1.3. Капиллярный метод

Явления смачивания и несмачивания являются причиной капиллярных явлений, которые имеют большую практическую значимость. Суть их приведена ниже.

Если узкую трубку (капилляр) с открытыми концами поместить одним концом в жидкость, то вследствие явлений смачивания или несмачивания, речь о которых шла выше, поверхность жидкости в капилляре искривляется (рис. 9).

Рис. 9. Поведение жидкости в капиллярах

Причем радиус кривизны жидкости сравним с радиусом капилляра. Такая искривленная свободная поверхность жидкости в месте её соприкосновения с поверхностью твердого тела называется мениском. В зависимости от формы искривления жидкости мениск может быть вогнутым и выпуклым. Из-за действия межмолекулярных сил искривленная поверхность жидкости будет оказывать на жидкость добавочное давление. Если жидкость смачивает поверхность капилляра, то поверхность ее будет вогнутой (вогнутый мениск), а добавочное давление – отрицательным. Из-за разности давлений жидкость будет подниматься по капилляру до некоторой высоты hсм. рис. 9,а).

В случае, если жидкость не смачивает капилляр, ее поверхность будет выпуклой (выпуклый мениск), добавочное давление – положительным, следовательно, уровень жидкости в капилляре будет ниже уровня жидкости снаружи (см. рис. 9, б).

Добавочное давление под искривленной поверхностью жидкости определяется по формуле

, (11)

где R– радиус кривизны поверхности жидкости.

Если жидкость в капилляре поднялась (или опустилась) до какого-то уровня h(см. рис. 9,а) и остановилась, значит, гидростатическое давление уравновешено добавочным давлением искривленной поверхности жидкости:

, (12)

где ρ– плотность жидкости.

Как мы видим, высота поднятия жидкости в капилляре связана с коэффициентом поверхностного натяжения. Это позволяет определять αпо высоте поднятия жидкости.

Для определения поверхностного натяжения погрузим стеклянный капилляр в воду и измерим высоту h, на которую вода поднимется в капилляре.

Можно с хорошей точностью считать, что вода полностью смачивает стекло. При этом краевой угол равен 0⁰, а радиус кривизны поверхности жидкости равен радиусу капилляраr, который можно измерить с помощью микроскопа.

Следовательно,

. (13)

2. Порядок выполнения работы

2.1. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца

Для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца необходимо произвести следующие действия.

1. Снять кольцо с пружины. Измерить штангенциркулем внешний и внутренний диаметры кольца. Измерения провести по три раза, результаты занести в табл. 1.

Таблица 1

№ опыта	D1, мм	D2, мм	x0, мм	x1, мм	h1, мм	h2, мм	, Н/м
1
2
3
Среднее			–	–

2. Повесить кольцо на пружину. Опустить винтом кольцо до его соприкосновения с жидкостью. Снять по шкале отсчет указателя x₀и занести его в табл. 1.

3. Поднять кольцо над поверхностью жидкости на 10–15 мм. Прикрепить к кольцу груз массой 2 г (P = 19,610^-3 Н).Опустить винтом кольцо до соприкосновения с жидкостью. Снять по шкале отсчет указателяx₁и занести его в табл. 1.

4. Снять груз.

5. Поднять кольцо над поверхностью жидкости на 10–15 мм. Вращением винта опустить кольцо до соприкосновения с водой (опускать до тех пор, пока всяплощадь кольца не соприкоснется с жидкостью). Снять по шкале отсчет указателяh₁и занести его в табл. 1.

6. Вращением винта медленно поднимать кольцо до тех пор, пока оно не оторвется от жидкости. В момент отрыва прекратить подъем, снять по шкале отсчет указателя h₂и занести его в табл. 1.

7. Повторить пункты 5–6 три раза для каждого из трех опытов.

8. Найти средние значения всех измеренных величин.

9. Рассчитать по формуле (10) коэффициент поверхностного натяжения  для каждого из трех опытов.

10. