Кратка теоретична информация
Течностите, подобно на газовете и твърдите тела, се състоят от малки частици - молекули, между които съществуват сили на взаимно привличане и отблъскване. Силите на молекулярно взаимодействие бързо намаляват с увеличаване на разстоянието от молекулата и вече на разстояние R, равно на 10 -7 cm, те практически не се появяват (радиусът на самите молекули е r = 0,5 * 10 -7 cm).
Разстоянието R се нарича радиус на молекулярно действие, а сферата с радиус R се нарича сфера на молекулярно действие.
Молекула вътре в течност изпитва същото взаимодействие с молекулите, които я заобикалят от всички страни. Резултатът от молекулярните сили, действащи върху него, ще бъде равен на нула. Ако молекулата се намира на повърхността на течността, тогава равновесието се нарушава: привличането от страна на молекулите, разположени вътре в течността, е по-голямо и резултатната от молекулните сили е насочена вътре в течността F1,2. (Фигура 1).
Молекулните сили, действащи върху всички частици, разположени в тънък повърхностен слой, чиято дебелина е равна на радиуса на сферата на действие на молекулата, като се сумират помежду си, упражняват определен натиск върху повърхността на течността, който се нарича молекулно налягане. Всички молекули, разположени в повърхностния слой на течността, са подложени на действието на тези сили, които се стремят да ги изтеглят в течността.
По този начин, под действието на молекулни сили, насочени вътре в течността, повърхностният слой на течността е в особено, напрегнато състояние, наподобяващо напрежението на опънат филм, който има тенденция да се свива.
За да преместите молекула от дълбочината към повърхността на течност, трябва да се работи срещурезултантната сила на молекулите в повърхностния слой. В резултат на това молекулите на повърхността на течността имат определена потенциална енергия, наречена свободна повърхностна енергия. Ако върху течността не действат външни сили, тогава стойността на свободната повърхностна енергия се оказва минимална; в същото време площта на самата повърхност също е минимална. Течните капчици при нулева гравитация са сферични (минимална повърхност). В земни условия действа гравитацията, която се опитва да изстиска капката, в резултат на което тя придобива формата на елипса.
Работата, която трябва да се извърши за увеличаване на свободната повърхност на течността, ще бъде равна на:
където α е коефициентът на повърхностно напрежение.
Във физическото си значение α е работата, която трябва да бъде изразходвана, за да се увеличи повърхността на течността с една единица, като същевременно се запази нейният обем непроменен. Коефициентът на повърхностно напрежение α се измерва в системата SI в J/m 2 .
За да се поддържа повърхностният филм в баланс, е необходима определена сила F, приложена тангенциално към повърхността на течността. То ще бъде толкова по-голямо, колкото по-голяма е дължината ℓ, която ограничава повърхността на филма:
където α е коефициентът на повърхностно напрежение.
От формула (1) следва, че
α = ,
т.е. коефициентът на повърхностно напрежение на течността е числено равен на силата на повърхностното напрежение, действаща на единица дължина на контура, който ограничава повърхността на течността. От (2) може да се види, че α се измерва в N/m. Коефициентът на повърхностно напрежение на течността е от порядъка на 10 -2 - 10 -1 N/m; за вода е 0,073 N/m, а за живак 0,54 N/m. С повишаване на температурата коефициентът на повърхностно напрежение намалява поради увеличаване на средното разстояние между молекулите на течността.
Когато течността се налива всъд, тогава между молекулите на стените на съда и молекулите на повърхността на течността има сили на привличане Fα (адхезия, т.е. силите на сцепление на молекули на две различни тела, причинени от взаимно привличане), Fk те водят до появата на контактен ъгъл θ между стените на съда и повърхността на течността. Резултантната сила на кохезия и адхезия Fα и Fk винаги е перпендикулярна на повърхността на течността (фиг. 2).
От фиг. 2 показва, че резултантната на тези сили F може да има различна посока, в резултат на което повърхността на течността може да бъде вдлъбната, изпъкнала или хоризонтална. Ако течността намокри стените, тогава кохезионните сили Fk са по-малки от силите на сцепление Fα; резултантната сила е насочена извън течността. В този случай повърхността има вдлъбната форма.
