2.12. Лабораторная работа №12

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ПОДНЯТИЯ ЖИДКОСТИ В КАПИЛЛЯРАХ

Цель работы: Экспериментальное определение коэффициента поверх­ностного натяжения методом поднятия жидкости в капиллярных трубках с применением высокоточного оптического прибора – катетометра.

Приборы и принадлежности:катетометр КМ-10, набор капиллярных трубок, стакан для жидкости, держатель со штативом, термометр.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

При соприкосновении с твердым телом поверхность жидкости полу­чает некоторую кривизну. Силы поверхностного натяжения дают при выпук­лых и вогнутых поверхностях слагающую, направленную всегда в сторону вогнутой поверхности, и, таким образом, создают под всякой искривленной поверхностью добавочное давление:избыточное, если поверхность выпук­лая, или недостаточное, если она вогнутая.

Для сферической поверхности добавочное давление может быть выра­жено следующим образом:

, (1)

где p – добавочное давление,R –радиус кривизны поверхности,– коэф­фициент поверхностного натяжения (КПН).

Добавочным давлением, обусловленным кривизной мениска, вызыва­ются поднятие и опускание жидкости в капиллярах. Жидкость опус­кается или поднимается в капилляре настолько, чтобы гидростатическое дав­ление столба жидкости уравновесило это давление. Если считать, что жид­кость полностью смачивает поверхность трубки, то радиус кривизны Rсов­падает с внутренним радиусом трубкиr, тогда

, (2)

где  –плотность жидкости,g– ускорение свободного падения,h –высота подъема жидкости в капилляре.

Таким образом, зная радиус капилляра, плотность жидкости и высоту ее подъема в капилляре, можно по формуле (2) определить КПН.

В работе используется набор из трех соединенных между собой трубок (Рис. 18), причем две из них являются рабочими капиллярами, а третья служит для за­полнения первых двух жидкостью.

Рис. 18

После того, как в капилляры наливается жидкость, в каждом из них ус­танавливается определенный уровень. Допустим, что уровни поднятия жид­кости в капиллярах измеряются относительно уровня в широкой трубке. То­гда в соответствие с формулой (2)

,.

Отсюда

.

Окончательная формула для расчета приобретает вид:

. (4)

Основным элементом экспериментальной установки для определения КПН является катетометр. Катетометры служат для измерения вертикальных расстояний на недоступных для непосредственного измерения объектах. С устройством и настройкой катетометра необходимо ознакомиться по описа­нию, прилагаемому к данному прибору (см. раздел 3.7).

Измерения и обработка их результатов

1.Изучите по описанию устройство катетометра, методику его на­стройки и измерений.

2.Установите в штативе и укрепите горизонтально набор трех капил­лярных трубок. Измерьте с помощью катетометра внутренний диаметр каж­дой трубки в трех различных сечениях, взяв за результат среднее арифмети­ческое значение. Перед измерением трубки должны быть чисто вымыты и просушены.

3.Затем установите и укрепите капилляры в штативе вертикально от­крытыми концами вверх.

4.С помощью пипетки заполните через широкую капиллярную трубку набор капилляров исследуемой жидкостью. Затем измерьте уровень жидко­сти в каждой трубке, снимая отсчет высоты по шкале катетометра. Значение высоты снимать по нижней части мениска.

5.Проведите не менее трех измерений уровней в каждой трубке при различном их заполнении жидкостью в соответствии с предыдущим пунктом.

6.Используя табличные значения иg рассчитайте,_ср,.

7.Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 15:

Таблица 15

r1=мм,r2=мм
№ опыта	h1,мм	h2,мм	h,мм	, Н/м	, Н/м
1
2
3
				ср=	 =

8.Запишите результаты вычислений в виде:

 = _ср   (Н/м).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какова природа сил поверхностного натяжения?

2. В каких единицах измеряется КПН?

3. В чем заключаются капиллярные явления? Приведите примеры их проявления в природе и применения в практике.

4. Выведите формулу Жюрена, по которой вычисляется высота подъема жидкости в капиллярах.

5. Объясните, почему возникают значительные силы сцепления между смоченными водой и соединенными вместе стеклянными пластинами.

6. Для чего предназначен катетометр и как с ним работать?