Как найти ошибку измерения поверхностного натяжения

Лабораторная
работа № 3

ИЗМЕРЕНИЕ
ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Цель
работы

Изучить
поверхностное натяжение воды и научиться измерять её коэффициент поверхностного
натяжения.

Оборудование

Самодельный
сталагмометр, стакан химический тонкостенный, сосуд с дистиллированной водой, штангенциркуль,
весы с разновесом, термометр для измерения температуры воздуха в кабинете,
таблица с поправочными коэффициентами.

Теоретическая
часть

Одним
из наиболее распространенных методов определения поверхностного натяжения
жидкостей явля­ется метод взвешивания капель. Сущность его заключается в
измерении объема и массы капель, медленно отры­вающихся с кончика вертикальной
трубки. Прибор, служащий для измерения поверхностного натяжения по мас­се образующихся
капель, называется сталагмометр. Первоначально
считалось, что вес капли уравновешивается поверхностным натяжением жидкости,
действующим вертикально по окружность трубки, то есть:

,

откуда

                                                                          (
1 )

где
m₀ — масса
одной капли жидкости, r — внешний
радиус капилляра. В таком варианте этот метод давал заниженные значения коэффициента
поверхностного натяжения σ по сравнению со значениями, определяемыми другими
методами. Разобраться с причинами расхож­дения помогла видеосъемка процесса
отрыва капли (смотри три фазы образования капли на рисунке 1). В момент отрыва
(фаза 3) капля разделяется на три части: крупная капля, весьма малая капля и
оставшаяся у капилляра жидкость. Вес малой капли подсчитывался вместе с массой
большой, а масса оставшейся жидкости не учитывалась.

                                                   
1                                   2                                     3

Рис.
1:  отрыв капли жидкости от капилляра сталагмометра

Поэтому
фактический вес капли оказывался обычно на 40% меньше величины 2πr, что и
объясняет получение заниженных значений σ по формуле ( 1 ). На основе опытов с
капиллярами различных радиусов были вычислены поправочные коэффициенты для
получения по фактическому весу капли правильные значения поверхностного
натяжения σ. Для различных соотношений между объёмом капли V₀ и внешним
радиусом капилляра r, поправка
F будет
различной. С учётом поправки F формула для
нахождения σ приобретает вид:

,                                                                 
( 2 )

где
F —
соответствующая поправка (поправочный коэффициент), которая приведена в таблице
1 поправок в зависимости от соотношения объёма капли к кубу внешнего
радиуса капилляра сталагмометра.

Таблица 1 
Поправочные коэффициенты

Величину
внешнего радиуса r капилляра
сталагмометра определяют до опыта, пользуясь штангенциркулем, и по­мечают его
на установке прибора. Вычислив массу m нескольких капель
с помощью весов, путём деления массы на число капель находят массу одной капли m₀. Объем капли
можно найти путём деления массы одной капли на плотность жидкости. Зная объем
капли V₀ и внешний
радиус капилляра r, по отно­шению
V₀/r³ из таблицы 1 находят
значение поправочного коэффициента F. Затем,
пользуясь выражением ( 2 ), определяют по­верхностного натяжения испытуемой
жидкости.

Порядок
выполнения работы

1.     
Измерьте
температуру t воздуха
в кабинете. Запишите в таблицу 2 значение плотности ρ дистиллированной
воды, соответствующее данной температуре (см. таблицу 3).

2.     
Используя
штангенциркуль, измерьте внешний диаметр D капилляра
(наконечника) сталагмометра и рассчи­тайте его радиус r.

3.     
На
весах взвесьте пустой химический тонкостенный стакан, предназначенный для сбора
капель, и установите его под отверстие наконечника сталагмометра.

4.     
Заполните
сталагмометр дистиллированной водой до некоторого деления и закройте верхнее
отверстие паль­цем.

5.     
Отпустите
палец и подсчитайте число капель N, попавших
в стакан. Если капли по какой-либо причине не стали капать надавите сверху
пальцам открытое отверстие сталагмометра.

6.     
Взвесьте
стакан с водой. Вычитая из массы стакана с водой массу пустого стакана,
определите массу воды т. Результат
измерений массы т занесите в таблицу
2.

7.     
Зная
массу т и число капель N, вычислите
массу т₀ одной
капли.

8.     
Используя
значение плотности ρ при данной температуре, рассчитайте объём V₀ одной
капли жидкости. Результа­ты вычислений занесите в таблицу 4.

9.     
Рассчитав
по полученным значениям объема V₀ и
внешнего радиуса r капилляра
отношение V₀/r³ , из таблицы
1 найдите соответствующее значение поправочного коэффициента F.

Таблица 2  Результаты
измерений

t,  °С	ρ,	D,  м	N,  шт	m,  кг	V ,  м3

Расчёты

Подставляя
значения m₀, F, r и g в
выражение ( 2 ), определите коэффициент поверхностного натяжения ис­пытуемой
жидкости, численное значение которого выражают в Н/м. При выполнении работы
значение ускорения свободного падения примите g = 9,810 м/с².
Значение плотности ρ дистиллированной воды при различной температуре t и
нормальном атмосферном давлении приведены в таблице 3:

Таблица 3
  Плотность дистиллированной воды при различной температуре

Таблица 4
 Результаты вычислений

r,  м	m0,  кг	V0 ,  м3		F	σ ,

Погрешности 
измерений

Если
при выполнении лабораторной работы используются штангенциркули с ценой деления
0,1 мм или 0,05 мм, то абсолютная инструментальная погрешность составляет 0,1
мм и 0,05 мм в соответствии с ценой деления нониуса. Абсолютная инструментальна
погрешность лабораторных весов составляет 10 мг. Относительная погрешность измерения
коэффициента поверхностного натяжения σ вычисляется следующим образом:

.