В ненамокряща течност, поради подобни причини, повърхността на течността ще придобие изпъкнала форма.
Ако Fα = Fk, тогава повърхността на течността е хоризонтална.
Под извитата повърхност на течността, освен вътрешното налягане Р., се създава допълнително налягане ΔР, дължащо се на кривината на повърхността (фиг. 3). Този допълнителен натиск винаги е насочен към центъра на кривината на повърхността. Ако течността има изпъкнала повърхност, тогава допълнителното налягане е насочено вътре в течността и общото налягане в течността в този случай ще бъде по-голямо, отколкото под хоризонталната повърхност.
Ако повърхността на течността има вдлъбната форма, тогава допълнителното налягане е насочено към центъра на кривината, който е извън течността, а общото налягане тук е по-малко, отколкото под хоризонталната повърхност.
Допълнителното налягане за сферична повърхност се определя по формулата на Лаплас:
ΔР = ,
където ΔР е допълнителното налягане,
α е коефициентът на повърхностно напрежение,
r - радиус на кривинатечна повърхност.
2.Описание на експерименталната настройка
В тази работа методът на отделяне на капки се използва за определяне на коефициента на повърхностно напрежение на течност.
Течността, която ще се тества, бавно капе от тесен отвор в тънка стъклена тръба (бюрета), поставена вертикално на стойка. Повърхностният филм, образуван в отвора, се противопоставя на изтичането на течност. Под натиска на горните течни слоеве филмът се разтяга и течността се събира в капка в края на тръбата (фиг. 4).
Капката се влияе от гравитацията P=mg , насочена вертикално надолу, и силата на повърхностно напрежение F , действаща нагоре. Докато капката се задържа в края на отвора, силата F е по-голяма от силата на гравитацията P. Когато течността изтича от тръбата, капката ще се увеличи по размер и силата на гравитацията ще се увеличи. Ще дойде момент, когато силата ще бъде в покле. Но веднага щом R. леко надвиши силата на повърхностното напрежение F, капката ще се отлепи и ще падне.
При изчислението считаме, че моментът на разделяне Р. = F, а силата на повърхностно напрежение F може да се определи по формулата (1):
където ℓ е дължината на контура, по който повърхностният слой на течността се разкъсва,
и е равна на обиколката при стеснението (фиг. 4).
Ако радиусът на талията е означен с r, тогава ℓ=2πr и тогава пишем:
,
Тази формула се изчислява за α.
3.Работна поръчка.
1. Претеглете чиста и суха чаша на техническа везна и определете нейната маса m1.
2. Изсипете тестовата течност в бюретата.
3. Поставете втора чаша под бюретата и регулирайте спирателния кран така, че течността да изтича на капки (приблизително 30 капки в минута).
4. Заместник подпретеглена чаша в бюрета: изтеглете n капки от тестовата течност в нея (броят на капките се определя от учителя).
5. Определете масата на чашата с капки m2.
6. Изчислете масата на една капка по формулата:
7. Повторете опита 3 пъти и намерете средната стойност на масата на една капка m.
8. Изчислете коефициента на повърхностно напрежение по формула (3) (радиусът на талията е изписан на бюретата).
9. Изчислете грешките при измерване по формулите:
10. Въведете данните от измерванията и изчисленията в таблица I:
| 1. |
| 2. |
| 3. |
| ср |
11. Запишете отговора във формата:
1. Какво причинява допълнителния натиск? Запишете формулата на Лаплас.
2. Обяснете молекулярно-кинетичния механизъм на повърхностното напрежение.
3. От какви фактори зависи коефициентът на повърхностно напрежение?
4. Какво е вътрешното налягане на течността?
5. Какво представляват повърхностноактивните вещества и къде се използват?
6. Обяснете капилярните явления. Какво определя височината на издигане (спускане) на течния стълб в капиляра?
7. Изведете формулата на Джурин.
8. Обяснете явленията на намокряне и ненамокряне.
Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсачката:
Деактивирайте adBlock! и обновете страницата (F5)наистина е необходимо