VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность
Знания по естественным наукам необходимы людям не только для объяснения явлений природы, но и для использования в практической деятельности. Проявляя интерес к физике, я может не стану физиком -теоретиком, а буду инженером, техником. Успех моей деятельности будет обеспечиваться не только умением мыслить, но и умением делать, и выбранная мною тема не только актуальна для изучения, она дает возможность к такой успешной деятельности. В окружающем нас мире наряду с тяготением и трением действует ещё одна сила, на которую мы мало обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью, без того, чтобы не привести в действие эту силу - силу поверхностного натяжения. Она играет большую роль в природе и технике, в физиологии нашего организма и жизни растений и животных.
Проблема
Почему проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике, в физиологии нашего организма и в жизни растений и животных играют важную роль.
Объект исследования: явления на поверхности жидкости
Предмет исследования: коэффициент поверхностного натяжения жидкости
Гипотеза
Коэффициент поверхностного натяжения жидкости с увеличением температуры жидкости уменьшается.
Цель
Исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости от ее температуры
Задачи
1. Изучить и проанализировать литературу о явлениях на поверхности жидкости.
2. Изучить явление поверхностного натяжения.
3. Изучить методы измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и выбрать, соответствующий метод для исследования.
4. Используя доступный метод, измерить коэффициент поверхностного натяжения при различных температурах.
5. Представить в виде таблицы и графика результаты измерений поверхностного натяжения.
6. Проанализировать результаты исследований и сделать выводы.
Методы:
Анализ
Эксперимент
Наблюдение
Измерение и предоставление результатов
Обобщение
Введение
В наше время очень большое значение для практического применения имеют свойства различных жидкостей. На уроках физики, изучая явление поверхностного натяжения, познакомились с табличными данными коэффициента поверхностного натяжения только при 20°C, а при других температурах он не известен. Поэтому главной целью в этой работе стало более глубокое изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры.
Теоретическая часть
Поверхностное натяжение
Вы, вероятно, неоднократно видели на водоемах водомерок – насекомых, бегающих по воде. Если внимательно приглядеться, то можно увидеть, что поверхн6ость воды под их лапками немного прогибается. Создается впечатление, что лапка лежит на упругой пленке, прогнувшейся под иглой. Чтобы объяснить, почему поверхностный слой подобен растянутый упругой пленке, рассмотрим молекулу, находящуюся на поверхности жидкости и внутри нее. Жидкости, так же как и твердые тела, обладают большой объемной упругостью, т. е. сопротивляются изменению своего объема, но, как и газы, не обладают упругостью формы. Жидкость, налитая в сосуд, заполняет его и принимает форму сосуда. Действие силы тяжести прижимает жидкость ко дну сосуда, а свободная поверхность жидкости устанавливается горизонтально. Над поверхностью жидкости находятся насыщенный пар и газообразный воздух. Таким образом, объем жидкости оказывается ограниченным стенками сосуда и газом. При этом условия, в которых молекулы жидкости находятся на границах раздела, будут отличаться от условий внутри объема жидкости.
На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, окружающих ее со всех сторон (см. рис.1).
Рис. 1.
Равнодействующая этих сил равна нулю. Равнодействующая же сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, не равна нулю (так как над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше, чем плотность жидкости) и направлена внутрь жидкости. Под действием этой силы молекулы поверхностного слоя стремятся втянуться внутрь жидкости, число молекул на поверхности уменьшается, и площадь поверхности сокращается. Но все молекулы, разумеется, не могут уйти вовнутрь. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности оказывается минимальной в каждом конкретном случае при заданном объеме жидкости, силах, действующих на жидкость.
Р
ис. 2
Рассмотрим первоначально молекулы, находящиеся в поверхностном слое свободной поверхности жидкости, т. е. на границе жидкость — газ. Легко понять (рис.2), что такая молекула имеет в среднем только шесть ближайших соседей, а не 12. Поэтому ее потенциальная энергия выше, чем потенциальная энергия той же молекулы внутри жидкости. Поэтому для извлечения молекулы изнутри жидкости на ее свободную поверхность надо затратить внешнюю работу.
