Лабораторна робота №6 (8)

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИН МЕТОДОМ ВІДРИВУ ПОВІТРЯНИХ БУЛЬБАШОК

Мета роботи. Вивчити природу поверхневого натягу рідин, визначити коефіцієнт поверхневого натягу методом відриву повітряних бульбашок.

Прилади і приладдя: установка Ребіндера, колби з дистильованою водою і досліджуваними розчинами.

Література

1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. ин-тов. – М., 1979. – 552 с.

2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.

Теоретичні відомості

Поверхневим натягом називають напружений стан поверхневого шару рідини. Поверхневий натяг відіграє велику роль у процесах життєдіяльності тварин і рослин. Так, переміщення крові по капілярних судинах, водопостачання та мінеральне живлення рослин можна пояснити, базуючись на існуванні сил міжмолекулярної взаємодії. Пов’язаний з ними поверхневий натяг впливає на висоту підняття і швидкість переміщення рідини в капілярах.

У площині поверхневого шару рідини напружені зв’язки між сусідніми молекулами. Це напруження зумовлене тим, що кожна поверхнева молекула взаємодіє з молекулами рідини, розміщеними з боку нижньої напівсфери (взаємодією з молекуламиатмосфери над поверхнею рідини можна знехтувати).Якщо, користуючись правилом паралелограма, об’єднати всі сили, які діють на кожну поверхневу молекулу з боку її сусідок, то отримаємо,що результуюча сила направлена перпендикулярно поверхні рідини всередину (рис. 6.1). Це і зумовлює напруження міжмолекулярних зв’язків між сусідніми молекулами в площині поверхні рідини.

В об’ємі рідини міжмолекулярні зв’язки не напружуються тому, що кожна молекула оточена сусідками з усіх боків і сили взаємо дії взаємно компенсуються, тобто результуюча сила, яка діє на кожну молекулу з боку її сусідок, дорівнює нулю.

Сила F напруження міжмолекуляр- Рис. 6.1.

них зв’язків у площині поверхні, яку називають силою поверхневого натягу, прямо пропорційна довжині l поверхневого ланцюга молекул і залежить від міжмолекулярної взаємодії в рідині:

F = l, (1)

де – коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Звідси:

= (2)

Коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини ланцюга поверхневих молекул рідини.

У зв'язку з тим, що сили міжмолекулярної взаємодії в різних рідинах неоднакові, то й значення α у них різні. Тому, значення α дає інформацію про силу взаємодії молекул в рідині.

Знання коефіцієнта поверхневого натягу дозволяє знайти величину додаткового тиску Δр, що виникає при викривленій поверхні рідини (і піднімає чи опускає рідину в капілярі відносно її рівня в резервуарі). Додатковий тиск над (під) викривленою поверхнею рідини визначається за формулою Лапласа:

(3)

де R – радіус кривизни поверхні; „+” – відповідає випуклій поверхні; „-” – відповідає увігнутій поверхні.

Метод визначення коефіцієнта поверхневого натягу

за дапомогою установки Ребіндера

В даній роботі коефіцієнт поверхневого натягу визначають методом відриву повітряних бульбашок за допомогою установки Ребіндера (рис 6.2). Цей метод базується на використанні формули Лапласа.

Рис. 6.2.

Рис. 6.2. (а).

У досліджувану рідину опускають кінчик капіляра так, щоб він торкався поверхні рідини. Якщо з капіляру витискати повітря в рідину, то на кінці капіляра почнуть утворюватися бульбашки, тиск в середині яких буде дорівнювати тиску в капілярі. Бульбашка повітря відірветься від капіляра тоді, коли тиск в капілярі буде більшим за зовнішній тиск рідини на бульбашку, який дорівнює додатковому тиску Лапласа:

. (4)

Тиск р,необхідний для відриву бульбашки від капіляра створюється повільним перетіканням води із посудини 1 в посудину 3, в якій вода, що піднімається вверх, стискує повітря. Величину створеного тиску вимірюють водяним манометром 5.

Манометр – це вимірювальний прилад для визначення тиску рідини та газів.

В момент відриву бульбашки від поверхні рідини реєструється максимальний рівень води в правому коліні манометра. Максимальний гідростатичний тиск р піднятого стовпа рідини в коліні манометра, відкритому на повітря, матиме наступний вигляд:

р = g h, (5)

де ρ– густина води; h – максимальне підняття води відносно нульового рівня (0) в коліні манометра, відкритого на повітря.

Тоді із формул (5) і (4) маємо:

g h = . (6)

З метою уникнення труднощів, пов’язаних із визначенням радіуса R кривизни поверхні рідини, для відносних вимірювань коефіцієнтів поверхневого натягу рідин застосовують формулу (6), з якої за значеннями ρ, g, h, R можна знайти .

Спочатку колбу 6 заповнюють дистильованою водою. (Коефіцієнт поверхневого натягу води при температурі повітря в лабораторії беруть із довідкової таблиці). Якщо бульбашка відривається в дистильовану воду, і рівень води в правому коліні манометра піднімається на висоту h₀ (а в лівому на таку ж висоту опускається) формула (6) приймає вигляд:

. (7)

Далі, коли колба 7 заповнена досліджуваною рідиною, коефіцієнт поверхневого натягу якої невідомий і дорівнює , висота підняття рівня води в правому коліні манометра при відриванні бульбашки в дану рідину буде мати деяке значення h_х. Тоді формула (7) має вигляд:

. (8)

Почленно розділивши рівняння (8) на рівняння(7) отримуємо:

.

Звідси робоча формула для визначення _х:

, (9)

де – коефіцієнт поверхневого натягу дослідної рідини; – коефіцієнт поверхневого натягу дистильованої води (табличне значення); h – показання манометра в момент відриву бульбашок в дистильовану воду; h_х – показання манометра в момент відриву бульбашок в дослідну рідину.