Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng
Họ và tên:................................... Lớp:............. Ngày:................
Tên bài thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng.
I. Mục đích thực hành
- Khảo sát hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng và đo hệ số căng bề mặt của nước xà phòng và bề mặt của nước cất.
- Rèn luyện kĩ năng sử dụng các dụng cụ đo: cân đòn, lực kế và thước kẹp.
- Trả lời câu hỏi
Nêu ví dụ về hiện tượng dính ướt và hiện tượng không dính ướt của chất lỏng?
Trả lời:
- Hiện tượng dính ướt: Vì thủy tinh bị nước dính ướt, nên giọt nước nhỏ trên mặt bản thủy tinh lan rộng thành một hình có dạng bất kì.
- Hiện tượng không dính ướt: thủy tinh không bị thủy ngân dính ướt, nên giọt thủy ngân nhỏ trên mặt bản thủy tinh vo tròn lại và bị dẹt xuống do tác dụng của trọng lực.
II. Cơ sở lý thuyết
Mặt thoáng của chất lỏng luôn có các lực căng, theo phương tiếp tuyến với mặt thoáng. Những lực căng này làm cho mặt thoáng của chất lỏng có khuynh hướng co lại đến diện tích nhỏ nhất. Chúng được gọi là những lực căng bề mặt [hay còn gọi là lực căng mặt ngoài] của chất lỏng.
Mặt thoáng của chất lỏng luôn có các lực căng, theo phương tiếp tuyến với mặt thoáng. Những lực căng này làm cho mặt thoáng của chất lỏng có khuynh hướng co lại đến diện tích nhỏ nhất. Chúng được gọi là những lực căng bề mặt [hay còn gọi là lực căng mặt ngoài] của chất lỏng.
Có nhiều phương pháp đo lực căng bề mặt. Trong bài này ta dùng một lực kế nhạy [loại 0,1N], treo một chiếc vòng bằng nhôm có tính dính ướt hoàn toàn đối với chất lỏng cần đo.
Nhúng đáy vòng chạm vào mặt chất lỏng, rồi kéo lên mặt thoáng. Khi đáy vòng vừa được nâng lên trên mặt thoáng, nó không bị bứt ngay ra khỏi chất lỏng: một màng chất lỏng xuất hiện, bám quanh chu vi ngoài và chu vi trong của vòng, có khuynh hướng kéo vòng vào chất lỏng. Lực Fc do màng chất lỏng tác dụng vào vòng đúng bằng tổng lực căng bề mặt của chất lỏng tác dụng lên chu vi ngoài và chu vi trong của vòng.
a] Phương án 1: Xác định hệ số căng bề mặt của nước xà phòng.
b] Phương án 2: Xác định hệ số căng bề mặt của nước cất.
Nhúng đáy vòng chạm vào mặt chất lỏng, rồi kéo lên mặt thoáng. Khi đáy vòng vừa được nâng lên trên mặt thoáng, nó không bị bứt ngay ra khỏi chất lỏng: một màng chất lỏng xuất hiện, bám quanh chu vi ngoài và chu vi trong của vòng, có khuynh hướng kéo vòng vào chất lỏng. Lực Fc do màng chất lỏng tác dụng vào vòng đúng bằng tổng lực căng bề mặt của chất lỏng tác dụng lên chu vi ngoài và chu vi trong của vòng.
Do vòng bị chất lỏng dính ướt hoàn toàn, nên khi kéo vòng lên khỏi mặt thoáng và có một màng chất lỏng căng giữa đáy vòng và mặt thoáng, thì lực căng Fc có cùng phương chiều với trọng lực P của vòng. Giá trị lực F đo được trên lực kế bằng tổng của hai lực này:
F = Fc + P
Đo P và F ta xác định được lực căng bề mặt Fc tác dụng lên vòng.
III. Phương án thí nghiệm
a] Phương án 1:
* Dụng cụ thí nghiệm:
+ Cân đòn và các gia trọng có khối lượng 0,1 g và 0,01 g. Kẹp nhỏ để treo gia trọng.
+ Hai khung dây thép inox được uốn thành dạng ở hình 57.1 SGK, có chiều dài cạnh AB lần lượt là l1 = 5cm và l2 = 10 cm.
+ Khung dây thép làm quang treo, cốc nước xà phòng, khúc gỗ để đặt cốc nước xà phòng.
* Tiến trình thí nghiệm.
b] Phương án 2:
* Dụng cụ thí nghiệm.
+ Lực kế có GHĐ 0,1N có độ chia nhỏ nhất 0,001N.
+ Vòng kim loại [nhôm] có dây treo.
+ Hai cốc nhựa A, B đựng nước, nối thông nhau bằng một ống cao su Silicon.
