Изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры.

Изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры

Изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры.

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Лабораторнаяработа №161

I. Цельи содержание работы

Цельюработы являетсяизучение температурной зависимостиповерхностного натяжения жидкости.работы состоитв использовании метода максимальногодавления в пузырьке воздуха дляопределения коэффициента поверхностногонатяжения воды при различных температурах.

II. Краткаятеория работы

Жидкости и твердыетела, в отличие от газов, находятся вконденсированном состоянии, когда атомыили молекулы вещества связаны междусобой.

Средней энергии теплового движениянедостаточно для самопроизвольногоразрыва этой связи, поэтому конденсированноетело сохраняет свой объем.

Однако вотличие от твердых кристаллическихтел, жидкости под действием внешних силмогут легко изменять свою форму, приэтом их объем остаетсяпрактически неизменным.

Соотношение междусредней кинетической энергией молекул(),которая является мерой интенсивностиих хаотического движения, и потенциальнойэнергией взаимодействия между молекулами(),определяющейвозможный порядок в их пространственномрасположении, является решающим факторомдля образования агрегатного состояниявещества.

Твердое телообразуется при условии, что (преобладаетпорядок).В газообразномсостоянии, где ,господствует беспорядок.В случаежидкости, когда оба вклада соизмеримы–,мы имеем самую сложную ситуацию. Обычносчитают, что в жидкости имеется некаяупорядоченность в ближайшем окружениимолекул (так называемый ближний порядок),при отсутствии дальнего порядка.

Характернойособенностью всех тел, находящихся вконденсированном состоянии, являетсяналичие у них свободных поверхностей,ограничивающих их объем. Так, объемжидкости, налитой в сосуд, всегдаограничен стенками сосуда и газом(обычно над поверхностью жидкостинаходится насыщенный пар и газообразныйвоздух).

На границах разделамолекулы жидкости находятся в условиях,отличных от условий внутри объемажидкости. Это отличие связано с разнойплотностью газа и жидкости (или твердоготела). Например, при нормальном атмосферномдавлении и температуре 100°С плотностьводы равна ,а водяного пара ,т.е. в 1600 раз меньше.

Это означает, что вединице объема воды в 1600 раз большемолекул, чем в единице объема водяногопара (плотность есть произведение массымолекулы на концентрацию молекул).

Еслиучесть, что объем пропорционален кубулинейных размеров, то расстояния междумолекулами пара в (1600)1/312 раз больше, чем расстояния междумолекулами воды при тех же условиях.

Аналогичный результатполучается и для других веществ. Приэтом оказывается, что расстояния междумолекулами в жидком и твердом состоянииотличаются мало (всего лишь на несколькопроцентов), в то время как в газахрасстояния между ними (при не оченьбольших давлениях) на порядок больше.

Межмолекулярныесилывзаимодействияиграют определяющую роль в образованиии свойствах конденсированных сред. Чтокасается поверхностных явлений, то дляних важна разница в молекулярных силахв граничащих средах: газ/жидкость,газ/твердоетело,жидкость/газ.

Молекулярные силыобладаютрядом интересных особенностей. Во-первых,это короткодействующиесилы, проявляющиеся только на расстояниях,порядка эффективных размеров самихмолекул.

Начиная с некоторого расстояния(которое называется радиусоммолекулярного действия),взаимодействием молекул можно пренебречь.Радиус молекулярного действия имеетвеличину порядка 10-9м, что не превышает нескольких диаметровмолекулы.

В газах, где расстояния междумолекулами примерно на порядок больше,чем в жидкостях или твердых телах,действием молекулярных сил можно вбольшинстве случаев пренебречь.

Силыпритяжения(),проявляющиеся в радиусе молекулярногодействия, при дальнейшем сближениимолекул на расстояния порядка линейныхразмеров самих молекул сменяются силамиотталкивания(),которые убывают с расстоянием значительнобыстрее сил притяжения. Обычно считают,что силы притяжения –а силы отталкивания – ,так что результирующая сила имеет вид:

,

где и постоянные, характеризующие данныемолекулы (рис.1).

Рис.1.Зависимость сил притяжения (),отталкивания ()

и результирующейсилы ()от расстояниямежду молекулами

Молекулярныесилы имеют электрическое происхождение,причем основной вклад дает дипольноевзаимодействие молекул.

Многие молекулы(в том числе и молекула воды) обладаютэлектрическими дипольными моментамив отсутствие электрического поля. Этотак называемые полярные молекулы снесимметричным строением.

Для симметричных молекул источником межмолеку лярногопритяжения является взаимодействиемгновенных диполей (природа этогоэффекта –квантовомеханическая).

Поверхностьраздела между фазами (жидкость/пар)представляет собой переходный слой, вкотором плотность меняется от плотностижидкости до плотности пара. При обычныхтемпературах этот слой тонок (его толщинаизмеряется несколькими молекулярнымидиаметрами), при повышении температурыпереходный слой увеличивается.

Молекулы вповерхностном слое находятся в условиях,отличных от условий внутри жидкости:внутри жидкости они окружены со всехсторон такими же молекулами, а вблизиповерхности имеют одинаковых с нимисоседей лишь с одной стороны (рис. 2).

Рис.2. Молекулывблизи поверхности и внутри жидкости

С учетомотрицательности потенциальной энергиивзаимодействия молекул оказывается,что молекулы в поверхностном слое должныиметь большую энергию по сравнению смолекулами внутри жидкости.

Таким образом,поверхностный слой обладает избыточнойэнергией, обусловленной различиеммежмолекулярных взаимодействий в обеихфазах. Разность между энергией всехмолекул (обеих сред) вблизи поверхностираздела и той энергией, которую этимолекулы имели бы, если бы они находилисьвнутри жидкости, называется поверхностнойэнергией .