При обратном переходе молекулы из поверхностного слоя жидкости внутрь объема ее потенциальная энергия будет уменьшаться на ту же величину. Как тело в поле тяжести стремится занять наинизшее положение с наименьшей потенциальной энергией (если ему в этом не препятствуют другие силы), так и молекулы, находящиеся на свободной поверхности жидкости, будут стремиться перейти внутрь ее объема. Поскольку число молекул на поверхности жидкости пропорционально величине свободной поверхности, то стремление молекул поверхности втянуться внутрь объема жидкости означает, другими словами, стремление сократить свободную поверхность жидкости.
Если при постоянной температуре обратимым путем изменить поверхность жидкости на бесконечно малую величину dS, то необходимая для этого работа
Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности (dS > 0) сопровождается отрицательной работой.
Коэффициент является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения ( > 0). Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Очевидно, в системе СИ имеет размерность Дж/м2.
Если поверхность жидкости ограничена периметром смачивания, то поверхностное натяжение можно рассматривать как силу, действующую на единицу длины периметра смачивания и направленную перпендикулярно к этому периметру:
В данном случае единицей поверхностного натяжения в СИ будет 1 Н/м, что не противоречит уже названной единице: Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и от ее температуры: с повышением температуры оно уменьшается. Так называемые поверхностно-активные вещества (мыло, жирные кислоты) также уменьшают поверхностное натяжение.
Из сказанного ясно, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией. Обозначим ее . Эта энергия, как всегда, измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости.
Поскольку энергия обязана своим происхождением наличию поверхности жидкости, то она должна быть пропорциональна площади S поверхности жидкости:
Тогда изменение площади поверхности dS повлечет за собой изменение потенциальной энергии которое сопровождается работой в полном соответствии с (1).
Если, как было указано, изменение поверхности S осуществляется при постоянной температуре, т. е. изотермически (и обратимо), то, как известно, потребная для этого работа равна изменению свободной энергии F поверхности:
(Если изменение поверхности жидкости произвести адиабатно, то ее температура изменится. Например, увеличение поверхности приведет к ее охлаждению.) Значит, избыточная потенциальная энергия поверхности жидкости, о которой говорилось выше, является свободной энергией поверхности и, следовательно, т. е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности.
Если давление газа или пара над свободной поверхностью жидкости мало превышает атмосферное, то газ можно считать идеальным газом и пренебрегать его взаимодействием с молекулами поверхностного слоя жидкости. Поэтому при низких давлениях поверхностное натяжение жидкости практически не зависит от давления газа над жидкостью.
С ростом температуры взаимодействие молекул жидкости несколько ослабляется, так как при увеличении кинетической энергии молекул жидкость «разрыхляется» и среднее расстояние между молекулами возрастает. Поэтому с увеличением температуры величина а должна уменьшаться. В том же направлении должно действовать и возрастание плотности насыщенного пара с повышением температуры. При приближении Т к Tk свойства пара приближаются к свойствам жидкости и условия взаимодействия, в которых находятся молекулы поверхностного слоя, перестают практически отличаться от условий внутри жидкости. Поэтому при Т = Tk, в критической точке, поверхностное натяжение жидкости а должно обращаться в нуль.
На этот факт, как уже упоминалось в предыдущем пункте, впервые указал Д. И. Менделеев в 1860 г. Для большинства жидкостей поверхностное натяжение падает с температурой практически линейно.
До сих пор мы исходили, в первом приближении, из предположения, что любая молекула взаимодействует лишь со своими ближайшими 12 соседями. Строго говоря, это, конечно, не так. Молекулы взаимодействуют и на больших расстояниях, но силы взаимодействия быстро убывают. Разделив мысленно жидкость, окружающую молекулу, на концентрические слои одинаковой толщины, как это показано на рис. 3, мы видим, что число молекул в каждом последующем слое возрастает. Следовательно, энергия взаимодействия молекул с каждым концентрическим слоем изменяется с расстоянием слоя от центральной молекулы пропорционально, но все еще очень быстро.
Рис. 3
Практически с данной молекулой внутри жидкости взаимодействует только относительно небольшое число молекул. Поэтому полную энергию любой молекулы внутри жидкости можно практически считать не зависящей от объема жидкости.
