VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Зависимость поверхностного натяжения жидкости и его динамики от материала кольца и рода вещества. Метод кольца

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Петухова М.А. 1

---

1МБОУ «СОШ №9 с УИИЯ г. Дубны Московской обл.»

Коваль В.М. 1

---

1МБОУ «СОШ №9 с УИИЯ г. Дубны Московской обл.»

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В 10 классе меня заинтересовало такое явление как поверхностное натяжение жидкости. Я решила узнать подробнее об этом явление и входе работы узнала, что для определения поверхностного натяжения жидкости существуют такие методы как: взвешивание капли, отрыва капель, отрыва петли и отрыва кольца.

Поэтому, в своей прошлой работе я решила узнать, какой метод наиболее точен. По данным таблицы я могла утверждать, что наиболее точным методом, по полученной ошибке, является метод отрыва кольца, проводимый на базе Университета ‘Дубна’.

Природа сил поверхностного натяжения.

Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, например, с ее собственным паром, с другой жидкостью или с твердым телом (в частности со стенками сосуда, в котором она содержится), находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости.

Молекула в глубине жидкости испытывает притяжение со стороны окружающих ее молекул, которые находятся внутри некоторой сферы с центром в данной молекуле, называемой сферой молекулярного действия. Радиус такой сферы равен нескольким эффективным диаметрам молекулы (Рис. 1). Равнодействующая сил притяжения равна нулю. Молекулы в пограничном слое окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон. В сферу молекулярного действия попадают и молекулы среды, с которой жидкость граничит. Поэтому равнодействующая сила, действующая на молекулу в пограничном слое, направлена либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды. В случае, когда жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т.е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что вдали от критической температуры плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре, поэтому сила притяжения, испытываемая молекулами поверхностного слоя со стороны молекул жидкости много больше, чем со стороны молекул пара.

Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой сопровождается совершением над молекулой действующими на нес в поверхностном слое силами отрицательной работы. В результате кинетическая энергия молекулы уменьшается, а потенциальная увеличивается. Поверхностный слой в целом обладает дополнительной энергией, которая входит составной частью во внутреннюю энергию жидкости. Поскольку энергия Us поверхностного слоя должна быть пропорциональна площади поверхности. то изменение площади поверхности dS повлечет за собой изменение потенциальной энергии

Коэффициент α является основной величиной, характеризующей свойства жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (α > 0).

Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения представляет собой дополнительную потенциальную энергию, которой обладает единица площади поверхностного слоя.

Р ис. 1.

Силы, действующие на молекулу в глубине жидкости и на поверхности, на границе с собственным паром. На молекулу в поверхностном слое действует сила, направленная вглубь жидкости.

Поскольку система в положении равновесия занимает состояние, при котором се потенциальная энергия минимальна, то жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности. Поэтому должны существовать силы, стремящиеся сократить поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Они направлены вдоль поверхности жидкости по касательной к ней. Тогда коэффициент поверхностного натяжения α можно определить, как силу, действующую на единицу длины контура поверхности.

Ранее было сказано, что молекула в поверхностном слое взаимодействует не только с молекулами самой жидкости, но и с молекулами среде, с которой жидкость граничит. Поэтому понятие коэффициента поверхностного натяжения, которое введено выше, относится к случаю, когда жидкость граничит со своим собственным паром.

Коэффициент поверхностного натяжения σ зависит от:

1. Природы жидкости (у «летучих» жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у «нелетучих» – воды, ртути и жидких металлов).

2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

3. Наличие поверхностно активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например, мыла или стирального порошка.

4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Отметим, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади поверхности, так как для одной отдельно взятой приповерхностной молекулы абсолютно неважно, сколько таких же молекул вокруг. Обратите внимание на таблицу, в которой приведены коэффициенты поверхностного натяжения различных веществ, при температуре  : 

Зависимость от температуры.

С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается и равна нулю при критической температуре. Наиболее известная эмпирическая зависимость поверхностного натяжения от температуры была предложена ЛорандомЭтвёшом. В настоящее время получен вывод теоретической зависимости поверхностного натяжения от температуры в области до критических температур.