Очевидно,что поверхностная энергия пропорциональнаплощади поверхности разделаS:

(1)

Коэффициентназывается коэффициентомповерхностного натяжения(или просто поверхностнымнатяжением).

Известно,что любая система стремится достигнутьсостояния с наименьшей потенциальнойэнергией. Именно поэтому капелькижидкости (или пузырьки газа) стремятсяпринять сферическую форму, при которойплощадь поверхности минимальна.

Внекотором смысле, тонкий поверхностныйслой действует наподобие резиновойоболочки, окружающей объем жидкости.Возникающие в этом слое поверхностныесилы, направленные вдольповерхности,всегда стремятся привести к сокращениюповерхности раздела.

Однако, в отличиеот упругой пленки, натяжение которойвозрастает при растяжении пленки,величина поверхностного натяженияжидкости не меняется при измененииплощади поверхности.

Наряду с«энергетическим» определением можноввести «силовое» определение поверхностногонатяжения.

Физический смысл «силового»определения состоит в следующем: когдаповерхность жидкости ограничена линией,или контуром длины l(периметромсмачивания), то на этот контур,перпендикулярно к нему, действует силаповерхностного натяжения (F),которая лежит вплоскости, касательной к поверхностижидкости, инаправлена в сторону уменьшения ееплощади. Коэффициентомповерхностногонатяженияназывается отношение этой силы к длинеконтура:

(2)

Для иллюстрациивышесказанного можно рассмотретьследующий простой пример. Представимсебе пленку жидкости, натянутую напроволочную рамку, одна из сторон которой(с длиной l)может свободно перемещаться (рис. 3).

Рис. 3. Пленкажидкости, натянутая на рамку.

Благодарястремлению поверхности уменьшаться,на проволочку будет действовать сила,которую на подвижной части рамки можнонепосредственно измерить. Эта силаопределяется производной от потенциальнойэнергии по координате вдоль направлениядействия силы:

Так какплощадь поверхности одной стороныпленки равна то (сравнис формулой (2)). Это и есть сила, действующаяна отрезок lрамки, которая обусловлена поверхностнымнатяжением на одной стороне пленки (таккак пленка имеет две стороны, то всегона отрезок lдействуетвдвое большая сила). Знак минус показывает,что эта сила направлена внутрь поверхностипленки.

Поверхностноенатяжение зависит от природы соприкасающихсясред и их состояния. Для сравнения нижеприведены значения поверхностногонатяжения на границе жидкость/пар дляразличных веществ (при температуре20°С):

Вещество, мН/м
Ртуть484
Вода72,750,25
Глицерин64
Бензол29
Гексан18,4
Двуокись углерода1,16

Подчеркнемеще раз, что поверхностное натяжениехарактеризует различие в молекулярныхвзаимодействиях в обеих фазах, образующихповерхность раздела.

Поэтому необходимыми достаточным условием существованияповерхности раздела (а, следовательно,и поверхностного натяжения) является,во-первых, наличие молекулярных силпритяжения, приводящих к конденсации,и, во-вторых, различие в величине этихсил в граничащих фазах.

Величинаповерхностного натяжения может сильноменяться при введении в жидкостьпримесей. Существует целый класс такназываемых поверхностно-активныхвеществ (ПАВ),способных адсорбироваться на поверхностираздела фаз, с соответствующим понижениемих поверхностного натяжения. Для водытакими веществами являются, например,различные мыла.

Поверхностноенатяжение на границе раздела нефть/водав среднемпорядка (Н/м). Для увеличения нефтеотдачи пластовчасто требуется снизить межфазноенатяжение.

Эффективным методом являетсяметод заводнения пластов растворамиПАВ или нагнетание в пласт щелочныхвод, которые способствуют образованиюнатриевых мыл вблизи поверхности разделавода/нефть и тем самым уменьшениюповерхностного натяжения нефти награнице с водой.

Введение впласт углекислого газа СО2(растворенного в воде или в жидком виде),благодаря чему происходит взаимноерастворение углекислоты в нефти иуглеводородов в жидком СО2,также приводит к снижению межфазногонатяжения.

Рассмотримтеперь зависимостьповерхностного натяжения от температуры.С повышением температуры наблюдаетсяуменьшение коэффициента поверхностногонатяжения на границе жидкость/пар.

Этовызвано тем, что с повышением температурыплотность пара над жидкостью возрастает(благодаря усилению процесса испарения),а плотность жидкости уменьшается (хотяи не столь существенно, как для пара).

Врезультате, разность в их плотностяхуменьшается, а, следовательно, уменьшаетсяи разница в молекулярных взаимодействияхв граничащих фазах.

Если прималой плотности газа (по сравнению сплотностью жидкости) можно было пренебречьвзаимодействием молекул поверхностногослоя с молекулами пара (см. рис.2), тотеперь это взаимодействие становитсявсе заметнее.

Наконец, при критическойтемпературе,когда сравниваются плотности жидкой игазовой фаз, различие между жидкостьюи паром вообще исчезает.

При этом исчезаетграница раздела фаз, и коэффициентповерхностного натяжения становитсяравным нулю.

Еслиповерхность раздела фаз не плоская, топо обе стороны искривленной поверхностисуществует разность давлений, вызваннаяповерхностным натяжением. Это добавочноедавление называется поверхностнымили капиллярнымдавлением().

Величинаэтого избыточного давления зависит откривизны поверхности и определяетсяформулойЛапласа:

(3)

здесь и – главныерадиусы кривизны поверхности. Для разныхповерхностей имеем:

  • плоская (= ) 
  • сферическая () 
  • цилиндрическая (, ) 

Для плоскойповерхности жидкости силы поверхностногонатяжения, направленные вдоль поверхности,не создают дополнительного давления:давление внутри жидкости равно внешнемудавлению.