Абсолютная
погрешность:

.

Таблица 5
  Расчёт погрешности измерения поверхностного натяжения

ΔDИ,  м	ΔDО,  м	ΔD,  м	ΔmИ,  кг	ΔmО,  кг	Δm,  кг	,  %	Δσ,

Результаты
и выводы

Запишите
окончательные результаты измерения коэффициента поверхностного натяжения воды в
интервальном виде:

 ,       … %

Сравните полученное
и табличное значения (см. таблицу 6) коэффициента поверхностного
натяжения воды.

Сделайте выводы.

Контрольные
вопросы

1.       
Каковы
особенности поверхностного слоя жидкости?

2.       
Каков
физический смысл поверхностного натяжения?

3.       
Как
определяют поверхностное натяжение жидкости?

4.       
Почему
поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

5.       
Почему
площадь свободной поверхности жидкости минимальная?

6.       
От
чего зависит поверхностное натяжение жидкости?

7.       
Почему
поверхностное натяжение жидкости меняется с изменением температуры?

8.       
От
чего зависит высота подъёма (опускания) жидкости в капиллярах?

Суперзадание

Используя
стеклянную капиллярную трубку с известным внутренним диаметром, определите коэффициент
поверхностного натяжения дистиллированной воды по высоте подъёма жидкости.

Таблица 6
 Значения поверхностного натяжения дистиллированной воды на границе с воздухом при
различной температуре

Зависимость поверхностного натяжения жидкости и его динамики от материала кольца и рода вещества. Метод кольца

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

В 10 классе меня заинтересовало такое явление как поверхностное натяжение жидкости. Я решила узнать подробнее об этом явление и входе работы узнала, что для определения поверхностного натяжения жидкости существуют такие методы как: взвешивание капли, отрыва капель, отрыва петли и отрыва кольца.

Поэтому, в своей прошлой работе я решила узнать, какой метод наиболее точен. По данным таблицы я могла утверждать, что наиболее точным методом, по полученной ошибке, является метод отрыва кольца, проводимый на базе Университета ‘Дубна’.

Природа сил поверхностного натяжения.

Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, например, с ее собственным паром, с другой жидкостью или с твердым телом (в частности со стенками сосуда, в котором она содержится), находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости.

Молекула в глубине жидкости испытывает притяжение со стороны окружающих ее молекул, которые находятся внутри некоторой сферы с центром в данной молекуле, называемой сферой молекулярного действия. Радиус такой сферы равен нескольким эффективным диаметрам молекулы (Рис. 1). Равнодействующая сил притяжения равна нулю. Молекулы в пограничном слое окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон. В сферу молекулярного действия попадают и молекулы среды, с которой жидкость граничит. Поэтому равнодействующая сила, действующая на молекулу в пограничном слое, направлена либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды. В случае, когда жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т.е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что вдали от критической температуры плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре, поэтому сила притяжения, испытываемая молекулами поверхностного слоя со стороны молекул жидкости много больше, чем со стороны молекул пара.

Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой сопровождается совершением над молекулой действующими на нес в поверхностном слое силами отрицательной работы. В результате кинетическая энергия молекулы уменьшается, а потенциальная увеличивается. Поверхностный слой в целом обладает дополнительной энергией, которая входит составной частью во внутреннюю энергию жидкости. Поскольку энергия Us поверхностного слоя должна быть пропорциональна площади поверхности. то изменение площади поверхности dS повлечет за собой изменение потенциальной энергии

Коэффициент α является основной величиной, характеризующей свойства жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (α > 0).

Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения представляет собой дополнительную потенциальную энергию, которой обладает единица площади поверхностного слоя.

Р ис. 1.

Силы, действующие на молекулу в глубине жидкости и на поверхности, на границе с собственным паром. На молекулу в поверхностном слое действует сила, направленная вглубь жидкости.

Поскольку система в положении равновесия занимает состояние, при котором се потенциальная энергия минимальна, то жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности. Поэтому должны существовать силы, стремящиеся сократить поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Они направлены вдоль поверхности жидкости по касательной к ней. Тогда коэффициент поверхностного натяжения α можно определить, как силу, действующую на единицу длины контура поверхности.

Ранее было сказано, что молекула в поверхностном слое взаимодействует не только с молекулами самой жидкости, но и с молекулами среде, с которой жидкость граничит. Поэтому понятие коэффициента поверхностного натяжения, которое введено выше, относится к случаю, когда жидкость граничит со своим собственным паром.

Коэффициент поверхностного натяжения σ зависит от:

1. Природы жидкости (у «летучих» жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у «нелетучих» – воды, ртути и жидких металлов).

2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

3. Наличие поверхностно активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например, мыла или стирального порошка.

