Формула (7) не вполне точна, несколько более точная формула имеет вид
σ = Rρg (ho + R/3) (8)
(Поскольку высота поднятия жидкости в капилляре невелика, то можно повысить чувствительность метода установив капилляр наклонно под углом φ=30о. В этом случае жидкость продвинется по капилляру на большее расстояние L . Высоту можно определить по формуле ho= Lsinφ, а «лапласово» давление по формуле рл =αcosβ(1/R1 + 1/R2) , приняв R2 равным R1/cos30o)
Измерения.1. Все исследуемые капилляры и внутреннюю поверхность кюветы промойте сначала спиртом, а потом водой.
2. При помощи измерительного микроскопа определите диаметр и радиус капилляра.
3. Погрузите капилляр в кювету так, чтобы под водой оказался конец трубки длиной не менее 5мм. Внимательно следите за тем, чтобы внутрь поднимающегося столба воды не попали пузырьки воздуха.
4. При помощи отсчётного устройства определите величину h0 . Воспользовавшись известными значениями ускорения свободного падения (g = 9,8 м/с2) и плотности воды (ρ = 103 кг/м3) определите коэффициент поверхностного натяжения воды.
5. Для сравнения измерьте коэффициент поверхностного натяжения слабого водного раствора сахара, соли, мыла или иного моющего средства. (После этого следует промыть капилляр в проточной воде, чтобы эти опыты не сказались на опытах с чистой водой)
2.2. Измерение коэффициента поверхностного натяжения
жидкости в клиновидном слое
Экспериментальная установка состоит из двух стеклянных пластин, устанавливаемых в коробку с исследуемой жидкостью, и отрезков тонкой проволоки.
Этот метод является разновидностью капиллярного и состоит в следующем. Вместо капиллярной трубки применяется система из двух плоских стекол и калиброванной проволоки, сложенных таким образом, что между стеклами образуется тонкий клиновидный воздушный промежуток (рис.7).
Опустив систему основанием клина в воду можно наблюдать продвижение жидкости в сторону большей толщины клина. Если система выставлена вертикально, то подъем прекращается тогда, когда гидростатическое давление столба p = ρgho выровняется с «лапласовым» давлением мениска. В данном случае поверхность имеет цилиндрическую форму, поэтому один из радиусов в формуле рл = σcosβ(1/R1 + 1/R2) можно принять равным бесконечности. Следовательно, в данном методе для определения коэффициента поверхностного натяжения следует пользоваться формулой
σ=Rρgh0 /cosb (9)
Как видно из рисунка радиус этой цилиндрической поверхности с незначительной погрешностью можно определить из геометрических соображений по формуле R = Dho/2L
Измерения. 1. Тщательно очистите салфеткой рабочие (внутренние) поверхности стеклянных пластин.
2. Измерьте микрометром диаметр D проволоки, выпрямите ее и вложите между пластинами на расстоянии 0,5-1,0 см от края пластины параллельно ему.
3. Закрепите соединенные пластины прищепкой и измерьте линейкой расстояние L от основания клина до проволоки.
4. Установив пластины в коробку с жидкостью, проследите за тем, как жидкость поднимается по капиллярному клину. Жидкости в коробке должно быть так мало, чтобы основание клина только-только касалась её поверхности.
5. Когда подъем жидкости прекратится, измерьте высоту столба h0.
6. Приняв cosb = 0.9, вычислите величину коэффициента поверхностного натяжения.
7. Опустив пластины основанием на сухую салфетку можно за счет капиллярных её свойств уменьшить высоту столба жидкости в клине, после чего опыт с измерением h0 можно повторить.
8. Проделайте не менее 5 опытов, и после математической обработки сделайте вывод из экспериментальных наблюдений.
Дополнительное задание: Разберите клин и соберите вновь «грязными» сторонами внутрь. Повторите измерение h и определите коэффициент поверхностного натяжения. Сделайте вывод из этих наблюдений и объясните причины.
