V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Поверхностное натяжение жидкости
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
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.