4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Отметим, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади поверхности, так как для одной отдельно взятой приповерхностной молекулы абсолютно неважно, сколько таких же молекул вокруг. Обратите внимание на таблицу, в которой приведены коэффициенты поверхностного натяжения различных веществ, при температуре  : 

Жидкость
Вода	73
Бензин	21
Мыльный раствор	40
Молоко	46
Нефть	30
Ртуть	472
Спирт	22
Эфир этиловый	17

Зависимость от температуры.

С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается и равна нулю при критической температуре. Наиболее известная эмпирическая зависимость поверхностного натяжения от температуры была предложена ЛорандомЭтвёшом. В настоящее время получен вывод теоретической зависимости поверхностного натяжения от температуры в области до критических температур.

П оверхностное натяжение зависит от температуры. Для мн. Однокомпонентных неассоциированных  жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критичной температуры хорошо выполняется линейная зависимость:

где σ и σ₀-поверхностное натяжение при температурах T и T₀ соответственно, α ≈ 0,1 мН/(м·К)-температурный коэффициент поверхностного натяжения. Основной способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ). Хорошо известно, что снижение поверхностного натяжения достигается введением в жидкость ПАВ, уменьшающих ее свободную поверхностную энергию (мыло, жирные кислоты). Это обусловлено тем, что силы взаимодействия между молекулами примеси и растворителя обычно не равны силам взаимодействия между молекулами чистого растворителя. Если первые из упомянутых сил меньше, чем вторые, то такие вещества называются поверхностно-активными. Так как молекулы примеси притягиваются молекулами растворителя слабее, чем молекулы самого растворителя, то молекулы растворителя из поверхностного слоя втягиваются внутрь жидкости. В результате этого в поверхностном слое увеличивается концентрация молекул примеси, вследствие чего и уменьшается поверхностное натяжение. Поверхностный слой оказывается обедненным молекулами растворителя и обогащенным молекулами примеси. Это явление носит название адсорбции. Им объясняется устойчивость жидких пленок, пены и т.д. Адсорбция является процессом, который сопровождается понижением свободной энергии поверхностного слоя жидкости. Поэтому в эксперименте, было решено проверить на сколько изменится коэффициент поверхностного натяжения чистой воды при комнатной температуре и раствор мыла в воде при тех же условиях.

Условия на границе жидкости и твердого тела.

При соприкосновении жидкости и твердого тела, поверхностная энергия жидкости и форма, которую принимает поверхность, определяется соотношением трех действующих на жидкость тел: силы тяжести, сил взаимодействия молекул жидкости друг с другом, сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела и пара, с которыми жидкость граничит. Характеристикой трех последних из перечисленных сил служит краевой угол θ, т.е. угол, отсчитываемый внутри жидкости и образованный касательными к поверхности жидкости и к поверхности твердого тела (Рис. 2). Если краевой угол 0 ≤ θ < π/2, то говорят, что жидкость частично смачивает поверхность твердого тела. При θ = 0 имеет место полное смачивание. Если краевой угол π/2 ≤ θ ≤ π, то говорят о частичном несмачивании поверхности твердого тела жидкостью. При θ = π имеет место полное несмачивание.

Р ис. 2. К определению краевого угла: а) частичное смачивание поверхности твердого тела жидкостью, б) частичное несмачивание поверхности твердого тела жидкостью.

При выполнении работы в прошлом году я увидела, что значения поверхностного натяжения для некоторых веществ отсутствуют. Так же, отсутствуют и значения поверхностного натяжения, если используют кольцо из разных материалов. Поэтому, в этом году я решила проверить, как изменится поверхностное натяжение и динамика действий его сил в различных жидкостях, а также, если материал, из которого сделано кольцо, тоже будет изменяться.

Метод отрыва кольца.

Классический метод для измерения поверхностного и межфазного натяжения. Результаты почти не зависят от смачивающих характеристик поверхности. В методе измеряется величина максимального усилия, прикладываемого при отрыве кольца.

Между нижним краем кольца (1) и опускающейся поверхностью воды (3) образуется упругая водяная пленка. При дальнейшем опускании уровня воды пленка несколько растягивается и оттягивает вниз смоченный водой край кольца, а вместе с тем растягивает и упругую пружину динамометра (2), на которой висит кольцо. Стрелками на рисунке (Рис.3) указано направление сил поверхностного натяжения жидкости на границе с кольцом.

Р ис.3.

Однако, в моей работе вместо динамометра используются датчики, которые передают в программу на компьютере все колыхания, которые они чувствуют. Как при погружении кольца в жидкость, так и при его выведении.

Основные формулы для расчета поверхностного натяжения и ошибки:

Вещества, взятые для проведения работы и их свойства. Поверхностно активные вещества.

Вещества, взятые для проведения работы их свойства:

Вода — из всех жидкостей, кроме ртути, имеет самое большое поверхностное натяжение.

Мёд –  представляет собой густую, прозрачную, полужидкую массу, которая с течением времени постепенно начинает кристаллизоваться и затвердевать. Если набрать ложкой мед и повертеть ею, то несозревший мед стекает с нее. Созревший же мед наматывается на ложку складками, как лента, а стекает с неё не разрывающимися нитями. 

Растительное масло — обладает вязкостью, которая сильно уменьшается при повышении температуры и возрастает при понижении, преломляют свет. 

Машинное масло – вязкость повышается вместе с повышением давления.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — вызывает снижение поверхностного натяжения веществ.