2.3. Измерение коэффициента поверхностного натяжения
жидкости методом капель
Особым образом «лапласово» давление проявляет себя при формировании капель жидкости. Рисунок 8 иллюстрирует формирование и рост капли до момента ее отрыва в поле силы тяжести. Очевидно, что отрыву предшествует выравнивание двух сил – силы тяжести и силы поверхностного натяжения:
mg = σ2πr,
куда входят: масса капли, радиус капилляра и коэффициент поверхностного натяжения. Отсюда имеем формулу и метод определения коэффициента поверхностного натяжения:
σ = mg/2πr (10)
Суть метода сводится к тому, чтобы определить массу одной медленно «выросшей» капли и измерить длину окружности по границе поверхностного слоя в самой узкой части «шейки» капли в момент обрыва. Эта длина совпадает с длиной окружности наружной цилиндрической части трубки, из которой вытекает капля.
Экспериментальная установка для измерения коэффициента поверхностного натяжения методом капель состоит из основания, на котором закреплена трубка бюретки, проградуированная в миллилитрах (кубических сантиметрах). Цена деления 0,2 мл. Гибким шлангом трубка соединяется с одной из двух инъекционных игл, концы которых отпилены перпендикулярно оси. Шланг снабжен зажимом, при помощи которого можно регулировать скорость истечения жидкости из бюретки.
Измерения. 1. Изучите конструкцию экспериментальной установки. При помощи измерительного микроскопа определите наружные радиусы инъекционных игл.
2. Зажимом перекройте шланг (верхнее положение колесика) и заполните бюретку исследуемой жидкостью, подставьте под иглу стакан для сбора жидкости.
3. Проверьте соединение нижнего конца шланга с иглой и, медленно открывая зажим, создайте такой поток, когда капли следуют друг за другом с интервалом не менее 5 секунд.
4. По делениям бюретки определите количество N капель, составляющих 1 мл жидкости. Опыт проделайте не менее 5 раз.
5. Используя плотность жидкости, определите массу одной капли: m= ρ/N. Плотность воды принять равной 1 г/мл.
6. Усредните экспериментальные результаты и по формуле (10) рассчитайте величину коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости.
Отчет по лабораторной работе №3
«Поверхностное натяжение в жидкостях»
выполненной ……………………………………………………………..
1. Измерение коэффициента поверхностного натяжения
жидкости капиллярной трубкой
σ = Rρg (ho + R/3)
|
Радиус капилляра, мм |
|||||
|
Плотность жидкости, г/см3 |
|||||
|
Значение g, см/с2 |
|||||
|
Высота столба в капилляре, см |
|||||
|
Величина коэффициента σ, Н/м |
Заключение о проделанных измерениях. 1. σ= σср ± Δ σ Н/м. σ=………±……...Н/м
2. Сравнение с табличными значениями
2. Измерение коэффициента поверхностного натяжения
жидкости в клиновидном слое
σ=Rρgh0 /cosb R = Dho/2L
|
Диаметр проволоки D, мм |
|
|
|
|
|
|
Расстояние L, мм |
|
|
|
|
|
|
Высота подъема ho, мм |
|
|
|
|
|
|
Плотность жидкости, г/см3 |
|
|
|
|
|
|
Значение cosb |
|
|
|
|
|
|
Величина коэффициента σ, Н/м |
|
|
|
|
|
Заключение о проделанных измерениях. 1. σ=………±……...Н/м
2. Сравнение с табличными значениями
3. Измерение коэффициента поверхностного натяжения
жидкости методом капель
σ = mg/2πr m= ρ/ N
|
Радиус иглы r, мм |
|
|
|
|
|
|
Плотность жидкости, г/см3 |
|
|
|
|
|
|
Объём вытекшей жидкости, мл |
|
|
|
|
|
|
Масса вытекшей жидкости, г |
|
|
|
|
|
|
Число капель, N |
|
|
|
|
|
|
Масса одной капли, г |
|
|
|
|
|
|
Величина коэффициента σ, Н/м |
|
|
|
|
|
Заключение о проделанных измерениях. 1. σ=………±……...Н/м
2. Сравнение с табличными значениями
[1] В жидкостях и твёрдых телах оно примерно в 10 раз меньше, чем в газах при нормальном давлении.
[2] Плотность жидкости можно уточнить по справочным таблицам её теплового расширения.
[3] При турбулентном течении жидкости в трубах любого сечения скорость потока, как и расход жидкости, пропорциональны не первой степени, а корню квадратному из перепада давления.
[4] Оценка погрешности измерения производится по данным первого опыта с указанием погрешностей всех величин, входящих в расчетную формулу. В окончательный результат вносится среднее по всем опытам значение вязкости.