+ Thước kẹp có độ chia nhỏ nhất 0,05mm, giới hạn đo 150mm.
+ Giá treo có cơ cấu nâng hạ cốc đựng chất lỏng.
* Tiến trình thí nghiệm.
IV. Kết quả thí nghiệm
a] Phương án 1: Xác định hệ số căng bề mặt của nước xà phòng.
* Trường hợp chiều dài cạnh AB l1 = 5 cm.
Bảng 57.1
| Lần thí nghiệm | Khối lượng m của các gia trọng được móc thêm [kg] | Hệ số căng bề mặt σ của nước xà phòng [N/m] |
| 1 | 0,32.10-3 | 0,0314 |
| 2 | 0,34.10-3 | 0,0333 |
| 3 | 0,29.10-3 | 0,0284 |
Ta có:
* Trường hợp chiều dài cạnh AB l2 = 10 cm.
Bảng 57.2
| Lần thí nghiệm | Khối lượng m của các gia trọng được móc thêm [kg] | Hệ số căng bề mặt σ của nước xà phòng [N/m] |
| 1 | 0,59.10-3 | 0,0289 |
| 2 | 0,62.10-3 | 0,0304 |
| 3 | 0,57.10-3 | 0,0279 |
Ta có:
b] Phương án 2: Xác định hệ số căng bề mặt của nước cất.
Bảng 57.3: Kết quả đo đường kính trong và đường kính ngoài của vòng nhôm
Độ chia nhỏ nhất của thước kẹp: 0,05mm | ||||
| Lần đo | D [mm] | ΔD [mm] | d [mm] | Δd [mm] |
| 1 | 51,5 | 0,16 | 50,03 | 0,004 |
| 2 | 51,6 | 0,06 | 50,02 | 0,006 |
| 3 | 51,78 | 0,12 | 50,03 | 0,004 |
| 4 | 51,7 | 0,04 | 50,02 | 0,006 |
| 5 | 51,7 | 0,04 | 50,03 | 0,004 |
| Giá trị trung bình | 51,66 | 0,08 | 50,03 | 0,005 |
Bảng 57.4: Kết quả đo lực căng bề mặt
Độ chia nhỏ nhất của lực kế: 0,001N | ||||
Lần đo |
P [N] |
F[N] |
Fc = F – P [N] |
ΔFc [N] |
| 1 | 0,047 | 0,061 | 0,014 | 0,001 |
| 2 | 0,046 | 0,061 | 0,015 | 0 |
| 3 | 0,046 | 0,062 | 0,016 | 0,001 |
| 4 | 0,047 | 0,062 | 0,015 | 0 |
| 5 | 0,046 | 0,060 | 0,014 | 0,001 |
| Giá trị trung bình | 0,0464 | 0,0612 | 0,015 | 0,0006 |
1. Giá trị trung bình của hệ số căng bề mặt của nước
2. Tính sai số tỉ đối của phép đo
Nhận xét: Hệ số căng bề mặt trong thí nghiệm thường nhỏ hơn giá trị thực tế trong SGK [σ = 0,073 N/m] vì trong SGK làm thí nghiệm ở môi trường lí tưởng nước cất, còn trong phòng thí nghiệm độ tinh khiết của nước và của vòng nhôm không lí tưởng, có sai số trong quá trình đo. Ngoài ra σ còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường.
Sức căng bề mặt [còn gọi là năng lượng bề mặt hay ứng suất bề mặt, thường viết tắt là σ hay γ hay T] hiểu một cách nôm na là đại lượng đánh giá độ đàn hồi hay độ bền của mặt liên diện giữa hai pha. Tính đàn hồi của mặt lên diện giữa hai pha có được trên cơ sở lực hút phân tử trong mỗi pha và giữa các phân tử của hai pha tiếp giáp mặt liên diện.
| Bảo toàn khối lượng Bảo toàn động lượng Bảo toàn năng lượng Bất đẳng thức Entropy Clausius-Duhem |
| Chất rắn · Ứng suất · Biến dạng * Biến dạng dẻo · Thuyết sức căng tới hạn · Infinitesimal strain theory · Đàn hồi · Đàn hồi tuyến tính · độ dẻo · Đàn nhớt · Định luật Hooke · Lưu biến học * Uốn |
| Chất lưu · Thủy tĩnh học Động học chất lưu * Lực đẩy Archimedes * Phương trình Bernoulli * Phương trình Navier-Stokes * Dòng chảy Poiseuille * Định luật Pascal · Độ nhớt · Chất lưu Newton Chất lưu phi Newton Sức căng bề mặt * Áp suất |
Hộp này:
- xem
- thảo luận
- sửa
Ví dụ tại bề mặt liên diện giữa hai pha: nước [pha lỏng] và không khí [pha khí], sức căng ở bề mặt giọt nước và không khí được hình thành do lực hút giữa các phân tử nước mạnh hơn nhiều lực hút giữa chúng và các phân tử khí cũng như lực hút giữa các phân tử khí với nhau. Do đó giọt nước trong không khí có xu hướng co cụm lại sao cho diện tích bề mặt nhỏ nhất có thể. Nếu độ lớn của lực trọng trường nhỏ hơn, các lực xung quanh giọt nước sẽ cân bằng và nó sẽ có hình cầu.