Поверхностно-активные вещества – это химические соединения, способные накапливаться на поверхности соприкосновения двух тел или двух термодинамических фаз (называемых поверхностью раздела фаз), и вызывающие снижение поверхностного натяжения веществ, образующих эти фазы.

Способы очищения кольца от веществ, задействованных в ходе работы.

С очищением от воды не возникает сложностей, ведь кольцо можно протереть обычной сухой салфеткой.

С очищением от меда тоже проблем не очень много. Достаточно промыть горячей водой, ведь при большой температуре остатки меда растают, и его можно будет смыть.

Очистить вещь от растительного масла поможет обычное средство для мытья посуды, ведь оно отлично расщепляет жир.

От машинного масла можно очиститься: хозяйственным мылом, жидким мылом, средством для мытья посуды, содой, мелкой солью. Все зависит от того, что вы хотите очистить от машинного масла и от степени загрязнения им. Так же в можно купить средства-растворители масляных клякс.

Так как ПАВ входят в состав: моющих средств для посуды, шампуни, гели для душа и т.п., его можно смыть обычной водой.

Ход работы:

В течении работы следить за температурой.

Вращая винт, опустить платформу.

Наполнить чашку Петри, примерно, наполовину веществом.

Установить чашку на платформу.

Подвесить кольцо на крючок.

Медленно вращая винт, поднять платформу так, чтобы кольцо касалось поверхности жидкости.

Запустить компьютерную программу трансляции данных и установить значения параметров.

Очень медленно поднимать платформу, вращая винт, пока кольцо не погрузится полностью в вещество.

Очень медленно опускать платформу, вращая винт, пока кольцо не оторвется от поверхности вещества. Повторила измерения 5 раз. Закончила измерения в программе.

На экране компьютера получить кривую зависимости силы, действующей на кольцо, от времени.

Найти среднее значение силы отрыва. Измерить внутренний диаметр и толщину кольца. Вычислить среднее значение диаметра кольца.

Найти коэффициент поверхностного натяжения и погрешность измерения.

Обработка результатов измерений. Определение коэффициента поверхностного натяжения

Кривая зависимости силы, действующей на кольцо, позволяет найти разницу между весом кольца (точка А на рис. 4) и силой, действующей на кольцо в момент отрыва (точка В на Рис.4). По мере вытаскивания кольца из жидкости на него начинает действовать сила поверхностного натяжения, кроме того, вместе с кольцом поднимается и пленка жидкости, ее вес несколько увеличивает вес кольца, поэтому на участке АВ сила растет. В точке В сила резко уменьшается, что соответствует отрыву пленки жидкости. В точке С сила достигает значения равного весу кольца, но, поскольку кольцо совершает короткое колебание в пределах одного периода, то и сила испытывает осцилляции (участок CDEF на Рис.4). Из-за случайных толчков установки пленка жидкости отрывается от кольца не сразу по всему периметру, а постепенно, хотя и достаточно быстро. Поэтому при многократном повторении опыта значения силы в момент отрыва кольца несколько различаются.

Рис.4

Вода. Кольцо из стали. (Рис.5)

Вода. Кольцо из латуни. (Рис.6)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,009 и 0,008Н, для кольца из латуни 0,012 и 0,01 Н. Также видим, что одно колебание жидкости для латуни имеет одинаковые амплитуды и вверх, и вниз и амплитуда составляет 0,003 Н, для стали вверх амплитуды колебания почти нет, но вниз под действием кольца опускается на 0,006Н. Из-за того, что измерение силы поверхностного натяжения начинаются с разных отрицательных значений, на первый взгляд может показаться довольно сложным определить, в опыте с каким из двух колец сила натяжения больше. Однако, при расчетах видно, что сила поверхностного натяжения намного больше при опыте со стальным кольцом, чем с кольцом из латуни. Верхние пики графика обозначают момент отрыва водной пленки от кольца при его поднятии. Нижние же пики обозначают соприкосновение кольца с водной поверхностью при его погружении.

Вода с ПАВ. Кольцо из стали. (Рис.7)

Вода с ПАВ. Кольцо из латуни. (Рис.8)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,005 и 0,004 Н, для кольца из латуни 0,009 и 0,008 Н, т.е ПАВ примерно на одинаковую величину уменьшили вес и соответственно уменьшили значение поверхностного натяжения. Также видим, что одно колебание жидкости для стали имеет вверх амплитуду равной 0,003 Н, а вниз амплитуда составляет 0,002Н, для латуни имеет вверх амплитуду равной от 0,003 до 0,004 Н, а вниз под действием кольца опускается от 0,001 до 0,002 Н. Таким образом амплитуда колебания жидкости воды с ПАВ по сравнению с водой тоже уменьшилась. При расчетах поверхностного натяжения воды с ПАВ видно, что сила поверхностного натяжения больше при опыте со латунным кольцом, чем с кольцом из стали. Верхние пики графика обозначают момент разрыва мыльной пленки при поднятии кольца. Большее количество пиков объясняется тем, что остатки мыльного раствора, которые находятся в кольце в виде мыльной пленки, соприкасаются с поверхностью раствора при его погружении.