П оверхностное натяжение зависит от температуры. Для мн. Однокомпонентных неассоциированных  жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критичной температуры хорошо выполняется линейная зависимость:

где σ и σ₀-поверхностное натяжение при температурах T и T₀ соответственно, α ≈ 0,1 мН/(м·К)-температурный коэффициент поверхностного натяжения. Основной способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ). Хорошо известно, что снижение поверхностного натяжения достигается введением в жидкость ПАВ, уменьшающих ее свободную поверхностную энергию (мыло, жирные кислоты). Это обусловлено тем, что силы взаимодействия между молекулами примеси и растворителя обычно не равны силам взаимодействия между молекулами чистого растворителя. Если первые из упомянутых сил меньше, чем вторые, то такие вещества называются поверхностно-активными. Так как молекулы примеси притягиваются молекулами растворителя слабее, чем молекулы самого растворителя, то молекулы растворителя из поверхностного слоя втягиваются внутрь жидкости. В результате этого в поверхностном слое увеличивается концентрация молекул примеси, вследствие чего и уменьшается поверхностное натяжение. Поверхностный слой оказывается обедненным молекулами растворителя и обогащенным молекулами примеси. Это явление носит название адсорбции. Им объясняется устойчивость жидких пленок, пены и т.д. Адсорбция является процессом, который сопровождается понижением свободной энергии поверхностного слоя жидкости. Поэтому в эксперименте, было решено проверить на сколько изменится коэффициент поверхностного натяжения чистой воды при комнатной температуре и раствор мыла в воде при тех же условиях.

Условия на границе жидкости и твердого тела.

При соприкосновении жидкости и твердого тела, поверхностная энергия жидкости и форма, которую принимает поверхность, определяется соотношением трех действующих на жидкость тел: силы тяжести, сил взаимодействия молекул жидкости друг с другом, сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела и пара, с которыми жидкость граничит. Характеристикой трех последних из перечисленных сил служит краевой угол θ, т.е. угол, отсчитываемый внутри жидкости и образованный касательными к поверхности жидкости и к поверхности твердого тела (Рис. 2). Если краевой угол 0 ≤ θ < π/2, то говорят, что жидкость частично смачивает поверхность твердого тела. При θ = 0 имеет место полное смачивание. Если краевой угол π/2 ≤ θ ≤ π, то говорят о частичном несмачивании поверхности твердого тела жидкостью. При θ = π имеет место полное несмачивание.

Р ис. 2. К определению краевого угла: а) частичное смачивание поверхности твердого тела жидкостью, б) частичное несмачивание поверхности твердого тела жидкостью.

При выполнении работы в прошлом году я увидела, что значения поверхностного натяжения для некоторых веществ отсутствуют. Так же, отсутствуют и значения поверхностного натяжения, если используют кольцо из разных материалов. Поэтому, в этом году я решила проверить, как изменится поверхностное натяжение и динамика действий его сил в различных жидкостях, а также, если материал, из которого сделано кольцо, тоже будет изменяться.

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.

Между нижним краем кольца (1) и опускающейся поверхностью воды (3) образуется упругая водяная пленка. При дальнейшем опускании уровня воды пленка несколько растягивается и оттягивает вниз смоченный водой край кольца, а вместе с тем растягивает и упругую пружину динамометра (2), на которой висит кольцо. Стрелками на рисунке (Рис.3) указано направление сил поверхностного натяжения жидкости на границе с кольцом.

Р ис.3.

Однако, в моей работе вместо динамометра используются датчики, которые передают в программу на компьютере все колыхания, которые они чувствуют. Как при погружении кольца в жидкость, так и при его выведении.

Основные формулы для расчета поверхностного натяжения и ошибки:

Вещества, взятые для проведения работы и их свойства. Поверхностно активные вещества.

Вещества, взятые для проведения работы их свойства:

Вода - из всех жидкостей, кроме ртути, имеет самое большое поверхностное натяжение.

Мёд –  представляет собой густую, прозрачную, полужидкую массу, которая с течением времени постепенно начинает кристаллизоваться и затвердевать. Если набрать ложкой мед и повертеть ею, то несозревший мед стекает с нее. Созревший же мед наматывается на ложку складками, как лента, а стекает с неё не разрывающимися нитями. 

Растительное масло - обладает вязкостью, которая сильно уменьшается при повышении температуры и возрастает при понижении, преломляют свет. 