HIện tượng dính ướt và không dính ướt:
Hiện tượng dính ướt xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa 3 pha: hai pha lỏng [hoặc một pha lỏng và một pha khí] trên bề mặt pha rắn. Ví dụ khi giọt nước nằm trên một bề mặt rắn ưa nước, do lực hút giữa các phân tử ở bề mặt rắn với các phân tử nước lớn hơn nhiều lực hút giữa các phân tử nước với nhau, giọt nước sẽ có xu hướng trải ra tăng diện tích mặt liên diện giữa nước và pha rắn. Bề mặt rắn càng ưa nước thì diện tích nước trải ra càng lớn. Có thể quan sát hiện tượng này trên một số chảo chống dính. Ngược lại nếu một giọt nước [pha lỏng] nằm trên bề mặt rắn không ưa nước [pha rắn], nó sẽ có xu hướng co cụm lại sao cho diện tích bề mặt liên diện nước-không khí [pha khí] và diện tích mặt liên diện nước-bề mặt rắn nhỏ nhất có thể. Chúng ta có thể dễ dàng quan sát hiện tượng này khi nhìn những giọt sương trên lá vào buổi sáng. Một trong những bề mặt không ưa nước dễ nhận thấy là bề mặt lá sen và lá khoai.
Hiện tượng mao dẫn:
Khi cắm ống mao quản [làm bằng vật liệu ưa nước] vào nước chúng ta cũng có hệ 3 pha gồm: nước [pha lỏng], thành ống mao quản [pha rắn] và không khí [pha khí]. Tại mặt liên diện giữa nước và thành ống mao quản, nước sẽ có xu hướng dâng lên, trải ra làm tăng diện tích mặt liên diện hai pha. Tại mặt liên diện giữa nước và không khí, lực hút giữa các phân tử nước mạnh hơn so với giữa nước và không khí làm cho nước có xu hướng co cụm giảm diện tích liên diện, giúp mực nước nâng lên gần bằng với các phân tử nước ở gần thành ống mao quản. Mao quản có đường kính càng nhỏ, vật liệu thành ống mao quản càng ưa nước, áp suất trong pha khí càng thấp, lực trọng trường càng yếu thì mực nước càng dâng cao. Thực tế trong cốc nước bình thường có đường kính tương đối lớn mực nước ở thành cốc cũng vẫn cao hơn so với mực nước ở xa thành nhưng bằng mắt thường khó có thể nhận ra.
Sức căng bề mặt và hiện tượng mao dẫn đã giúp giải thích một số quá trình như nước vận chuyển từ rễ lên đến lá, tại sao nhện nước bò trên mặt nước, trạng thái cân bằng của nhũ tương cũng như tác dụng tẩy rửa của xà phòng nói riêng hay hoạt tính nói chung của chất hoạt hóa bề mặt,...
Sức căng bề mặt giữa hai pha là công cơ học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích mặt liên diện thay đổi một đơn vị diện tích. Như vậy nó cũng là mật độ diện tích của năng lượng; ý nghĩa này mang lại tên gọi năng lượng bề mặt cho đại lượng vật lý này. Như vậy, trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo sức căng bề mặt tương đương Jun trên mét vuông.
Sức căng bề mặt giữa hai pha phụ thuộc vào tính chất các phân tử của từng pha và các điều kiện môi trường như nhiệt độ, áp suất...
Một cách đo sức căng bề mặt men gốm lúc đang lỏng.
Các phương pháp đo sức căng bề mặt bao gồm:
- Vòng Du Noüy
- Tấm Wilhelmy
- Phương pháp giọt xoay tròn
- Phương pháp giọt pêđan
- Phương pháp áp suất bọt.
- Phương pháp thể tích giọt.
- Hiện tượng mao dẫn
- Độ nhớt
| Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Sức căng bề mặt. |
- Sức căng bề mặt tại Từ điển bách khoa Việt Nam
- Surface tension [physics] tại Encyclopædia Britannica [tiếng Anh]
- Theory of surface tension measurements Lưu trữ 2009-01-27 tại Wayback Machine
Lấy từ “//vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Sức_căng_bề_mặt&oldid=68831877”