На цій сторінці пояснюється поняття поверхневого натягу рідини та описуються два вирази для вимірювання зазначеної фізичної величини.
Метод Дю Нуї - один із найвідоміших. Додаткова сила, яка діє на алюмінієве кільце, вимірюється саме в той момент, коли лист рідини розірветься.
Другий - це простий метод відносних вимірювань поверхневого натягу, заснований на утворенні крапель.
У рідині кожна молекула взаємодіє з оточуючими. Радіус дії молекулярних сил відносно невеликий, охоплюючи найближчі сусідні молекули. Ми збираємось якісно визначити результуючі сили взаємодії на молекулі, яка знаходиться в
- А, всередині рідини
- B, в околицях поверхні
- C, на поверхні
Давайте розглянемо молекулу (в червоному кольорі) в рідині в рівновазі, далеко від вільної поверхні, такої як А. За симетрією, результуючі всі сили притягання, що надходять від молекул (у синьому кольорі), які її оточують, будуть бути нульовим.
З іншого боку, якщо молекула знаходиться в групі В, оскільки зверху менше молекул, ніж нижче, на молекулу, про яку йде мова, буде діяти результуюча сила, спрямована всередину рідини.
Якщо молекула знаходиться в С, результуюча сила взаємодії більша, ніж у випадку В.
Сили взаємодії змушують молекули, розташовані поблизу вільної поверхні рідини, відчувати силу, спрямовану вглиб рідини.
Оскільки всі механічні системи, як правило, спонтанно переходять у стан найнижчої потенційної енергії, розуміється, що рідини мають тенденцію подавати назовні найменшу можливу поверхню.
Коефіцієнт поверхневого натягу
Поверхневу енергію внаслідок когезії можна визначити за допомогою приладу на малюнку.
Лист мила приклеюється до подвійного прямокутного гнутого дроту та ковзного дроту AB. Щоб лист не стискався через сили зчеплення, необхідно прикласти до ковзного дроту силу F.
Сила F не залежить від довжини х аркуша. Якщо ми перемістимо ковзний провід на довжину Δx, зовнішні сили виконали роботу FΔx, яка буде вкладена у збільшення внутрішньої енергії системи. Оскільки поверхня листа змінюється на ΔS = 2dΔx (коефіцієнт 2 зумовлений тим, що лист має дві грані), це означає, що частина молекул, що знаходились всередині рідини, перемістилася на новостворену поверхню, причому як наслідок збільшення енергії.
Якщо ми називаємо γ енергією на одиницю площі, буде перевірено, що
F Δ x = γ Δ S γ = F 2 d
поверхнева енергія на одиницю площі або поверхневий натяг вимірюється в Дж/м 2 або Н/м.
Поверхневий натяг залежить від природи рідини, середовища, яке її оточує, і температури. Взагалі, поверхневий натяг зменшується із температурою, оскільки сили когезії зменшуються із збільшенням термічного збудження. Вплив зовнішнього середовища розуміється, оскільки молекули середовища здійснюють привабливі дії на молекули, розташовані на поверхні рідини, протидіючи діям молекул рідини.
Поверхневий натяг рідин при 20ºC
| Оливкова олія | 33.06 |
| Вода | 72,8 |
| Етиловий спирт | 22.8 |
| Бензол | 29,0 |
| Гліцерин | 59.4 |
| Нафта | 26,0 |
Джерело: Посібник де Фісіки, Кошкін Н. І., Ширкевич М. Г . Редакція Мир (1975)
Демонстрація ефектів поверхневого натягу
Давайте розглянемо фігуру дроту, побудовану з двох кілець різного радіусу, зварених точками А і В, виключаючи внутрішній провід. Хорда довжиною s, більшою за відстань d між А і В, поєднує обидві точки. Дротяну фігуру з мотузкою занурюють у мильний розчин (світло-блакитного кольору) і розташовують вертикально, тримаючи її за ручку. Її вигляд - на фігурі зліва.