Растительное масло. Кольцо из стали. (Рис.9)

Растительное масло. Кольцо из латуни. (Рис.10)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,004 и 0,005 Н, для кольца из латуни 0,005 и 0,004 Н. Также видим, что одно колебание жидкости для стали имеет вверх амплитуду равной 0,003 Н, а вниз амплитуда составляет 0,001 Н, для латуни имеет вверх амплитуду равной 0,002 Н, а вниз под действием кольца опускается на 0,002 Н. Итак, при расчетах видно, что сила поверхностного натяжения примерно одинакова при опыте со стальным кольцом и с кольцом из латуни для растительного масла.

М ашинное масло. Кольцо из стали. (Рис.11)

Машинное масло. Кольцо из латуни. (Рис.12)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,009 и 0,008 Н, для кольца из латуни 0,005 и 0,004 Н. Также видим, что одно колебание жидкости для стали имеет вверх амплитуду равной 0,004 Н, а вниз амплитуда составляет 0,002 Н, для латуни имеет вверх амплитуду равной 0,004 Н, а вниз под действием кольца опускается на 0,001 Н. Однако, при расчетах видно, что сила поверхностного натяжения больше при опыте со стальным кольцом, чем с кольцом из латуни. Амплитуда колебаний для двух колец будет одинаковая для машинного масла, в отличие от растительного масла, где было различие.

Мёд. Кольцо из стали. (Рис.13)

Мёд. Кольцо из латуни. (Рис.14.)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,01 и 0,008 Н, для кольца из латуни 0,006 и 0 Н. Также видим, что одно колебание жидкости для стали имеет вверх амплитуду равной 0,016 Н, а вниз амплитуда составляет 0,01 Н, для латуни имеет вверх амплитуду равной 0,004 Н, а вниз под действием кольца опускается на 0,009 Н. Однако, при расчетах видно, что сила поверхностного натяжения больше при опыте с кольцом из латуни, чем со стальным кольцом. Верхние пики графика обозначают момент разрыва пленки поверхности меда при поднятии кольца. Нижние пики означают соприкосновение кольца с поверхностью меда. При поднятии с кольца стекали остатки меда, что, разумеется так же повлияла на значение силы и поверхностного натяжения. Значение поверхностного натяжения при опыте с медом намного больше из-за того, что он имеет большую массу, чем остальные вещества. Так же, у него большая плотность и вязкость.

Жидкость	Материал	Диаметр кольца, м	Сила натяжения, Н	Поверхностное натяжение, Н/м
Вода	Сталь	0.01918	0.0094	(78.04 ± 0.83) * 10-3
Латунь	0.01942	0,0061	(50.02 ± 0.82) * 10-3
Вода с ПАВ (1,25:100)	Сталь	0.01918	0.0041	(34.04 ± 0.83) * 10-3
Латунь	0.01942	0.004	(32.8 ± 0.82) * 10-3
Растительное масло	Сталь	0.01918	0.0048	(39.85 ± 0.83) * 10-3
Латунь	0.01942	0.0043	(35.26 ± 0.82) * 10-3
Машинное масло	Сталь	0.01918	0.0046	(38.19 ± 0.83) * 10-3
Латунь	0.01942	0.0046	(37.72 ± 0.82) * 10-3
Мёд	Сталь	0.01918	0.0168	(139.48 ± 0.83) * 10-3
Латунь	0.01942	0.0178	(146.77 ± 0.82) * 10-3

Вывод

Как видно из таблицы при определение поверхностного натяжения самое большое значение у мёда и меньше всего у воды с ПАВ. Также если использовать стальное кольцо или латунное кольцо, то поверхностное натяжение меняется, то есть, надо учитывать силу взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. И делать в дальнейшем перерасчёт, чтобы были точные значения сил поверхностного натяжения.

Литература

Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по теме: «Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца».

Лабораторная работа 162 определение коэффициента поверхностного натяжения воды на границе с воздухом метод отрыва кольца.

https://sites.google.com/site/opatpofizike/home/poverhnostnoe-natazenie-v-zidkostah

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3421.html

https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-termodinamiki/poverhnostnoe-natyazhenie

https://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/molek/uchpos/text/m6_08.htm

Просмотров работы: 454

Лабораторная работа № 5 

   Тема: «ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

   Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

   Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.

Выполнение работы. 

1. Начертили таблицу:

№ опыта	Масса капель m, кг	Число капель n	Диаметр канала шприца d, м	Поверхност-ное натяжение σ, Н/м	Среднее значение поверхностного натяжения σср, Н/м	Табличное значение поверхност-ного натяжения σтаб, Н/м	Относительная погрешность δ %
1	1*10-3	21	2,5*10-3	0,066	0,069	0,072	4,167
2	2*10-3	40	2,5*10-3	0,069
3	3*10-3	59	2,5*10-3	0,071

Вычисляем поверхностное натяжение по формуле

 

Находим среднее значение поверхностного натяжения по формуле:  

Определяем относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

 

Вывод: я измерил поверхностное натяжение жидкости (воды), оно получилось равным 0,069 Н/м, что с учетом погрешности 4,167% совпадает с табличным значением.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

Поверхностное натяжение зависит от силы притяжения между молекулами. У молекул разных жидкостей силы взаимодействия разные, поэтому поверхностное натяжение разное. Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее.

2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?

