2.13. Лабораторная работа №13

изучение температурной зависимости коэффициента ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯжеНИя ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПУЗЫРЬКАХ

Цель работы:экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости и его зависимость от температуры.

Приборы и принадлежности:термостат, пробирка с капилляром, аспиратор, жидкостный манометр, термометр, стакан для жидкости.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Давление внутри пузырька, возникшего на конце капилляра в жид­кости при слабом прохождении воздуха через этот капилляр, равно атмосферному давлению p₀. Это давление уравновешива­ется давлениемpнад поверхностью жидкости в сосуде и давлениемр₁, обусловленным поверхностным натяжением. При небольшом погружении капилляра в жидкость гидростатическим давлением можно пренебречь, тогда

p₀ = p₁ + p, (1)

где

. (2)

При R =rp₁– максимально (R– радиус пузырька,r- радиус капилляра. Следовательно,

.

Величина

постоянна для данного капилляра, ее можно определить, используя известное значение радиуса капилляра, или измерив ее с помощью катетометра. Зная k, можно по разности давлений внутри и вне пузырька определить величину КПН:

. (3)

С повышением температуры КПН уменьшается, так как при критической температуре он должен быть равен нулю. При этой температу­ре исчезает разница между жидкостью и ее паром, а значит, исчеза­ет и поверхность, разделяющая обе фазы. Однако точный вид зависи­мости КПН от температуры не может быть установлен теоретически. Приближенно зависимость КПН от температуры выражается следующим равенством:

. (4)

где В– постоянный коэффициент, определяемый из опыта,– плотность жидкости, – молярная масса,– небольшая величина размерности температуры.

Из формулы (4) видно, что зависимость КПН от температуры тем сильнее, чем больше плотность жидкости и чем меньше молекулярная масса. Коэффициент Впрактически одинаков для всех жидкостей и равен 2.1 (в системе единиц СГС).

Экспериментальная установка для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей (рис. 19) состоит из сосуда 1 с исследуемой жидкостью, внутри которого вставлен капилляр 2. Сосуд 1 с помощью системы трубок соединен с аспиратором 3. Если из аспиратора вытекает вода, то давление воздуха внутри сосуда 1 понижается, а при некотором его значении pпод действием атмосферного давленияp₀ через капилляр в жидкость продавливается пузырёк воздуха. Разность давленияp₀ ‑ pизмеряется манометром 4. Для исследования зависимости КПН от температуры сосуд 1 помещают в стакан 5, заполненный водой, которая подогревается электрическим нагревателем 6. Температура в стакане 5 измеряется термометром 7. Аспиратор снабжен краном 8, через который вытекает вода. Нагреватель через тумблер 9 подключен к сети 42В.

Рис. 19

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Наполните водой аспиратор.

2. Установите в сосуде 1 капилляр так, чтобы он касался поверхности исследуемой жидкости.

3. Откройте кран 8 (см. рис. 19) так, чтобы на конце капилляра медленно, ритмично появлялись пузырьки воздуха.

4. Определите для этого режима максимальную разность уровней (см. рис. 19) в манометре, которая равна разности давлений Dp(1мм. вод. ст.= 9.8Па). Измерьте также температуру жидкости.

5. Определите коэффициент k.

6. По формуле (3) рассчитайте s, заполните таблицу 16

7. По мере повышения температуры изменения sпроводите через 5-10 ⁰С (перед измерением необходимо отключить нагреватель и выждать 5мин; всего необходимо провести не менее семи измерений).

Таблица 16

№ опыта	t, oC	H, мм. вод ст.	Dp, Па	s, H/м

8. Постройте график зависимости s = ¦(t). Аппроксимируйте экспериментальные точки линией вида (4), вычислите коэффициентBи величину.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости? В каких единицах он измеряется?

2.Как зависит коэффициент поверхностного натяжения от температуры? Когда и почему он равен нулю?

3.Какая жидкость называется смачивающей, какая - несмачивающей? Приведите примеры.

4.Что такое "краевой угол"?

5.Выведите формулу Лапласа. Чему равно дополнительное давле­ние в случае цилиндрической поверхности, плоской поверх­ности?

6.Чем обусловлено внутреннее давление в жидкости?

7.Выведите формулу Жюрена.

8.Чему равно давление в пузырьке воды, находящемся на глубине 50 см от поверхности жидкости, если его радиус равен 0.5 см.