Він проколюється в нижній частині, струна відразу ж натягується, приймаючи форму дуги окружності довжиною s і радіусом r. Дивіться малюнок праворуч
Ми вивчаємо геометрію дуги окружності, на третьому малюнку
s = r θ d = 2 r sin (θ 2)
Знаючи довжину s хорди і відстань d між A і B, ми вирішимо для радіуса r.
d = 2 r sin (s 2 r)
Наприклад, якщо s = rπ/2 (чверть дуги окружності радіуса r), d = 2 r sin (π 4) = 2 r
Загалом, нам доведеться вирішити трансцендентне рівняння в r, застосовуючи числові процедури.
Натяг мотузки
Щоб розрахувати натяг Т струни, ми розглянемо нескінченно малу частину ds носової частини струни, яка зменшує кут dθ, так що ds = r · dθ.
Ліва частина і права частина мотузки надають на згаданий елемент сили, рівні його натягу Т, у дотичному напрямку, як показано на малюнку. Результатом цих двох сил є dT = T dθ.
Нормальна сила цього елемента внаслідок поверхневого натягу становить dF = 2γ · ds. Він множиться на два, оскільки поверхневий натяг на обох гранях мильної плівки тягне струнний елемент
Вимірювання поверхневого натягу рідини
Метод Дю Нуї - один із найвідоміших. Додаткова сила ΔF, яка діє на алюмінієве кільце, вимірюється саме в той момент, коли лист рідини розірветься. Праворуч алюмінієве кільце, підвішене до динамометра у фізичній лабораторії Інженерної школи Ейбара
Поверхневий натяг рідини розраховується за діаметром 2R кільця і величиною сили ΔF, виміряної динамометром.
γ = Δ F 2 · 2 π R
Рідина поміщається в ємність з кільцем, спочатку зануреним у воду. Через трубку, яка виконує роль сифона, рідина потроху витягується з контейнера.
Цифра представляє:
- Початок експерименту
- Коли утворюється лист рідини.
- Кінцева ситуація, коли лист складається лише з двох поверхонь (у цій ситуації вимірювання сили є правильним) безпосередньо перед розбиттям.
Якщо кільце має гострий край, вага рідини, яка піднялася над поверхнею рідини в непорушеному стані, є незначною.
Не у всіх шкільних лабораторіях є кільце для вимірювання поверхневого натягу рідини, але вони мають предметні стекла для мікроскопів. Це невеликий прямокутний шматок скла, розміри якого мають довжину a = 75 мм, ширину b = 25 мм і товщину приблизно c = 1 мм, його вага становить приблизно 4,37 г.
Гірка зважується спочатку на повітрі, а потім, коли її нижній край торкається поверхні рідини. Різниця ваги ΔF пов'язана з поверхневим натягом
Слайд підсувається вгору квазістатично. Точно, коли вона перестане контактувати з поверхнею рідини, сила F, яку ми повинні докласти вгору, дорівнює сумі:
Вага гірки, мг
Сила, зумовлена поверхневим натягом сформованого листа рідини, 2 γ (a + c)
Вага рідини ρгач, яка піднялася на висоту h над поверхнею без рідини. Де ρ - густина рідини.
Для предметного стекла зазначених розмірів, яке торкається поверхні води, h становить близько 2,3 мм (див. Статтю, цитовану в посиланнях)
Сила, зумовлена поверхневим натягом, становить 2 · γ (a + c) = 2 · 72,8 · 10 -3 · (0,075 + 0,001) = 11,07 · 10 -3 Н
Вага аркуша води порядку ρгач = 1000 · 9,8 · 0,075 · 0,001 · 0,0023 = 1,70 · 10 -3 Н
Щоб моделювання було максимально простим, вага рідинного листа, що піднімається над вільною поверхнею, не враховувався.
Діяльність
Інтерактивна програма випадково генерує вагу слайда між певними межами.
Кнопка з назвою Новий
Гірка зважується в повітрі, перетягуючи сині, червоні та чорні стрілки за допомогою вказівника миші, які позначають грами, десяті та соті частки грама.
