Как измерить поверхностное натяжение

Загрузить PDF

Загрузить PDF

В этой статье:

C помощью коромысла

По капиллярному эффекту

Как определить относительное поверхностное натяжение с помощью монетки

Дополнительные статьи

Источники

Поверхностное натяжение описывает способность жидкости противостоять силе тяжести. Например, вода на поверхности стола образует капли, поскольку молекулы воды притягиваются друг к другу, что противодействует силе тяжести. Именно благодаря поверхностному натяжению более тяжелые предметы, например насекомые, могут удерживаться на поверхности воды. Поверхностное натяжение измеряется в силе (Н), поделенной на единицу длины (м), или в количестве энергии на единицу площади. Сила, с которой взаимодействуют молекулы воды (когезионная сила), вызывает натяжение, в результате чего образуются капли воды (или других жидкостей). Поверхностное натяжение можно измерить с помощью нескольких простых предметов, которые есть практически в каждом доме, и калькулятора.

Шаги

Метод 1

Метод 1 из 3:

C помощью коромысла

Загрузить PDF

1. 
   1
   Запишите уравнение для поверхностного натяжения. В данном эксперименте уравнение для определения поверхностного натяжения выглядит следующим образом: F = 2Sd, где F — сила в ньютонах (Н), S — поверхностное натяжение в ньютонах на метр (Н/м), d — длина используемой в эксперименте иглы. Выразим из этого уравнения поверхностное натяжение: S = F/2d.

   • Сила будет рассчитана в конце эксперимента.
   • Прежде чем приступить к эксперименту, с помощью линейки измерьте длину иглы в метрах.
2. 
   2
   Сконструируйте небольшое коромысло. В данном эксперименте для определения поверхностного натяжения используются коромысло и небольшая игла, которая плавает на поверхности воды. Необходимо внимательно отнестись к сооружению коромысла, так как от этого зависит точность результата. Можно использовать различные материалы, главное, сделать горизонтальную перекладину из чего-то жесткого: дерева, пластмассы или плотного картона.

   • Определите центр стержня (например, соломинки или пластмассовой линейки), который вы собираетесь использовать в качестве перекладины, и просверлите или проткните в этом месте отверстие; это будет точка опоры перекладины, на которой та будет свободно вращаться. Если вы используете пластмассовую соломинку, просто проткните ее булавкой или гвоздем.
   • Просверлите или проткните отверстия на концах перекладины так, чтобы они располагались на одинаковом расстоянии от центра. Проденьте через отверстия нитки, на которых вы подвесите чашку для груза и иглу.
   • При необходимости подоприте коромысло книгами или другими достаточно твердыми предметами, чтобы перекладина оставалась в горизонтальном положении. Необходимо, чтобы перекладина свободно вращалась вокруг воткнутого в ее середину гвоздя или стержня.
3. 
   3
   Возьмите кусок алюминиевой фольги и сверните ее в форме коробочки или блюдца. Совсем не обязательно, чтобы это блюдце имело правильную квадратную или круглую форму. Вы заполните его водой или другим грузом, так что позаботьтесь о том, чтобы оно выдержало вес.

   • Подвесьте коробочку или блюдце из фольги к одному концу перекладины. Проделайте по краям блюдца небольшие отверстия и проденьте через них нитку, так чтобы блюдце висело на перекладине.
4. 
   4
   Подвесьте к другому концу перекладины иглу или скрепку, так чтобы она располагалась горизонтально. Привяжите горизонтально иглу или скрепку к нити, которая свисает с другого конца перекладины. Чтобы эксперимент удался, необходимо расположить иглу или скрепку именно горизонтально.
5. 
   5
   Разместите на перекладине что-нибудь, например пластилин, чтобы уравновесить емкость из алюминиевой фольги. Прежде чем приступить к эксперименту, необходимо добиться, чтобы перекладина располагалась горизонтально. Блюдце из фольги тяжелее иглы, поэтому на его стороне перекладина опустится вниз. Прикрепите к противоположной стороне перекладины достаточное количество пластилина, чтобы она располагалась горизонтально.

   • Это называется балансировкой.
6. 
   6
   Поместите свисающую на нитке иглу или скрепку в емкость с водой. На этом шаге потребуются дополнительные усилия, чтобы расположить иглу на поверхности воды. Проследите, чтобы игла не погрузилась в воду. Наполните емкость водой (или другой жидкостью с неизвестным поверхностным натяжением) и поставьте ее под висящей иглой, так чтобы игла расположилась прямо на поверхности жидкости.

   • Проследите при этом, чтобы удерживающая иглу веревка оставалась на месте и была достаточно натянута.
7. 
   7
   Взвесьте на небольших весах несколько булавок или небольшое количество отмеренных капель воды. Вы будете добавлять в алюминиевое блюдце на коромысле по одной булавке или капле воды. При этом необходимо знать точный вес, при котором игла оторвется от поверхности воды.