Машинное масло – вязкость повышается вместе с повышением давления.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - вызывает снижение поверхностного натяжения веществ.

Поверхностно-активные вещества – это химические соединения, способные накапливаться на поверхности соприкосновения двух тел или двух термодинамических фаз (называемых поверхностью раздела фаз), и вызывающие снижение поверхностного натяжения веществ, образующих эти фазы.

Способы очищения кольца от веществ, задействованных в ходе работы.

С очищением от воды не возникает сложностей, ведь кольцо можно протереть обычной сухой салфеткой.

С очищением от меда тоже проблем не очень много. Достаточно промыть горячей водой, ведь при большой температуре остатки меда растают, и его можно будет смыть.

Очистить вещь от растительного масла поможет обычное средство для мытья посуды, ведь оно отлично расщепляет жир.

От машинного масла можно очиститься: хозяйственным мылом, жидким мылом, средством для мытья посуды, содой, мелкой солью. Все зависит от того, что вы хотите очистить от машинного масла и от степени загрязнения им. Так же в можно купить средства-растворители масляных клякс.

Так как ПАВ входят в состав: моющих средств для посуды, шампуни, гели для душа и т.п., его можно смыть обычной водой.

Ход работы:

В течении работы следить за температурой.

Вращая винт, опустить платформу.

Наполнить чашку Петри, примерно, наполовину веществом.

Установить чашку на платформу.

Подвесить кольцо на крючок.

Медленно вращая винт, поднять платформу так, чтобы кольцо касалось поверхности жидкости.

Запустить компьютерную программу трансляции данных и установить значения параметров.

Очень медленно поднимать платформу, вращая винт, пока кольцо не погрузится полностью в вещество.

Очень медленно опускать платформу, вращая винт, пока кольцо не оторвется от поверхности вещества. Повторила измерения 5 раз. Закончила измерения в программе.

На экране компьютера получить кривую зависимости силы, действующей на кольцо, от времени.

Найти среднее значение силы отрыва. Измерить внутренний диаметр и толщину кольца. Вычислить среднее значение диаметра кольца.

Найти коэффициент поверхностного натяжения и погрешность измерения.

Обработка результатов измерений. Определение коэффициента поверхностного натяжения

Кривая зависимости силы, действующей на кольцо, позволяет найти разницу между весом кольца (точка А на рис. 4) и силой, действующей на кольцо в момент отрыва (точка В на Рис.4). По мере вытаскивания кольца из жидкости на него начинает действовать сила поверхностного натяжения, кроме того, вместе с кольцом поднимается и пленка жидкости, ее вес несколько увеличивает вес кольца, поэтому на участке АВ сила растет. В точке В сила резко уменьшается, что соответствует отрыву пленки жидкости. В точке С сила достигает значения равного весу кольца, но, поскольку кольцо совершает короткое колебание в пределах одного периода, то и сила испытывает осцилляции (участок CDEF на Рис.4). Из-за случайных толчков установки пленка жидкости отрывается от кольца не сразу по всему периметру, а постепенно, хотя и достаточно быстро. Поэтому при многократном повторении опыта значения силы в момент отрыва кольца несколько различаются.

Рис.4

Вода. Кольцо из стали. (Рис.5)

Вода. Кольцо из латуни. (Рис.6)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,009 и 0,008Н, для кольца из латуни 0,012 и 0,01 Н. Также видим, что одно колебание жидкости для латуни имеет одинаковые амплитуды и вверх, и вниз и амплитуда составляет 0,003 Н, для стали вверх амплитуды колебания почти нет, но вниз под действием кольца опускается на 0,006Н. Из-за того, что измерение силы поверхностного натяжения начинаются с разных отрицательных значений, на первый взгляд может показаться довольно сложным определить, в опыте с каким из двух колец сила натяжения больше. Однако, при расчетах видно, что сила поверхностного натяжения намного больше при опыте со стальным кольцом, чем с кольцом из латуни. Верхние пики графика обозначают момент отрыва водной пленки от кольца при его поднятии. Нижние же пики обозначают соприкосновение кольца с водной поверхностью при его погружении.