Виберіть рідину в контрольному заголовку Рідини
Кнопка з назвою Напруженість
Гірка, нижня сторона якої торкається поверхні рідини, зважується
Розраховується різниця ΔF між обома вагами
Поверхневий натяг γ розраховується за формулою
Приклад:
Гірка зважується на повітрі, 4,27 г.
Гірка зважується, коли вона торкається поверхні рідини 5,39 г.
Обчислюємо різницю двох ваг у N
Поверхневий натяг знімається
γ = 10,98 · 10 - 3 2 · (0,075 + 0,001) = 72,2 · 10 - 3 Н/м
Синій, червоний і чорний курсори перетягуються вказівником миші
Вимірювання поверхневого натягу. Закон Тейта
Крапля від'єднується від трубки в той момент, коли її вага дорівнює силам поверхневого натягу, які її підтримують і діють уздовж окружності AB контакту з трубкою. Оскільки крапля не ламається прямо в кінці трубки, а далі по лінії A ? B ? менший діаметр і що немає впевненості, що рідина розташована між рівнями AB і A ? B ? виноситься краплею, формула, яку слід використовувати, є
Де Р - вага краплі, а k - коефіцієнт скорочення, який слід визначити експериментально.
Це називається законом Тейта, вага краплі пропорційний радіусу трубки r і поверхневому натягу рідини γ.
Застосування цього закону дозволяє зробити відносні виміри поверхневого натягу. Знаючи поверхневий натяг води, ми можемо виміряти поверхневий натяг проблемної рідини.
Наповнюємо крапельницю водою, поверхневий натяг якої γ, і опускаємо число n крапель на піддон ваги, вимірюємо її масу m.
Наповнюємо ту саму крапельницю рідиною, поверхневий натяг якої невідома γ ?, опускаємо стільки ж крапель на вагу і вимірюємо її масу m ?.
Закон Тейт говорить нам, що стосунки повинні бути дотримані
Дистильована вода - це еталонна рідина, поверхневий натяг якої становить 0,0728 Н/м
Приклад:
- 10 крапель води мають масу 586 мг
- 10 крапель олії мають масу 267 мг
Поверхневий натяг масла буде
586267 = 0,0728 γ '
Діяльність
Вага, що вимірює міліграми, використовується для зважування невеликої кількості крапель.
Імітований досвід складається з двох частин:
- Вимірювання маси n крапель води
- Вимірювання маси тих самих крапель обраної рідини
Починаємо з води. Ми активуємо перемикач із назвою Вода. Натискаємо кнопку з назвою Новий і потім, ►. Краплі починають падати з крапельниці в ємність на сковороді балансу. Натискаємо кнопку з назвою Баланс коли зібрано n крапель (ліворуч є лічильник крапель).
За допомогою вказівника миші ми рухаємо три курсори ваги, поки він не збалансується. Запишемо міру маси m.
Ми активуємо перемикач із назвою інша рідина і ми обираємо рідину: олію, спирт або гліцерин у контролі відбору. Натискаємо кнопку з назвою Новий і потім, ►. Ми спостерігаємо, що крапельниця та краплі змінили колір. Ми підраховуємо однакову кількість крапель, які потрапляють на контейнер, розташований на піддоні ваги.
Натискаємо кнопку з назвою Баланс і вимірюємо масу m ? крапель.
Синій, червоний і чорний курсори перетягуються вказівником миші
Список літератури
Для вимірювання поверхневого натягу за допомогою предметного склянки мікроскопа
Mak S.Y., Wong K. Y., Вимірювання поверхневого натягу методом прямого витягування. J. Phys. 58 (8), серпень 1990 р., С. 791-792.
Демонстрація ефектів поверхневого натягу
Ф Бехрузі. Поверхневий натяг у мильних плівках: перегляд класичної демонстрації. Eur. J. Phys. 31 (2010) L31-L35
Фотографія, зроблена у VIII випуску конкурсу "Сарагоса з науки в дії" (2007): Мігель Кабрерізо Вічес. Фізика відпочинку VIII. Університет Гранади.