Для выпуклой поверхности(например, капля жидкости в воздухе)стремление поверхности к уменьшениюприводит к сжатию капли, и давлениевнутри жидкости оказывается большедавления окружающего воздуха.

В случаевогнутой поверхности жидкости (пузырекгаза в жидкости) давление внутри жидкостиоказывается меньше, чем внутри газовогопузырька (этот случай иллюстрируетсяна рис. 4). Вообще, избыточное давлениевсегда имеется в той из двух соприкасающихсясред, в сторону которой поверхностьраздела вогнута.

RR

Источник: https://gigabaza.ru/doc/36518.html

ISSN 1996-3955 ИФ РИНЦ = 0,570

Изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры.
1 Масимов Э.А. 1 Эйвазов Э.А. 2 Ибрагимли А.Б. 2 Мирзоева Г.Г.

2 1 Бакинский Государственный Университет»2 Азербайджанский Государственный Педагогический Университет» Методом потенциалов установлено, что вне зависимости от природы жидкости коэффициент поверхностного натяжения определяется как σ = 2q(TK T)/(TK + T), где q – удельная теплота поверхностообразования, TK – критическая температура.

Удельная теплота поверхностообразования (УТП), согласно нашему подходу, в свою очередь, также зависит от температуры: q = q0 + α∙(T Tпл). (q0  – удельная теплота поверхностообразования при температуре плавления, α – термический коэффициент (УТП).

С учётом температурной зависимости теплоты поверхностообразования, посредствам нами установленного аналитического вырожения для σ можно вычислить температурную зависимость коэффициент поверхностного натяжения.

С учётам постоянство термического коэффициента теплоты поверхностообразования (α = Сonst) по значениям поверхностного натяжения при двух произвольных температурах для девяти разно-родных жидкостей вычислена температурная зависимость коэффициента поверхностного натяжения.

Выявлено, что вычисленные нами предложенным методом значения σ удовлетворительно согласуются с имеющимся экспериментальными значениями. Подытоживая вышесказанные можно сказать, что в настоящей работе предлагается некий полуфеноменологический универсальный подход для поверхностного натяжения жидкостей. Теплота поверхностообразования 1. Кикоина И.К.

Таблицы физических величин. Справочник под ред.акад. – М.,1976.
2. Кракстон К. Физика жидкого состояния. – М.: Мир, 1978. – 287с.
3. Ландау Л.Д., Лифщиц Е.М. Статическая физика. – М.: Наука, 1964. – 565 с.
4. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Изд. 2-е., М., Наука, 1972. – 537с.
5.

 Резибуа Пьер, Де Ленер, Классическая кинетическая теория жидкостей и газов. – М.: Мир, 1980. – 318 с.
6. Салем Р.Р. Журнал физ. химии, 76, 2002, 2232 с.
7. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения жидкостей. – М.: Мир, 1963.
8. Киттель Ч. Статическая термодинамика. – М.: Наука, 1977. – 336 с.
9. Эйвазов Э.А. и др., Ввдение в молекулярную физику и термодинамику. – Баку, 2010. – 602 с.

Природа и температурная зависимость поверхностного натяжения жидкостей в течении более чем ста лет исследовались многими авторами [2; 5; 6; 7]. Однако, на сегодняшней день не существуют подходов, или теории поверхностного натяжения жидкостей хотя бы качественно носящих универсальный характер.

В настоящей работе предлагается некий полуфеноменологический подход, позволяющий вычислить температурную зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкостей во всей области температур существования жидкости.

Методами термодинамических циклов [9], а также потенциалов [3] можно показать, что термический коэффициент поверхностного натяжения жидкости, в общем случае, определяется как

, (1)

где q – количество тепла, поглощающееся при обратимом изотермическом изменении единичной площади поверхности, равно разности удельной поверхности энергии и работы при изотермическом расширении поверхности раздела на единицу.

Эту величину в дальнейшем будем называть удельной теплотой поверхностообразования (УТП). Очевидно, что УТП является функцией от температуры, т.е. q = q(Т).

Если пренебречь этой зависимостью и учесть, что в критической точке (Т = ТК) поверхностного натяжение жидкости равно нулю (σ = σк = 0), то из (1) имеем

. (2)

Выражению (2) можно придать более удобный для практических целей вид. Для этого будем исходит из того, что при х > 0 . Тогда (2) примет следующий вид

. (3)

Рис. 1. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от : 1 – этиловый спирт, 2 – ацетон

Рис. 2. Температурная зависимость удельной теплоты поверхностообразования (точки-формула (3), сплошные линии – формула (6), 1 – вода, 2 – ацетон)

Как следует из (3), коэффициент поверхностного натяжения жидкости с увеличением температуры уменьшается и при Т = ТК равняется нулю. Отметим, что индивидуальность жидкости, а также зависимость σ от чистоты жидкости и внешних условий в (3) отражены через ТК и q,соответственно.

Поскольку к настоящему времени критические температуры практически всех жидкостей известны, то, в принципе, по значению коэффициента поверхностного натяжения при одной температуре посредством (3) можно вычислить УТП (q), и, тем самым, определить температурную зависимость поверхностного натяжения во всей области существования жидкости.

Однако, анализ, проведенный для ряда жидкостей, показал, что вычисленные вышеописанным способом значения поверхностного натяжения значительно (~ 20 %) отличаются от соответствующих экспериментальных значений. Естественно полагать, что это расхождение, в первую очередь, связанно с допущением, сделанным нами при выводе (3), о температурной независимости УТП.

При правомерности сделанного предположения, как это следует из (3), в координатах σ = F(TK – T)/(TK + T) должна наблюдаться нелинейная зависимость. В качестве примера (рис. 1) приведены результаты таких сопоставлений для этилового спирта и ацетона. (Экспериментальные значения σ и ТК были заимствованы из [4]). Как видно, в обоих случаях имеет место вышеупомянутая нелинейность.