Если температура увеличивается, то скорость движения молекул соответственно увеличивается, а силы сцепления между молекулами — уменьшаются. т.е силы поверхностного натяжения зависят от температуры. Чем температура жидкости выше, тем слабее силы поверхностного натяжения.

3. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?

Изменится незначительно, т.к. в формулу входит величина g — ускорения свободного падения. А мы знаем, что в разных точках Земли ускорение свободного падения различно. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьирует ся от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах.

4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?

Изменение диаметра трубки не может приводить к изменению измеряемой величины. Для определения поверхностного натяжения используется формула  . 

По рисунку видно, что уменьшение диаметра трубки компенсируется уменьшением массы капли, а поверхностное натяжение, естественно, останется тем же.

5. Почему следует добиваться медленного падения капель?

При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли растет постепенно. Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1 капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли сила тяжести равна результирующей силе поверхностного натяжения F = πdσ.

Необходимо, чтобы капли отрывались от трубки самостоятельно, под действием силы тяжести. Если падение капель будет быстрым при дополнительном нажатии на поршень шприца, то в момент отрыва капли сила тяжести не будет равна силе поверхностного натяжения и данный метод даст большую погрешность измерения.

1. Цель работы:
является определение коэффициента
поверхностного натяжения воды.

2. Краткая теория.

Молекулы жидкости,
расположенные у ее границ, благодаря
наличию сил притяжения, находятся в
иных условиях, чем молекулы внутри
жидкости. Для анализа состояния молекул
достаточно учесть действие на них других
молекул, находящихся внутри сферы
молекулярного действия (сферой
молекулярного действия называется
область, за пределами которой силы
взаимодействия молекул практически
равны нулю; радиус, которым проведена
сфера, принято называть радиусом
молекулярного действия).

Внутри жидкости
в сферу молекулярного действия около
молекулы попадает достаточно большое
количество молекул. Наибольшее количество
молекул, которое окружает молекулу
внутри жидкости, может быть равно 12. У
таких жидкостей молекулу, находящуюся
у поверхности, окружает шесть молекул.
У воды, например, каждую молекулу внутри
жидкости окружает четыре молекулы, а
на поверхности – две.

Силы притяжения,
с которыми на молекулу внутри жидкости
действуют окружающие ее молекулы,
направленные в разные стороны и в среднем
скомпенсированы. Иначе говоря,
результирующая всех сил взаимодействующая
молекулы с соседними молекулами в
среднем равна нулю.

Сфера молекулярного
действия молекулы, находящийся у
поверхности, частично окажется внутри
жидкости, частично – вне ее. Над
поверхностью жидкости находится ее
пар. Концентрация молекул пара мала,
расстояние между молекулами велико,
поэтому их действием на молекулы
поверхностного слоя жидкости можно
пренебречь. Следует принимать во внимание
лишь действия молекул жидкости, лежащих
в той части сферы действия, которая
расположена внутри жидкости. При этом
оказывается что на молекулу находящиеся
в близи поверхности жидкости, с разных
действует неодинаковое количество
молекул.

3.
Схема установки.

4. Характеристика
измерительных приборов.

Прибор для
определения коэффициента поверхностного
натяжения,

Столик с исследуемой
жидкостью.

5. Протокол
наблюдений.

Номер опыта	Нагрузка	Деление шкалы
При нагрузке пн	При разгрузке пр	Средние значение пср
1 2 3 4 5	6,2 7,2 8,2 9,2 10,2	12,6 13,9 15,4 16,8 18,1	12,6 14 15,4 16,7 18,1	12,6 13,95 15,4 16,75 18,1

Опытное определение
коэффициента поверхностного натяжения.

Номер опыта	Деление шкалы при отрыве	f=F1 г	F м	м
1 2 3 4 5	15,8 15,7 15,8 15,7 15,8	2,3 2,2 2,3 2,2 2,3	0,023 0,022 0,023 0,022 0,023	4*10-4 -6*10-4 4*10-4 -6*10-4 4*10-4	1,6*10-7 3,6*10-7 1,6*10-7 3,6*10-7 1,6*10-7

Номер опыта	D1, см	, см	, см	D2, см	, см	, см
1	7,1	0,06	0,0036	7,2	0,06	0,0036
2	7	-0,04	0,0016	7,1	-0,04	0,0016
3	7,1	0,06	0,0036	7,2	0,06	0,0036
4	7	-0,04	0,0016	7,1	-0,04	0,0016
5	7	-0,04	0,0016	7,1	-0,04	0,0016
Среднее значение	7,04			7,14

6. Рабочие формулы.

Перевод найденного
значения силы поверхностного натяжения
в Ньютоны.

Определение коэффициента
поверхностного натяжения

№ п/п			()2
1	0,00052	0,000012	1,44*10-10
2	0,00049	-0,000018	3,24*10-10
3	0,00052	0,000012	1,44*10-10
4	0,00049	-0,000018	3,24*10-10
5	0,00052	0,000012	1,44*10-10
Среднее	0,000508

7. Определение
абсолютной и относительной погрешности.

Абсолютная
погрешность.