Однако, если слой жидкости достаточно тонок, то энергия молекул будет зависеть уже от его толщины. Это обстоятельство оказывается особенно существенным при наличии в жидкости растворенных ионов (диссоциировавших ионных молекул типа NaCl и др.), взаимодействие между которыми убывает значительно медленнее.
Кроме температуры и толщины слоя, на величину поверхностного натяжения жидкости существенно влияют растворенные в последней, даже в малых количествах, примеси. Если энергия взаимодействия молекулы растворенного вещества с молекулой растворителя меньше энергии взаимодействия молекул растворителя между собой, то при выходе растворенной молекулы на поверхность и вытеснении ею одной молекулы растворителя из поверхности в объем жидкости будет выделяться энергия.
Растворенные молекулы будут вытесняться на поверхность жидкости, и одновременно будут понижать поверхностное натяжение раствора.
Такие вещества носят название поверхностно-активных веществ по отношению к данной жидкости. Простейшими поверхностно-активными веществами по отношению к воде являются спирты, жирные кислоты и их соли (мыла). В расплавленных металлах подобными поверхностно-активными веществами, концентрирующимися на поверхности расплава, являются обычно более легкоплавкие примеси.
Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры
Из общих соображений легко догадаться, что с повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения должен уменьшаться. Это следует из того, что при критической температуре он должен быть равен нулю, так как при этой температуре исчезает разница между жидкостью и ее паром, а значит, исчезает и поверхность, разделяющая обе фазы. Однако точный вид зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры не может быть установлен теоретически. Приближенно зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры выражается следующим равенством:
где В — постоянный коэффициент, Tk— критическая температура, ρ -плотность жидкости, µ - ее молекулярный вес и τ - небольшая величина, имеющая размерность температуры.
Формула неприменима, вблизи самой критической точки.
Из формулы следует, что температурная зависимость поверхностного натяжения, т. е. изменение его при изменении температуры на один градус, выражается равенством
Из этой формулы видно, что зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры тем сильнее, чем больше плотность жидкости и чем меньше ее молекулярный вес.
Несмотря на приближенный характер уравнений, они настолько хорошо оправдываются на опыте, что ими пользуются для определения молекулярного веса жидкостей. Коэффициент В практически одинаков для всех жидкостей и равен 2,1 (в системе единиц СГС).
Экспериментальная часть
Из формулы высоты поднятия жидкости в капиллярах выразил формулу для нахождения коэффициента поверхностного натяжения жидкости:
где – σ коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; ρ – плотность жидкости, кг/м3; g– ускорение свободного падения, 9,8 м/с2; h – высота столбика поднятой жидкости, м; d– диаметр капилляра, м.
Использовалась вода и растительное масло. Получена зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры.
1. Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды, диаметр капилляра 0,002 м
ρ = 1000
d = 0,002 мма12м
2. Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды, диаметр капилляра 0,003 м
ρ = 1000
d = 0,003 вамам
3. Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды, диаметр капилляра 0,005 м
ρ = 1000
d = 0,005 мммвамам
4. Измерение коэффициента поверхностного натяжения растительного масла,
диаметр капилляра 0,002 м
ρ = 919
d=0,002
5. Измерение коэффициента поверхностного натяжения растительного масла,
диаметр капилляра 0,003 м
ρ = 919
d=0,003
6. Измерение коэффициента поверхностного натяжения растительного масла,
диаметр капилляра 0,005 м
ρ = 919
d=0,005
Заключение: из экспериментов можно сделать вывод
1) коэффициент поверхностного натяжения уменьшается с увеличением температуры,
2) зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры выполняется для воды и растительного масла.
3) значение коэффициента поверхностного натяжения зависит от рода жидкости.
Список литературы
1. Элементарный учебник физики: В 3-х т.: Учебное пособие. Т. 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика /Под ред. Г.С. Ландсберга. – М., 1975.
2. Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Книга 1. – 20-е изд., стереотип. – М.: Наука, 1979.
3. Поверхностное натяжение (http://www.mirznanii.com).