Следовательно, при вычислении σ = σ(Т) по (3) необходимо учесть температурную зависимость УТП q = q(Т).

Температурная зависимость удельной теплоты поверхностообразования, вычисленная посредством (3) по экспериментальным значениям σ и ТК для некоторых жидкостей приведена на рис. 2.

Как видно, во всех случаях зависимость q = q(Т) вплоть до критической температуры является линейной, т.е.

термический угловой коэффициент УТП для каждой жидкости есть постоянная величина и не зависит от температуры. Тогда очевидно, что

. (4)

При температуре плавления твердой фазы выбранной жидкости (Т = Тпл) q обозначим через q0. Тогда из (4) следует, что постоянная интегрирования

. (5)

Из (4) и (5) находим, что

. (6)

Подставляя (6) и (1), после интегрирования, получим

. (7)

Поскольку при Т = ТК σ ≡ и

,

то после простых преобразований из (7) имеем:

. (8)

(8) позволяет при известных q0 и α вычислить температурную зависимость коэффициента поверхностного натяжения во всей области существования жидкости вплоть до критической температуры. Оно является универсальным выражением, т.к. при его выводе не было сделано каких-либо предположений о природе жидкости.

Таблица 1

Значения ТК, Тпл, q0 и α для жидкостей

ВеществаПараметрыЭтиловыйспиртМетиловыйспиртАцетонВодаNaKRbCsHg
ТК, К516513508,8647,325002250210020501460
Тпл, К158,3175176,5273371337313302234
q0∙103, Дж/м2– 24,11– 25,61– 15,132,1559,5620,7026,4328,10-107,45
α∙105, Дж/К∙м226,8429,7522,8432,896,775,904,042,350,72

Таблица 2

Табличные (σТ) и вычисленные (σв) по (8) значения поверхностного натяжения жидких металлов Na и Cs

Т, КσТ, эрг/см2σв, эрг/см2σв/σТ
NaCsNaCsNaCs
400192,166,7192,0967,070,9991,005
450187,164,3186,7164,480,9981,003
500182,161,9181,3961,950,9961,000
550177,159,5176,159,480,9940,999
600172,157,1170,957,060,9930,999
650167,154,7165,7554,680,9920,999
700162,152,3160,6652,340,9911,000
750157,149,9155,650,050,9901,003
800152,147,5150,647,800,9901,006
900142,1140,80,991

Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента поверхностного натяжения: 1 – этиловый спирт, 2 – ацетон; точки-эксперимент, сплошные линии-вычислены по формуле (8)

Как это вытекает из (6), величины q0 и α является для выбранной жидкости постоянными величинами.

Поэтому по значениям σ при произвольных двух температурах (полагается, что Тпл и ТК известны) посредством (8) можно вычислить q0 и α, и тем самым, установить явный вид температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения для данной жидкости. Результаты соответствующих вычислений для девяти разных жидкостей приведены в табл. 1–2 и рис. 3.

Как следует из табл. 2 и рис. 3, во всей температурной области существования жидкой фазы табличные и вычисленные по формуле (8) значения поверхностного натяжения достаточно хорошо согласуются между собой. Это, в частности, свидетельствует о приемлемости предложенного нами полуфеноменологического подхода.

Таким образом, в настоящей работе предложен и проанализирован эффективный полуфеноменологический метод, позволяющей по экспериментальным значениям коэффициента поверхностного натяжения жидкости при двух произвольных температурах вычислить температурную зависимость σ = σ(Т) и q = q(Т) вплоть до критической температуры. На примере девяти разных жидкостей установлена универсальность и приемлемость предложенного метода.

Библиографическая ссылка

Масимов Э.А., Эйвазов Э.А., Ибрагимли А.Б., Мирзоева Г.Г. АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-4. – С. 622-624;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7990 (дата обращения: 02.03.2020).

Источник: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7990

1.2. Зависимость поверхностного натяжения жидкостей от температуры

Изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры.

Следующая страница • • Предыдущая страница

Как известно, с увеличением температуры интенсивность межмолекулярного взаимодействия уменьшается, поэтому снижается и поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом или с собственным паром. Вдали от критической температурыповерхностное натяжение уменьшается прямо пропорционально росту температуры. Эту зависимость обычно описывают эмпирическим уравнением

 1 1.11

где s25 – поверхностное натяжение при температуре 25оС.

Температурный коэффициент поверхностного натяжения, имеющий отрицательное значение, остается постоянным вдали от критической температуры. При температуре, близкой к критической, поверхностное натяжение резко снижается вплоть до нуля.

Следует отметить, что такая зависимость справедлива только для чистых жидкостей, тогда как для растворов наряду с изменением поверхностного натяжения возможно изменение концентрации растворенного вещества в поверхностном слое, что приведет к вторичным эффектам, способным вызвать повышение поверхностного натяжения.

Полная внутренняя энергия при изменении температуры вдали от критической остается практически неизменной (изменяется лишь при температуре, близкой к температуре исчезновения поверхности раздела фаз).

Эмпирическое уравнение, устанавливающее зависимость поверхностного натяжения от температуры, предложил Этвеш. Интегральная форма этого уравнения имеет вид

, (1.1.14)

где Vm- молярный объем жидкости; K- постоянная; Tс- критическая температура.

Учитывая предложенное Ван-дер-Ваальсом уравнение

, (1.1.15)

где n=11/9 для многих органических жидкостей, n=1 для металлов; s0 – гипотетическое поверхностное натяжение при температуре 0 K; для постоянной K уравнения (1.1.14) получаем выражение

. (1.1.16)

Уравнения (1.1.15) и (1.1.16) достаточно корректны для неполярных жидкостей, а для воды дают большую погрешность. Из уравнения (1.1.16) следует размерность постоянной K [Дж/град·моль2/3], что не имеет физического смысла.