0,00002

Рабочие формулы:

1. коэффициент
   поверхностного натяжения:

=F/l=F/((D₁+D₂))

№ п/п		относительная погрешность	()2
1	0,00052	0,000012	1,44*10-10
2	0,00049	-0,000018	3,24*10-10
3	0,00052	0,000012	1,44*10-10
4	0,00049	-0,000018	3,24*10-10
5	0,00052	0,000012	1,44*10-10
Среднее	0,000508

2) абсолютная
погрешность коэффициента поверхностного
натяжения:

____________

_^n(n-1))*t_n

_0.00002
Н/м

О Т В Е Т: _ср

12

В данной лабораторной работе, целью
которой являлось – определение
коэффициента поверхностного натяжения
воды, мы нашли этот коэффициент.Так же
мы нашли два вида погрешности. Абсол.
погр.:

Относит.погр. :

Таким образом цель лабораторной работы
достигнута, результаты подсчитаны.

Соседние файлы в папке 103

• #

  21.04.201924.06 Кб53Книга1.xls

• #

  21.04.201928.67 Кб45Книга11.xls

• #
• #
• #
• #
• #
• #

Поверхностное натяжение жидкости

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Я в будущем хочу получить профессию физика и необходимо научить проводить исследования и их уметь анализировать. Вокруг нас много интересного, на когда видишь мыльные пузыри поражаешься, как они могут удерживаться. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить. Эти явления происходят благодаря силе поверхностного натяжения. Как меняется сила поверхностного натяжение в присутствии моющих средств, поэтому я решила рассмотреть две жидкости: воду и воду с порошком.

Теоретическая часть

1. Молекулы поверхностного слоя взаимодействовать друг с другом с большей силой и обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами нижележащих слоев.

2. Способность жидкости сокращать свою поверхность называется поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение — явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости.

3. Силой поверхностного натяжения называют силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить её

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно к этому периметру σ = F/l или σ = A/ΔS

где σ — коэффициент поверхностного натяжения. Единицы измерения Дж/м2 или Н/м; F – сила поверхностного натяжения, l – длина границы поверхностного слоя жидкости, ΔS — площадь свободной поверхности, A- работа молекулярных сил по изменению площади поверхности жидкости.

4. Как известно, поверхностное натяжение открыл Томас Юнг, о чем опубликовал статью в 1805 году в журнале Phil Trans R. Soc. В той статье нет формул и картинок, но много рассуждений o силах, действующих на разные линии, что это за «силы» такие, которые можно приложить не к материальной точке, а к безмассовой линии — отдельный разговор. Вечным соперником Юнга был Лаплас. Некоторые (Роберт Гуд, а за ним Каш Митталь) утверждают, что первооткрывателем поверхностного натяжения в равной мере может считаться Галилей, который в работе 1612 г. «Рассуждение о телах, погружённых в воду» (вошедшей в его «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению») описывает не вполне понятный эксперимент, то ли мысленный, то ли реальный, с водой и вином.

Потом же, английский историк науки Джеймс Мак-Леклан решил прибегнуть к методу, основанному Галилеем: взял две бутылки с вином и водой, соединил их тонкой трубочкой, пропущенной через пробки, и…результат виден на снимках.[5]

5. Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.[6]

Например:

Жидкости

Статические методы		Динамические методы
Метод отрыва кольца(метод дю Нуи)	Классический метод для измерения поверхностного и межфазного натяжения. Результаты почти не зависят от смачивающих характеристик поверхности. В методе измеряется величина максимального усилия, прикладываемого при отрыве кольца	Метод максимального давления в пузырьке(метод Ребиндера)	Оптимально подходит для измерения величины поверхностного натяжения в зависимости от возраста поверхности. Измеряется максимальное давление в пузырьке.
Метод пластинки(метод Вильгельми)	Универсальный метод, особенно подходит для измерения поверхностного натяжения в течение длительного промежутка времени. Измеряется усилие, возникающее в процессе смачивания пластины, подвешенной в вертикальном положении	Метод объема капли	Лучший метод для динамического измерения межфазного натяжения. Измеряют количество пузырьков, на которые разделяется жидкость, имеющая заранее определенный объем
Метод вращающейся капли	Метод особенно подходит для измерения малых или сверхнизких значений межфазного натяжения. Измеряется диаметр капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости.
Метод падающей капли	Измеряется возможность проводить измерения при повышенной температуре и давлении. Оптическими методами анализируют геометрию капли.

6. Метод объема капли:

Лучший метод для динамического измерения межфазного натяжения. Измеряют количество пузырьков, на которые разделяется жидкость, имеющая заранее определенный объем.

Метод Дю Ну и (метод отрыва кольца):

Классический метод для измерения поверхностного и межфазного натяжения. Результаты почти не зависят от смачивающих характеристик поверхности. В методе измеряется величина максимального усилия, прикладываемого при отрыве кольца.

7. Роль в нашей жизни:

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить.

Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар; Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы; Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений; Пострадали бы важные функции нашего организма.

Практическая часть

Цели:

Определить поверхностное натяжение для воды двумя методами: статическим и динамическим;

Сравнить полученные результаты;

Определить поверхностное натяжение для воды, смешанной с каким-либо кол-вом порошка и моющего средства.

Определить, поменялось ли значение поверхностного натяжения. На сколько? В каком случае значение изменилось больше?

Оборудование и материалы: штатив; капельница; штангенциркуль; вода; вода с порошком; весы; стакан с делениями; динамометр типа ДПН; чашка Петри; кольцо диаметром 19,5 мм.; иглы с диаметром: 0,61 мм; 0,8 мм; 1,259 мм;

Ход работы:

Метод отрыва капель[4]:

С помощью измерительного клина и штангенциркуля измерила диаметр наконечника.

