Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца

Оборудование: весы Жоли, кольцо на подвесе, набор грузов, линейка.

 

Содержание и метод выполнения работы

На рис.2.5 изображена установка для определения коэффициента поверхностного натяжения – весы Жоли.

Тонкостенное кольцо А, изготовленное из хорошо смачиваемого материала исследуемой жидкостью, подвешивается на пружине В. Подвеска кольца осуществляется таким образом, чтобы его ось была вертикальна. Пружина В прикрепляется к кронштейну К жестко связанному со штангой Б. Вдоль штанги Б при помощи винта М передвигается столик Р. На столике устанавливается стеклянная кювета С, с исследуемой жидкостью (в данном случае с водой). Удлинение пружины В (и тем самым силу ее поверхностного натяжения) можно измерить по имеющейся на штанге Б миллиметровой шкале.

Подведем снизу кювету с водой к неподвижно висящему на пружине кольцу так, чтобы оно слегка коснулось поверхности воды. При этом вода начнет подниматься по стенкам кольца, а само кольцо несколько втянется внутрь жидкости. Этот эффект можно заметить по большому растяжению пружины в момент соприкосновения кольца с поверхностью воды.

Начнем теперь медленно опускать кювету. По мере опускания кольца пружина будет постепенно растягиваться, пока, наконец, кольцо не оторвется от поверхности.

В момент отрыва от воды на кольцо, кроме силы тяжести Р, действует в том направлении результирующая сила поверхностного натяжения воды F, увеличивающая растяжение пружины. Эту силу не трудно вычислить. Очевидно, что поверхность жидкости граничит с внутренней и наружной поверхностями кольца двумя горизонтальными окружностями радиуса: R₁≈R₂=R – среднему радиусу кольца А. Общая длина окружности, по которым жидкость граничит с поверхностью кольца, близка поэтому к 4πR. Используя силовой физический смысл коэффициента поверхностного натяжения, найдем, что сила поверхностного натяжения равна F=4πRα, (2.1) где R – средний радиус кольца А.

 

Порядок выполнения работы

 

1. При помощи грузиков весом от 1г до 5г проградуировать пружину, т.е. установить зависимость между удлинением пружины и помещаемым на горизонтальную платформу кольца грузом. Результаты измерений представить в виде графика зависимости веса груза mg от удлинения пружины Δl.

2. Тщательно промыть кольцо и внутреннюю поверхность кюветы спиртом, чтобы удалить с их поверхности случайные загрязнения, особенно жир. Следует помнить, что даже небольшое количество посторонних веществ способно существенно исказить результаты измерений. После промывки нужно дать просохнуть спирту, т.к. он сам влияет на величину поверхностного натяжения воды. Ни в коем случае не следует прикасаться к кольцу и внутренней поверхности кюветы пальцами.

3. Наполнить кювету дистиллированной водой. Поставив наполненную кювету на столик Р, медленно поднимать до тех пор, пока поверхность воды не коснется кольца. Что при этом произойдет с пружиной? Во время опыта надо следить за тем, чтобы нижний край кольца коснулся воды одновременно.

4. Медленно опуская столик, зафиксировать удлинение пружины в момент отрыва кольца от воды. Повторить измерения не менее 7 – 10 раз. Найти среднее значение удлинения пружины Δl _ср.

5. Величину α вычислить по формуле (2.1), где F определяется по градировочному графику по среднему удлинению пружины. Оценить допущенную при этом погрешность. Каковы причины этой погрешности?

 

Упражнение 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ПОДНЯТИЯ ЖИДКОСТИ

В КАПИЛЛЯРЕ

Оборудование: набор капиллярных трубок (радиусы трубок указаны на трубках), держатель капиллярных трубок, стакан для испытуемой жидкости, сосуды с растворами для промывания трубок, катетометр или отсчетный микроскоп на ползушке, термометр, отвес.

 

Содержание и метод выполнения работы

В узких стеклянных трубках-капиллярах, опущенных в жидкость, хорошо заметно поднятие или опускание жидкости. Свободная поверхность жидкости в трубке под действием молекулярных сил жидкости и стекла (смачивания и не смачивания) принимает вогнутую или выпуклую форму (вогнутый или выпуклый мениск). Под такой искривленной поверхностью силы поверхностного натяжения вызывают добавочное давление ΔР, обусловленное кривизной поверхности, которое направлено всегда к центру кривизны поверхности.

Если искривленная поверхность жидкости имеет сферическую форму то:

ΔP= (формула Лапласа),

где R – радиус кривизны поверхности, α – коэффициент поверхностного натяжения.

Этим добавочным давлением вызывается явление поднятия или опускания жидкости в капиллярах. Если жидкость смачивает стенки капиллярных трубок, то уровень жидкости в капилляре под действием давления Лапласа поднимается вверх, а в случае не смачивающей жидкости – опускается вниз до тех пор, пока это добавочное давление не сравняется с гидростатическим давлением поднявшегося или опустившегося столба жидкости.

Если считать, что жидкость полностью смачивает поверхность трубки, то радиус кривизны мениска равен внутреннему радиусу трубки r.

По равенству добавочного и гидростатического давления можно написать

=ρgh (2.2),

где ρ – плотность жидкости, h – высота ее поднятия, g – ускорение силы тяжести.

Из равенства (2.2) определяем коэффициент поверхностного натяжения:

α= (2.3)

Полученная формула справедлива только при условии полного смачивания поверхности стекла жидкостью. Поэтому надо особо следить за чистотой капилляра: перед опытом капилляры промывают раствором двухромого- кислого калия, в серной кислоте, дистиллированной воде, спиртом, затем просушиваются.

Определение α по формуле (2.2) предполагает измерение высоты h столбика жидкости в капиллярной трубке. Однако измерение h связано с большими погрешностями, что не позволяет определить α с большой точностью. Поэтому обычно α определяют через измерение разности уровней жидкости в капиллярах разного радиуса. Для этого опыт проводят с несколькими капиллярами, например с двумя, радиусы которых r₁ и r₂ (рис. 2.6).

Высоты h₁ и h₂ поднятия жидкости в этих капиллярах определяется формулами:

h₁= r₁, h₁= r₂.

Тогда разность уровней: ∆Н= h₁-h₂= r₁- r₂.

Откуда для вычисления коэффициента поверхностного натяжения получим формулу:

α= , (2.4)

где ∆Н – разность отсчетов между нижними краями менисков (рис.2.6).

Измерение ∆H осуществляется при помощи катетометра или отсчетного микроскопа. Описание и метод измерения отсчетным микроскопом даны в руководстве к прибору.

Плотность жидкости при данной температуре находят по таблице.

 

Порядок выполнения работы

1. Определяют радиусы капилляров отсчетным микроскопом, расположив капилляры горизонтально.

2. Промывают капилляры.

3. Отсчетным микроскопом измеряют величину ∆Н.

4. Подставляя в формулу (2.4) значения r₁, r₂, ∆Н, находят коэффициент поверхностного натяжения. Результат, полученный по формуле (2.4), более точный, чем по формуле (2.3), т.к. в нее входит не высота столбика, а разность отсчетов положений менисков.

Упражнение 3