Если относить эту постоянную к одной молекуле, то для большинства жидкостей получается величина, соответствующая постоянной Больцмана Из этого следует, что уравнение Этвеша достаточно строго можно вывести из статистико-механической теории жидкостей.

Строгое уравнение зависимости поверхностного натяжения от температуры можно получить из уравнения Гиббса-Гельмгольца

, (1.1.17) где индекс s указывает на отнесение энтальпии энергии Гиббса и энтропии к единице площади поверхности. Часто энтальпия и полная внутренняя энергия поверхности неразличимы и могут хорошо аппроксимировать друг друга. Поэтому уравнение (1.1.17) можно записать , (1.1.18)

или, учитывая, что для единицы площади поверхности Gs=s, запишем

, (1.1.19) где . Учитывая, что , (1.1.20)

можем записать для единицыплощади поверхности

(1.1.21)

поэтому

, (1.1.22)

или

. (1.1.23)

Уравнение (1.1.23) описывает зависимость поверхностного натяжения от температуры. Уравнение (1.1.22) может быть также записано в виде

, (1.1.24)

где U — внутренняя энергия молекул на единице площади поверхности; UL- внутренняя энергия молекулы в объеме жидкости; — общее число молекул на единице площади поверхности.

Уравнение (1.1.24) известно как уравнение Гугенгейма-Гудриха.

Зная температурный коэффициент поверхностного натяжения, можно рассчитать внутреннюю энергию поверхности. Для многих неполярных жидкостей энергия Us остается постоянной и в широкой области температуры вплоть до критической, вблизи которой как s, так и Us резко уменьшаются вплоть до нуля.

Действительно, независимость Us от температуры становится очевидной, если продифференцировать по температуре уравнение Гиббса-Гельмгольца для поверхностного слоя:

. (1.1.25)

Поскольку для многих жидкостей первая производная поверхностного натяжения по температуре имеет постоянную величину в широкой области температуры и лишь вблизи критической температуры теряет это свойство, то

Рис. 1.3. Зависимость энергетических параметров поверхности от температуры

, (1.1.26)

поэтому

(1.1.27)

т.е.

Us= const

Рис. 1.4. Схема изменения объема пузырька газа в жидкости

На рис. 1.3 приведена зависимость внутренней энергии поверхности и поверхностного натяжения от температуры.

При критической температуре, когда свойства пара и жидкости становятся одинаковыми и исчезает поверхность раздела фаз, все энергетические поверхностные характеристики системы стремятся к нулю, как это показано на рис. 1.3.

Следующая страница • • Предыдущая страница

Источник: http://www.xumuk.ru/colloidchem/13.html

ПОИСК

Изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры.
    Изучение зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры [c.103]

    В результате экспериментального изучения зависимости поверхностного натяжения жидкостей от температуры Менделеев открыл существование критической температуры. [c.12]

    Зависимость поверхностного натяжения от температуры. Весьма своеобразна зависимость поверхностного натяжения растворов поверхностно-активных веществ от температуры, изученная П. А. Ребиндером. Поверхностное натяжение индивидуальных жидкостей, как уже было сказано, монотонно уменьшается с температурой.

Поверхностное натяжение растворов некоторых поверхностно-активных веществ с повышением температуры может изменяться по кривой с максимумом. На рис.

V, 2 схематически изображена температурная зависимость поверхностного натяжения для индивидуальных жидкостей (/) и растворов таких поверхностно-активных веществ (2). Максимум на кривой 2 объясняется десорбций поверхностно-активного вещества в определенном ин-Тервале температур, что.

приводит к увеличению поверхностного натяжения. При более высоких температурах, после окончания процесса десорбции, поверхностное натяжение снова начинает снижаться. [c.120]

    Автор с сотрудниками провели сравнительное изучение разных пеков, в результате которого были исследованы температурные зависимости поверхностного натяжения на приборе Ребиндера (метод максимального давления в газовом пузырьке) и вязкости. Последняя рассчитывалась по формуле Пуазейля. Было установлено, что поверхностное натяжение каменноугольного пека и крекинг-остатка падает по мере увеличения температуры. Причем температурные коэффициенты поверхностного натяжения указанных веществ равны —0,22 дин см- град) (каменноугольный пек) и —0,08 дин см-град) (крекинг-остаток). Уменьшение вязкости с повышением температуры выражается экспоненциальной формулой и согласуется с формулой Френкеля, вытекающей из теории квазикристаллического состояния жидкости [18—21]. [c.37]

    Для ряда систем был определен температурный коэффициент межфазного поверхностного натяжения.

Кривая зависимости межфазного натяжения от температуры для системы олеиновая кислота—минеральное масло— вода имеет перегиб. Это указывает на резкое изменение состояния межфазного слоя, т. е.

на фазовое изменение, аналогичное подробно изученным для пленок на поверхностях раздела жидкость—газ [144]. [c.301]

    Изучение зависимостей между температурой кипения и составом показывает, что при определенном составе некоторых бинарных систем образуются азеотропные смеси, т. е. смеси, кипящие при постоянной температуре, причем эта температура может быть ниже температуры кипения любого из обоих образующих систему компонентов.

Аналогичное явление наблюдается и для зависимости между поверхностным натяжением и концентрацией растворенных веществ и примесей. Например, было показано [45, 47, 69], что небольшие количества некоторых примесей могут приводить к образованию минимума на кривых поверхностное натяжение — концентрация.

Такой минимум можно объяснить присутствием в растворе по меньшей мере двух поверхностно-активных компонентов.

