Описание, экспериментальной установки

Для определения коэффициента поверхностного натяжения можно использовать следующие методы.

1. Метод взвешивания капель довольно точный и наиболее распро­страненный лабораторный метод для измерения поверхностного натя­жения на границе раздела: жидкость-воздух; жидкость-жидкость. Из­мерения заключаются в следующем (рис. 12.2). На конце трубки форми­руются капли, их собирают в контейнер до тех пор, пока можно будет достаточно точно определить вес, приходящийся на одну каплю. Про­стое выражение для определения веса капли получило известность как закон Тэйта (1864 г.):

, (12.6)

где – диаметр трубки.

Уравнение (12.6) выводится из представления о том, что макси­мальная сила, удерживающая каплю, равна поверхностному натяжению, умноженному на длину окружности кончика трубки. Точность опреде­ления коэффициента поверхностного натяжения этим методом может достигать 0,1 %.

На штативе крепится стеклянная трубка с краном. Под трубкой ставится предметный столик, на нем находится колба – контейнер для сбора капель.

2. Метод отрыва кольца. Коэффициент поверхностного натяжения можно определить пу­тем измерения силы, которую нужно приложить перпендикулярно к поверхности жидкости для отрыва различных твердых тел от этой по­верхности. Если отрываемое тело смачивается жидкостью, то вместе с ним поднимается и некоторое количество жидкости (рис. 12.4) и свобод­ная поверхность этой жидкости увеличивается. Так как эта поверхность всегда стремится сократиться, то возникает сила поверхностного натя­жения. При равенстве силы, действующей на тело, и силы поверхност­ного натяжения тело оторвется. В нашем случае в качестве такого тела берется тонкое кольцо.

При поднятии кольца из жидкости внут­ренняя и внешняя поверхность кольца образуют тонкие пленки с водой. Каждая из этих пленок действует на кольцо с силой направленной вниз, и равной:

,

где и – соответственно внешний и внутренний диаметры кольца. Тогда:

. (12.7)

Для измерения силы можно пользоваться установкой, изобра­женной на рис 12.5. На штативе 4 закреплены рычажные весы. К чашке 1 прикреплено металлическое кольцо К, чашку 2 используют для уравно­вешивания весов. На предметном столике 3 находится сосуд С, запол­няемый жидкостью.

3. Выполнение упражнений и обработка результатов измерений

Упражнение 1. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом взвешивания капель.

1. Зарисовать таблицу 12.1.

Таблица 12.1

№	=…°С, = …мм, =…кг, = 9,8 м/с2
	, кг	, кг	, Н/м2

2. С помощью термометра определить температуру в лаборатории .
Используя штангенциркуль, измерить внешний диаметр трубки . По­лученные данные и численное значение ускорения свободного падения записать в таблицу.

3. Взвесить пустую колбу на электронных весах, и определить ее массу .

4. Закрыть кран стеклянной трубки и налить в трубку воду. Подставить
под трубку чашу и открыть осторожно кран. Кран должен быть открыт
так, чтобы вода из крана капала медленно (30–40 капель в минуту). При этих условиях можно считать, что отрыв капель происходит в мо­мент, когда сила тяжести равна силе поверхностного натяжения или чуть больше нее (рис. 12.2).

5. После этого под трубку подставить колбу и собрать в нее не­сколько десятков (от 40 до 90) капель.

6. Взвесить колбу с водой, определив – массу колбы с водой.

7. Как разницу масс: колбы с водой и колбы без воды определить массу капель. Данные занести в таблицу 12.1.

8. Повторить пункты 5–7 четыре раза для указанного числа капель.

9. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле:

.

10. Определить среднее значение коэффициента поверхностного натяжения .

11. Оценить погрешность измерений.

12. Сравнить полученный результат с табличным значением при данной температуре .

Упражнение 2. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца.

1. Зарисовать таблицу 12.2.

Таблица 12.2

№	=…°С, = … кг, = 9,8 м/с2
, мм	, мм	, кг	, кг	, Н

2. Определить температуру воздуха в лаборатории .

3. Определить массу правой чашки 2 рычажных весов .

4. С помощью штангенциркуля 5 раз измерить внешний и внутренний диаметры кольца. Результаты занести в таблицу 12.2. Найти средние значения и .

5. Сосуд С заполнить водой до соприкосновения с кольцом (рис. 12.4, на рисунке представлено сечение).

6. Осторожно насыпать песок на правую чашку весов до тех пор, пока
кольцо не оторвется от поверхности жидкости.

7. Взвесить чашку с песком на электронных весах и определить их общую массу .

8. Определить массу песка как разницу между массой чашки с песком и чашки без песка .

9. Повторить измерения по пунктам 5–8 еще четыре раза.

10. Определить силу тяжести , действующую на песок, как .

11. Так как сила тяжести равна силе , отрывающей кольцо, то используя формулу (12.7), рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды . Определить его среднее значение .

12. Определить погрешность измерений коэффициента поверхностного натяжения.

13. Сравнить полученный результат с табличным значением при данной температуре.

14. Сравнить коэффициенты поверхностного натяжения воды, полученные двумя способами.

4. Контрольные вопросы

1. Какова природа поверхностного натяжения?

2. Что называют коэффициентом поверхностного натяжения?

3. Как зависит коэффициентом поверхностного натяжения от температуры? Какое значение он принимает при критической температуре? Почему?

4. В чем заключаются явления смачивания и несмачивания?

5. Объясните капиллярные явления в жидкостях.

6. Запишите формулу и объясните механизм образования дополни­тельного давления. Почему капля жидкости малого объема имеет
сферическую форму?