   • Посчитайте количество булавок или капель воды и взвесьте их.
   • Определите вес одной булавки или капли воды. Для этого поделите общий вес на количество булавок или капель.
   • Предположим, 30 булавок весят 15 граммов, тогда 15/30 = 0,5, то есть одна булавка весит 0,5 грамма.
8. 
   8
   Добавляйте булавки или капли воды по одной в блюдце из алюминиевой фольги до тех пор, пока игла не оторвется от поверхности воды. Постепенно добавляйте по одной булавке или капле воды. Внимательно наблюдайте за иглой, чтобы не пропустить момент, когда после очередного увеличения груза она оторвется от воды. Как только игла оторвется от поверхности жидкости, перестаньте добавлять булавки или капли воды.

   • Посчитайте количество булавок или капель воды, при котором игла на противоположном конце перекладины оторвалась от поверхности воды.
   • Запишите результат.
   • Повторите опыт несколько (5 или 6) раз, чтобы получить более точные результаты.
   • Посчитайте среднее значение полученных результатов. Для этого сложите число булавок или капель во всех экспериментах и поделите сумму на количество экспериментов.
9. 
   9
   Переведите число булавок в силу. Для этого следует умножить количество граммов на 0,00981 Н/г. Чтобы рассчитать поверхностное натяжение, необходимо знать силу, которая понадобилась для отрыва иглы от поверхности воды. Поскольку вы сосчитали вес булавок на предыдущем шаге, чтобы определить силу, достаточно умножить этот вес на 0,00981 Н/г.

   • Умножьте число помещенных в блюдце булавок на вес одной булавки. Например, если вы положили 5 булавок весом по 0,5 грамма, их общий вес составит 0,5 г/булавка = 5 x 0,5 = 2,5 грамма.
   • Умножьте количество граммов на множитель 0,00981 Н/г: 2,5 x 0,00981 = 0,025 Н.
10. 
    10
    Подставьте полученные значения в уравнение и найдите искомую величину. С помощью полученных в ходе эксперимента результатов можно определить поверхностное натяжение. Просто подставьте найденные величины и вычислите результат.

    • Допустим, что в приведенном выше примере длина иглы составляет 0,025 метра. Подставляем значения в уравнение и получаем: S = F/2d = 0,025 Н/(2 x 0,025) = 0,05 Н/м. Таким образом, поверхностное натяжение жидкости равно 0,05 Н/м.
    Реклама

Метод 2

Метод 2 из 3:

По капиллярному эффекту

Загрузить PDF

1. 
   1
   Узнайте о капиллярном эффекте. Чтобы понять капиллярные явления, сначала следует ознакомиться с силами адгезии и когезии. Адгезия вызывает прилипание жидкости к твердой поверхности, например стеклу. Благодаря силе когезии молекулы жидкости притягиваются друг к другу.. Совместное действие сил адгезии и когезии вызывает поднятие жидкости в тонких трубках.

   • По высоте поднятия жидкости в трубке можно рассчитать поверхностное натяжение этой жидкости.
   • Силы когезии приводят к образованию пузырей и капель на поверхности. При контакте жидкости с воздухом молекулы жидкости притягиваются друг к другу, в результате чего образуется пузырь.
   • Адгезия приводит к образованию мениска, который заметен в местах контакта жидкости со стенками стакана. Вогнутая форма мениска видна невооруженным глазом.
   • Примером капиллярного эффекта служит поднятие жидкости в соломинке, опущенной в стакан с водой.
2. 
   2
   Запишите уравнение для определения поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение вычисляется следующим образом: S = (ρhga/2), где S — поверхностное натяжение, ρ — плотность исследуемой жидкости, h — высота подъема жидкости в трубке, g — ускорение свободного падения благодаря действующей на жидкость силе тяжести (9,8 м/с²), a — радиус капиллярной трубки.

   • При подстановке данных в это уравнение проследите, чтобы они были выражены в метрических единицах измерения: плотность в кг/м³, высота и радиус в метрах, ускорение свободного падения в м/с².
   • Если плотность жидкости не дана заранее, ее можно найти в справочнике или рассчитать по формуле плотность = масса/объем.
   • Поверхностное натяжение измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Ньютон равен 1 кг*м/с². Чтобы самостоятельно определить единицы измерения, просто подставьте в уравнение только их, без численных значений: S = кг/м³ * м * м/с² * м. Если сократить два метра в числителе и знаменателе, получаем 1 кг*м/с²/м, то есть 1 Н/м.
3. 
   3
   Налейте в емкость жидкость с неизвестным поверхностным натяжением. Возьмите неглубокую тарелку или миску и налейте в нее жидкость, так чтобы она покрывала дно на 2-3 сантиметра. Количество жидкости не играет роли, главное, чтобы было отчетливо видно, насколько она поднимется в капиллярной трубке.

