнение хорошо подтверждается практикой.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Специальная установка для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости показана на рис. 2.11.4.

Установка включает в себя: 1 – торсионный динамометр; 2 – ручку регулировки торсионного динамометра; 3 – рычаг торсионного динамометра; 4 – нить, к которой прикреплено кольцо; 5 – термометр; 6 –

* Роланд ЭТВЕШ (1848–1919 гг.) – венгерский физик, его имя присвоено Будапештскому университету.

122

нагреватель-мешалку; 7 – емкость (кристаллизатор) с исследуемой жидкостью (верхняя емкость); 8 – стеклянную трубку, погруженную в исследуемую жидкость; 9 – одноходовой кран, регулирующий вытекание исследуемой жидкости; 10 – емкость для стекания исследуемой жидкости(нижняяемкость); 11 – резиновыйшланг.

1

3

10

Рис. 2.11.4

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

Включают в себя все требования техники безопасности, с которыми студент ознакомлен на вводной беседе. Дополнительное требование: осторожное обращение с подогретыми жидкостями.

123

ЗАДАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Исследование температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости

1.Перед началом эксперимента проверьте заполнение жидкостью шланга 11 и одноходового крана 9. Кран должен быть закрыт и помещен в нижнюю емкость.

2.Налейте исследуемую жидкость в верхнюю емкость (1000 мл) и поставьтенамешалку-нагреватель. Рекомендуемиспользоватьворонку.

3.Если шланг и одноходовой кран не заполнены жидкостью, проделайте следующие операции:

•нажмите на грушу насоса;

•подсоедините насос к свободному концу крана;

•откройте одноходовой кран;

•медленно нажимайте на указатель ↓, находящийся на насосе, до тех пор, пока исследуемая жидкость не заполнит резиновый шланг и одноходовой кран;

•закройте одноходовой кран;

•отсоедините насос.

4.Прикрепите кольцо на шелковой нити к рычагу динамометра, пропустив петлю нити в прорезь рычага. Кольцо должно быть погружено в жидкость на глубину 1,0–1,5 см от поверхности жидкости.

5.Плавно и без усилий вращая ручку 2 регулировки динамометра (см. рис. 2.11.4), установите стрелку на отметке «0». Установите рычаг торсионного динамометра в пределах белого сектора между черными метками 3 (см. рис. 2.11.4), осторожно вращая черную ручку на задней панели динамометра.

6.Зафиксируйте температуру по термометру, погруженному в жидкость, и занесите данные в табл. 2.11.1.

7.Откройте одноходовой кран. Жидкость начнет вытекать в нижнюю емкость, уровень жидкости в верхней емкости начнет плавно понижаться. В процессе вытекания жидкости нарушается равновесие сил и необходимо удерживать рычаг торсионного динамометра в пределах белого сектора между черными метками 3, вращая ручку 2 (см. рис. 2.11.4). В момент отрыва кольца от поверхности жидкости показания динамометра численно равны силе

отрыва кольца. После этого сразу закройте одноходовой кран. Данные занесите в табл. 2.11.1.

124

8.Вылейте жидкость из нижней емкости в верхнюю. Удобно использовать воронку. Ручкой 2 регулировки динамометра выставить стрелку на отметку «0».

9.Для заданной температуры повторите измерения 5 раз, выполняя все действия, описанные в пп. 1–8.

Примечание. Не забывайте после каждого определения силы отрыва кольца переливать жидкость в верхнюю емкость и выставлять «0».

10. Поместите магнит в исследуемую жидкость, включите на- греватель-мешалку. Если исследуемая жидкость – вода, то рекомендуемая скорость (set speed ) не более 750 об./мин, ручка регулировки температуры (heater) – в положении не более 100 °С.

11.Измерения для воды рекомендуем проводить в интервале 15–80 °С с одинаковыми интервалами в 10 °С. После окончания измерений одноходовой кран закрыть.

Будьте осторожны при проведении измерений с горячей водой.

12.Рассчитайте коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости при различных температурах по формуле (2.11.5). Вычислите абсолютную погрешность коэффициента поверхностного натяжения α по относительной погрешности силы отрыва кольца < >, пренебрегая погрешностью измерения диаметра кольца. Данные занести в табл. 2.11.1.

13.Постройте график зависимости коэффициента поверхностного натяжения α от температуры t, используя метод парных точек.

Напоминаем, что в данном методе в пару берутся экспериментальные точки с одинаковой разностью температур (эквидистантные точки) и эта разность должна быть не менее половины всего

125