Изучение избирательной адсорбции на поверхностях раздела воздух — жидкость (пена) или углеводород — вода (эмульсия) показывает, что такой минимум обычно достигается при концентрациях в основном ядре, соответствующих максимальной поверхностной концентрации компонента, присутствующего в меньшем количестве. [c.118]

    Простое выражение для поверхностного натяжения (170) с учетом равенства (171) показывает, что имеется четыре источника температурной зависимости а. Во-первых, температура явно входит в это выражение. Во-вторых, тепловое расширение жидкости вызывает небольшое изменение с. Кроме того, это изменение с приводит к изменениям т с.( ) и диэлектрической проницаемости D. Поскольку тепловое расширение расплавленных солей невелико, можно предположить, что изменение о с температурой в основном связано с первым эффектом, так что возникает простой способ оценки коэффициентов в линейном температурном законе [68], который наблюдается при изучении поверхностного натяжения расплавленных солей. [c.172]

    Экспериментальные определения свободной энергии поверхности жидкостей сравнительно просты и хорошо разработаны (23—26]. В зтом случае используется высокая подвижность их молекул, что позволяет заменить измерение энергетических величин силовыми — поверхностным натяжением.

Поверхностную энергию твердых тел обычно находят из косвенных данных [26, 27], например, на основании опытов по изучению зависимости растворимости малых частиц от их размера. Прямые методы определения поверхностного натяжения основаны на измерении нри достаточно высокой температуре вязкой ползучести твердых тел.

Тогда, как и для жидкостей, вместо энергетических величин измеряют усилия, удлиняющие листочки испытуемого материала. [c.44]

    Интересно отметить, что уравнение (П1.24) совпадает с уравнением (1И. 13), выведенным при совершенно иных физических предпосылках. Уравнение (111. 13) описывает изменение поверхностного натяжения жидкости, находящейся в равновесии с собственным паром в каком-либо закрытом сосуде.

При этом изменение температуры всегда сопровождается изменением давления в системе. Уравнение же (111.24) описывает изменение поверхностного натяжения с температурой для жидкости, находящейся в равновесии с паром в присутствии постороннего газа (например, воздуха) и при постоянном давлении (например, при атмосферном).

Поскольку экспериментальное изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры в условиях полной изоляции системы значительно сложнее, чем в присутствии малорастворимого и ма-лоадсорбируемого газа, совпадение этих уравнений имеет важное значение для практики.

Например, поверхностное натяжение большого числа жидкостей можно измерять в присутствии воздуха и при атмосферном давлении. [c.78]

    Таким образом, основным варьируемым параметром при изучении границы раздела между конденсированными фазами в двухкомпонентных системах является температура, что в некотором смысле сближает подобные границы раздела фаз с поверхностью жидкость — пар (или твердое тело — пар) в однокомшонентной системе, Рассмотрим, следуя примерно тем же путем, как это было сделано в 1 и 2 гл. I, природу температурной зависимости поверхностного натяжения границ раздела между конденсированными фазами и связь поверхностного натяжения с характером межмолекулярных взаимодействий компонентов на межфазной поверхности. [c.82]

    Опытное изучение величины поверхностного натяжения как функции температуры для самых разнообразных жидкостей показало, что подобрать одно общее уравнение для всех случаев невозможно.

Однако зависимости всегда выражены прямыми или кривьши линиями, более или менее приближающимися к прямым.

В большом числе случаев для неассоциированных жидкостей а = f(t) оказалось возможным представить в виде линейного уравнения [c.229]

    В решении вопроса о природе растворов, естественно, могло помочь изучение жидкостей, образующих раствор. Гипотеза о полимерном строении жидкостей была проверена Рамзаем и Шильдсом в 1893 г., изучившими зависимость их поверхностного натяжения от температуры.

Они пришли к выводу, что спирты и органические кислоты, подобно воде, — жидкости ассоциированные, а углеводороды, их галогенопроизводные, а также простые эфиры — жидкости неассоциированные. В 1899 г.

Ван-Лаар указал, на то, что наблюдающееся при образовании водно-спиртовых смесей уменьшение объема, а также выделение при этом тепла объясняются переходом ассоциированных молекул в неассоциированные. Эти взгляды Ван-Лаара оказались применимы и к объяснению экспериментальных данных об изменении плотности паров неводных растворов.

Классификацию жидкостей по степени их ассоциации от почти неассоциированных (нормальные пентан и его гомологи) до типично ассоциированных (вода и уксусная кислота) разработал Кистяковский [49]. [c.142]

    Понятие парахор , предложенное в работе [167], представляет собой важную характеристику молекулярного строения вещества. Для органических жидкостей парахор не зависит от температуры.

Имеется много работ, посвященных экспериментальному и теоретическому изучению парахоров различных веществ, предложены новые, более общие зависимости парахора от молекулярных параметров [168—171].

Поскольку эта величина обладает свойством аддитивности, парахоры сложных соединений можно вычислять по парахорам отдельных атомов и связей, вводя поправки на структурные парахоры, значения которых табулированы. Это дает возможность рассчитывать значение у по формуле (11.27).

Так, по значениям плотности и поверхностного натяжения жидких полиэфирдиолов, измеренным методом максимального давления в пузырьке, вычисляли парахор [172] и сравнивали это значение с расчетным, определенным по правилу аддитивности из табличных значений.

Удовлетворительное совпадение расчетного и экспериментального значений парахора дало основание сделать заключение о возможности производить определение у для полимеров, пользуясь табличными значениями парахоров [98, 171—175].

Действительно, рассчитанные по парахорам значения поверхностных натяжений жидких полимеров иногда хорошо совпадают с экспериментальными [172, 176]. Что касается возможности расчета поверхностной энергии твердых полимеров по формуле (П.