   • Если вы собираетесь экспериментировать с разными жидкостями, тщательно очистите и высушите тарелку, прежде чем наливать в нее другую жидкость, либо каждый раз используйте другую емкость.
4. 
   4
   Опустите в жидкость чистую тонкую трубку. По высоте подъема жидкости в этой трубке вы определите поверхностное натяжение. Трубка должна быть чистой, чтобы вы ясно видели, как высоко поднимется жидкость над своим уровнем в тарелке. Кроме того, трубка должна иметь постоянный радиус.

   • Чтобы измерить радиус, просто приложите линейку к верхнему краю трубки и определите диаметр. Затем поделите диаметр на 2, и вы найдете радиус.
5. 
   5
   Измерьте высоту, на которую поднялась жидкость над своим уровнем в тарелке. Подведите край линейки к поверхности жидкости в тарелке и определите, на какую высоту поднялась жидкость в трубке. Вода в трубке поднимается из-за того, что подъемная сила поверхностного натяжения превышает тянущую вниз силу тяжести.
6. 
   6
   Подставьте полученные значения в уравнение и проделайте вычисления. После того как вы определите все необходимые величины, подставьте их в уравнение и найдите поверхностное натяжение. Не забудьте перевести все значения в метрические единицы измерения, чтобы получить правильный результат.

   • Предположим, мы измеряем поверхностное натяжение воды. Плотность воды составляет около 1 кг/м³ (в данном примере мы используем приблизительные значения). Ускорение свободного падения равно 9,8 м/с². Пусть радиус трубки равен 0,029 м, а вода поднялась на высоту 0,5 м. Чему равно поверхностное натяжение воды?
   • Подставим полученные величины в уравнение и получим: S = (ρhga/2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5)/2 = 0,1421/2 = 0,071 Дж/м².
   Реклама

Метод 3

Метод 3 из 3:

Как определить относительное поверхностное натяжение с помощью монетки

Загрузить PDF

1. 
   1
   Соберите все необходимое. Для данного эксперимента вам понадобятся пипетка, сухая монетка, вода, небольшая миска, средство для мытья посуды, растительное масло и полотенце. Все это можно найти дома или приобрести в ближайшем магазине. Можно обойтись без средства для мытья посуды и растительного масла, однако для сравнения вам понадобится несколько разных жидкостей.

   • Прежде чем приступать к эксперименту, проследите, чтобы монетка была чистой и сухой. Если вы используете мокрую монетку, то получите неточные результаты.
   • Данный эксперимент не позволяет рассчитать поверхностное натяжение, с его помощью можно лишь сравнить поверхностное натяжение разных жидкостей.
2. 
   2
   Капайте на поверхность монетки по одной капле жидкости за раз. Положите монетку на полотенце или другую поверхность, которую не страшно намочить. Наберите в пипетку первую жидкость, после чего не спеша наносите на монетку по одной капле. При этом считайте капли. Продолжайте до тех пор, пока жидкость не прольется за пределы монетки.

   • Запишите, сколько капель потребовалось для того, чтобы жидкость пролилась за пределы монетки.
3. 
   3
   Повторите эту процедуру с разными жидкостями. Каждый раз при смене жидкости очищайте и сушите монетку. Сушите также поверхность, на которую вы кладете монетку. Используйте разные пипетки или очищайте пипетку перед новым экспериментом.

   • Попробуйте добавить в воду немного средства для мытья посуды, затем покапайте водой на монетку и посмотрите, изменилось ли поверхностное натяжение.
4. 
   4
   Сравните число капель, которое требуется для разных жидкостей, чтобы заполнить монетку. Попробуйте повторить эксперимент с одной жидкостью несколько раз, чтобы оценить точность полученных результатов. Усредните результаты: сложите количество капель в разных экспериментах и поделите сумму на число экспериментов. Запишите, сколько капель понадобилось для различных жидкостей для того, чтобы заполнить монетку.

   • Чем больше капель той или иной жидкости требуется для заполнения монетки, тем выше поверхностное натяжение данной жидкости.
   • Средство для мытья посуды понижает поверхностное натяжение воды; добавив его, для заполнения монетки потребуется меньше капель.
   Реклама

Что вам понадобится

• Соломинка, пластмассовая линейка или другой жесткий стержень
• Нитка
• Алюминиевая фольга
• Пластилин или что-нибудь подобное
• Длинная игла или гвоздь для удержания перекладины
• Скрепки или игла для погружения в воду
• Книги или другие массивные предметы, чтобы поддерживать коромысло
• Калькулятор
• Небольшая емкость
• Вода
• Пипетка или булавки
• Небольшие весы
• Неглубокая тарелка