Вода с ПАВ. Кольцо из стали. (Рис.7)

Вода с ПАВ. Кольцо из латуни. (Рис.8)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,005 и 0,004 Н, для кольца из латуни 0,009 и 0,008 Н, т.е ПАВ примерно на одинаковую величину уменьшили вес и соответственно уменьшили значение поверхностного натяжения. Также видим, что одно колебание жидкости для стали имеет вверх амплитуду равной 0,003 Н, а вниз амплитуда составляет 0,002Н, для латуни имеет вверх амплитуду равной от 0,003 до 0,004 Н, а вниз под действием кольца опускается от 0,001 до 0,002 Н. Таким образом амплитуда колебания жидкости воды с ПАВ по сравнению с водой тоже уменьшилась. При расчетах поверхностного натяжения воды с ПАВ видно, что сила поверхностного натяжения больше при опыте со латунным кольцом, чем с кольцом из стали. Верхние пики графика обозначают момент разрыва мыльной пленки при поднятии кольца. Большее количество пиков объясняется тем, что остатки мыльного раствора, которые находятся в кольце в виде мыльной пленки, соприкасаются с поверхностью раствора при его погружении.

Растительное масло. Кольцо из стали. (Рис.9)

Растительное масло. Кольцо из латуни. (Рис.10)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,004 и 0,005 Н, для кольца из латуни 0,005 и 0,004 Н. Также видим, что одно колебание жидкости для стали имеет вверх амплитуду равной 0,003 Н, а вниз амплитуда составляет 0,001 Н, для латуни имеет вверх амплитуду равной 0,002 Н, а вниз под действием кольца опускается на 0,002 Н. Итак, при расчетах видно, что сила поверхностного натяжения примерно одинакова при опыте со стальным кольцом и с кольцом из латуни для растительного масла.

М ашинное масло. Кольцо из стали. (Рис.11)

Машинное масло. Кольцо из латуни. (Рис.12)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,009 и 0,008 Н, для кольца из латуни 0,005 и 0,004 Н. Также видим, что одно колебание жидкости для стали имеет вверх амплитуду равной 0,004 Н, а вниз амплитуда составляет 0,002 Н, для латуни имеет вверх амплитуду равной 0,004 Н, а вниз под действием кольца опускается на 0,001 Н. Однако, при расчетах видно, что сила поверхностного натяжения больше при опыте со стальным кольцом, чем с кольцом из латуни. Амплитуда колебаний для двух колец будет одинаковая для машинного масла, в отличие от растительного масла, где было различие.

Мёд. Кольцо из стали. (Рис.13)

Мёд. Кольцо из латуни. (Рис.14.)

Вес кольца из стали по оси ОY соответствует значениям между 0,01 и 0,008 Н, для кольца из латуни 0,006 и 0 Н. Также видим, что одно колебание жидкости для стали имеет вверх амплитуду равной 0,016 Н, а вниз амплитуда составляет 0,01 Н, для латуни имеет вверх амплитуду равной 0,004 Н, а вниз под действием кольца опускается на 0,009 Н. Однако, при расчетах видно, что сила поверхностного натяжения больше при опыте с кольцом из латуни, чем со стальным кольцом. Верхние пики графика обозначают момент разрыва пленки поверхности меда при поднятии кольца. Нижние пики означают соприкосновение кольца с поверхностью меда. При поднятии с кольца стекали остатки меда, что, разумеется так же повлияла на значение силы и поверхностного натяжения. Значение поверхностного натяжения при опыте с медом намного больше из-за того, что он имеет большую массу, чем остальные вещества. Так же, у него большая плотность и вязкость.

Вывод

Как видно из таблицы при определение поверхностного натяжения самое большое значение у мёда и меньше всего у воды с ПАВ. Также если использовать стальное кольцо или латунное кольцо, то поверхностное натяжение меняется, то есть, надо учитывать силу взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. И делать в дальнейшем перерасчёт, чтобы были точные значения сил поверхностного натяжения.

Литература

Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по теме: «Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца».

Лабораторная работа 162 определение коэффициента поверхностного натяжения воды на границе с воздухом метод отрыва кольца.

https://sites.google.com/site/opatpofizike/home/poverhnostnoe-natazenie-v-zidkostah

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3421.html

https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-termodinamiki/poverhnostnoe-natyazhenie

https://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/molek/uchpos/text/m6_08.htm