27) с использованием табличных значений парахоров, то этот вопрос, по-видимому, не может быть решен однозначно. В ряде случаев [175] значения у полимеров, найденные по формуле (11.27), совпадали со значениями у, полученными другими методами (см. табл. II.2). Однако, например для полиизобутилена, совпаде ние расчетных и экспериментальных значений у име.т1и место только для низкомолекулярных фракций [177]. К тому же следует добавить, что значения у, рассчитанные по формуле (11.27) различными авторами, существенно различаются [174, 175]. Очевидно, методика расчета у по (11.27) с учетом структурных инкрементов циклов и связей далека от совершенства. [c.71]

Источник: https://www.chem21.info/info/1459213/

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры.
Степанов  Н.В. 11ГБОУ гимназия им. С.В. Байменова города ПохвистневоАрхирейская  Т.Г. 11ГБОУ гимназия им. С.В. Байменова города Похвистнево Текст работы размещён без изображений и формул.
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).

Источник: https://school-science.ru/6/11/36322

Исследовательская работа по теме

Изучение зависимости поверхностного натяжения от температуры.

Комитет по образованию Администрации

Поспелихинского района

Алтайского края

МКОУ «Факел Социализма средняя общеобразовательная школа»

Районный конкурс для одарённых школьников и молодёжи

«Продвижение»

Направление: физика, астрономия, техника

Секция:1

от температуры и концентрации

Сахно Денис Евгеньевич,

ученица 10 класса

МКОУ «Факел Социализма СОШ»

Научный руководитель: Сокольцова Ирина

Леонидовна, учитель физики,

МКОУ «Факел Социализма СОШ»

Алтайский край

Поспелихинский район

п. Факел Социализма

2016 год

Введение………………………………………………………………………………………………..3-4

Глава 1. Коэффициент поверхностного натяжения

1.1. Поверхностное натяжение …. ………………..………………………5-6

1.2. Коэффициент поверхностного натяжения ………………………………..7

1.3. Методы определения поверхностного натяжения………………………8

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды

при различных значениях температуры………………………………..9

2.2. Определение коэффициента поверхностного натяжения растворов синтетических моющих средств при разных температурах и концентрации……………………………………………………………………………………10

Заключение……………………………………………………………………………………………..11

Список источников и литературы…………………………………………………………12

Приложения …………………………………………………………………………………….13-14.

Введение

Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма и нас самих.

Например, в медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением.  Считается, что организму более полезна «жидкая» вода, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.

Вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. В наше время очень большое значение для практического применения имеют свойства и качества воды, синтетических моющих средств.

Актуальность – удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе, технике и быту. Поверхностное натяжение играет важную роль и в жизни человека. В повседневной жизни с этим явлением мы сталкиваемся очень часто, но, мало об этом знаем, либо ничего. Поэтому эта тема нами выбрана не случайно

Объект исследования – свойства поверхностного слоя жидкости.

Предмет исследования – коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Цель исследовать зависимость поверхностного натяжения жидкостей от температуры и концентрации примесей.

Задачи:

  • Углублённое изучение явления поверхностного натяжения;

  • Ознакомиться с методами определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей;

  • Опытным путем установить зависимость коэффициента  поверхностного воды от температуры и растворов синтетических моющих средств от концентрации и температуры;

  • Проанализировать и сделать выводы.

Методы исследования

  • изучение литературы по определению коэффициента поверхностного натяжения и о методах его определения;

  • практический метод;

  • аналитический метод.

Практическая значимость – ясности в вопросе о происхождении поверхностного натяжения в настоящее время нет и что этот вопрос, нуждается не только в теоретической, но и практической разработке. Материал, изученный нами можно применять на уроках физики и химии в лабораторном практикуме, а также в быту.

Глава 1. Коэффициент поверхностного натяжения

1.1.поверхностное натяжение

Вы, вероятно, неоднократно видели на водоемах водомерок – насекомых, бегающих по воде. Если внимательно приглядеться, то можно увидеть, что поверхность 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 приложение №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 (см. рис.2 приложение №1).

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.

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.

С ростом температуры взаимодействие молекул жидкости несколько ослабляется, так как при увеличении кинетической энергии молекул жидкость «разрыхляется» и среднее расстояние между молекулами возрастает. На тот факт, на который впервые указал Д. И. Менделеев в 1860 г., для большинства жидкостей поверхностное натяжение падает с температурой практически линейно.

Кроме температуры и толщины слоя, на величину поверхностного натяжения жидкости существенно влияют растворенные в малых количествах примеси. Растворенные молекулы будут вытесняться на поверхность жидкости, и одновременно будут понижать поверхностное натяжение раствора.

1.2.Коэффициент поверхностного натяжение

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.

Поверхностное натяжение измеряется силой, с которой поверхностный слой действует на единицу длины того или иного контура на свободной поверхности жидкости по касательной к этой поверхности δ=.

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.

Чем более высокой будет температура, тем меньшим будет значение σ для чистых жидкостей.

Следствием асимметричности сил молекулярного взаимодействия переходного слоя с молекулами, которые их окружают, является представление о существовании нормальных и тангенциальных сил по отношению к поверхности раздела фаз.

Эти силы оказывают значительное воздействие на молекулы переходного слоя. Именно они являются силами молекулярного давления и поверхностного натяжения между фазами

Коэффициент поверхностного натяжения напрямую связан с силами молекулярного взаимодействия и может принимать самые разнообразные значения для различных жидкостей. У жидкостей, которые очень хорошо испаряются (спирт, бензин, эфир), показатель поверхностного натяжения не такой большой, как у жидкостей, не являющихся летучими.

1.3.Методы определения поверхностного натяжения

Существующие методы определения поверхностного натяжения делятся на три группы: статические, полустатические и динамические.