У крепила капельницу в штативе и заполнила ее жидкостью.

Взвесила стакан.

Подставив колбу под наконечник трубки, отрегулировала положение крана так, чтобы капли образовывались и отрывались не очень часто.

Быстро заменила колбу стаканом и отсчитала 100 капель.

Взвесила стакан с жидкостью и определила массу одной капли.

Вычислила поверхностное натяжение и погрешность измерения.

Метод взвешивания капель[1]:

Для проведения измерений установила скорость образования капель па конце трубочки не более, чем одна капля в несколько секунд. Регулировку скорости произвела клапаном капельницы.

Взвесила па аналитических весах пустую чашечку и записала результат.

Подставила чащечку под трубочку и отсчитала 5 — 6 капель жидкости.

Взвесила чашечку с каплями и записала результат.

Описанную процедуру повторить 5 раз, занося результат в таблицу. Перед каждым заполнением чашечки ее обязательно взвешивала, так как в ней могли оставаться следы жидкости от предыдущего цикла измерений.

Провела такие же циклы измерений для трубочек всех диаметров, имеющихся в комплекте установки.

Подсчитать для каждого диаметра иглы среднее значение массы капли и погрешность среднего значения.

Рассчитала для каждого диаметра иглы значение коэффициента поверхностного натяжения и погрешность измерения.

Метод отрыва петли[3]:

Собрала па штативе лабораторную установку для определения коэффициента поверхностного натяжения воды с помощью чувствительного динамометра ДПН. Одела на крючок динамометра петлю с длиной стороны 30 мм., опустила петлю в чашку с водой так, чтобы петля оказалась под водой полностью.

Налила в чашку жидкость и установила ее на подставке. Вращая держатель, подняла чашку с жидкостью до такого уровня, чтобы петля погрузилась в жидкость. Медленно опускала чашку с водой до тех пор, пока не разорвется пленка жидкости, тянущаяся за петлей. Повторила опыт с этой же петлей еще три раза.

Повторила свои действия с петлями длинной 50 мм., 60 мм. Повторила снова, только с водой с порошком.

Вычислила среднее значение силы поверхностного натяжения. Вычислила коэффициент поверхностного натяжения жидкости и погрешность измерения.

Метод отрыва кольца[2]:

Вращая винт, опустила платформу.

Наплнила чашку Петри, примерно, наполовину жидкостью.

Установила чашку на платформу.

Подвесила кольцо на крючок.

Медленно вращая винт, подняла платформу так, чтобы кольцо касалось поверхности жидкости.

Запустила компьютерную программу трансляции данных и установила значения параметров.

Очень медленно поднимала платформу, вращая винт, пока кольцо не опустится полностью в жидкость.

Очень медленно опускала платформу, вращая винт, пока кольцо не оторвалось от поверхности жидкости.

Вновь медленно подняла чашку до соприкосновения поверхности жидкости с кольцом и медленно опустила её. Повторила измерения 5 раз. Закончила измерения в программе.

На экране компьютера получила кривую зависимости силы, действующей на кольцо от времени.

Нашла среднее значение силы отрыва.

Измерила внутренний диаметр и толщину кольца. Вычислила среднее значение диаметра кольца.

Нашла коэффициент поверхностного натяжения и погрешность измерения.

Полученные результаты

	σ1 ± Δσ, Н/м	σ2 ± Δσ, Н/м
Вода, школьное оборудование	(36 ± 10) * 10-3 (30 ± 6) * 10-3 (36 ± 5) * 10-3	(73 ± 22) * 10-3
Вода с порошком, школьное оборудование	(42 ± 10) * 10-3 (37 ± 5) * 10-3 (42 ± 5) * 10-3	(32 ± 19) * 10-3
Вода, оборудование университета	(74,31 ± 0,84) * 10-3	(62,42 ± 0,06) * 10-3 (66,84 ± 0,05) * 10-3 (61,74 ± 0,03) * 10-3
Вода с порошком, оборудование университета	(30,21 ± 0,82) * 10-3	(47,72 ± 0,03) * 10-3

Вывод

В результате работы была найдена информация о понятии силы и коэффициента поверхностного натяжения.

Определены методики нахождения коэффициента поверхностного натяжения.

Проведены лабораторные работы по определению коэффициента поверхностного натяжения двух разных жидкостей различными методами.

Получили значения коэффициента поверхностного натяжения для воды из крана и этой воды с порошком, на школьном оборудовании ошибка достигает 50%, на оборудовании университета ошибка 1%.

В расчете коэффициента поверхностного натяжения на школьном оборудовании, возможно, было допустить ошибки при определении диаметра наконечника капельницы, так же в методе отрыва петли, возможно, было допустить ошибку в определении силы на динамометре из-за высокой скорости отрыва петли.

Литература

Лабораторная работа по теме: «Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкости». Методическое пособие составили: Е.Ю.Козлова, А.В.Можаева, И.И.Шевчук, С.А.Хорозов.

Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по теме: «Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца».

Лабораторная работа по теме: «Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва петли».

Лабораторная работа по теме: «Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва капель».

Эксперимент Галилео Галилея с вином и водой.

Тензиометры.

Просмотров работы: 310