Статические методы:

Статическими методами определяется поверхностное натяжение практически неподвижных поверхностей, образованных задолго до начала измерений и поэтому находящихся в равновесии с объемом жидкости.

  • Метод поднятия в капилляре

  • метод уравновешивания пластинки (метод Вильгельми).

  • Метод лежачей капли

  • Метод определения по форме висячей капли.

  • Метод вращающейся капли

Динамические методы:

Динамические методы основаны на том, что некоторые виды механических воздействий на жидкость сопровождаются периодическими растяжениями и сжатиями ее поверхности, на которые влияет поверхностное натяжение. Этими методами определяется неравновесное значение σ.

  • Метод дю Нуи (метод отрыва кольца).

  • Сталагмометрический, или метод счета капель.

  • Метод максимального давления пузырька.

  • Метод осциллирующей струи

  • Метод стоячих волн

  • Метод бегущих волн

Полустатические методы:

Полустатическими называются методы определения поверхностного натяжения границы раздела фаз, возникающей и периодически обновляемой в процессе измерения (метод максимального давления пузырька и сталагмометрический метод), а также методы отрыва кольца.

Эти методы позволяют определить равновесное значение поверхностного натяжения, если измерения проводятся в таких условиях, что время, в течение которого происходит формирование поверхности раздела, значительно больше времени установления равновесия в системе.

  • метод наибольшего давления

  • метод отрыва кольца от поверхности жидкости

  • методы взвешивания и счета капель (сталагмометрия). 

Глава 3. Экспериментальная часть

Используя метод отрыва петли, мы исследовали зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры

δ=. (приложение 2)

2.1.Коэффициент поверхностного натяжения воды от температуры.

Таблица №1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

t 0C

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

F,мН

9,4

8,4

7,8

7,5

7,3

6,8

6,4

5,6

5,2

4,8

4,4

4,2

4,0

3,6

, мН/м

74

65

60

58

56

52

49

43

40

37

34

32

30

28

С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения воды уменьшается, а также связан с тем, что, сколько примесей находится в ней.

2.2. Коэффициент поверхностного натяжения растворов синтетических моющих средств

Таблица №2

Коэффициент поверхностного натяжения

Название

раствора

СМС

Концентрация,n

0,25/100

0,5/100

1/100

Температура, t°C

30

60

90

30

60

90

30

60

90

σ, мН/м

Tide

39,3

37,8

33,1

46,4

34,4

21,4

65,5

33,4

30,3

МИФ

19,5

34,2

66,2

44,4

26,5

20,3

27,2

24,7

15,2

Сорти

29,3

23,7

22,1

34,1

32,7

30,5

36,3

35,9

33,2

Ариель

33,01

30,44

29,3

28,13

26,1

25,8

25,3

24,7

22,1

По данной таблице наблюдаются некоторые закономерности: при увеличении концентрации у порошков-автоматов поверхностное натяжение возрастает, если же концентрацию оставлять неизменной, а изменять только температуру раствора, то следует сказать, что коэффициент поверхностного натяжения растворов уменьшается.

При повышении температуры ослабляется межмолекулярное взаимодействие жидкости и растёт плотность насыщенного пара. Отсюда можно сделать вывод: чем выше температура, тем меньше коэффициент поверхностного натяжения, тем раствор лучше проникает в ткань. Значит, СМС с меньшим коэффициентом лучше стирают.

То есть использование стиральных порошков позволяет не доводить раствор до кипения, что способствует экономному расходованию энергии и меньшему загрязнению использованной воды.

Заключение:

  • Углубленно познакомились с явлениями поверхностного натяжения жидкостей, использую информацию с интернета, учебников и других источников .

  • Ознакомились с статическими, динамическими, полустатическими методами определения коэффициента поверхностного натяжения.

  • Экспериментально определили коэффициент поверхностного натяжения воды при разных температурах и синтетических моющих средств при различных концентрациях.

    В процессе исследования установлено, что при повышении температуры растворов одинаковой концентрации поверхностное натяжение почти не изменяется: оказывается, при увеличении концентрации у порошков-автоматов поверхностное натяжение возрастает.

    Если же концентрацию оставлять неизменной, а изменять только температуру раствора, то следует сказать, что при разной константе растворы ведут себя по-разному: в одном случае поверхностное натяжение возрастает, а в другом – убывает.

    Использование стиральных порошков позволяет не доводить раствор до кипения, что способствует экономному расходованию энергии и меньшему загрязнению использованной воды.

  • Данный метод считается неточным методом, значит, существует небольшая погрешность в измерение силы поверхностного натяжения, и следовательно в определение коэффициента поверхностного натяжения.

Список литературы

  1. З.Г.Абрамович, Т.О.Мовшевич «Курс общей физики»; М., «Наука», 1974.

  2. Буров В.А., Дик Ю.И., Зворыкин Б.С. и др. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7 – 11 классах общеобразовательных учреждений: Кн. Для учителя. – М.: Просвещение, 1996.

  3. Бутырский Г.А., Сауров Ю.А. Экспериментальные задачи по физике: 10 – 11 кл.: Кн. Для учителя. – М.: Просвещение, 1998.

  4. Волков, В. А. Поурочные разработки 10 класс. [Текст] / В. А. Волков. – М.: Вако,2006..

  5. Кабардин О. Ф. Физика. Справочные материалы. [Текст] / О. Ф. Кабардин. – М.: «Просвещение»,1991.

6. http://www.fos.ru/fisika/12130.html

7. http://fizportal.ru/method-capillary

Источник: https://infourok.ru/issledovatelskaya-rabota-po-teme-issledovanie-zavisimosti-poverhnostnogo-natyazheniya-ot-temperaturi-i-koncentracii-2003633.html

Biz-books
Добавить комментарий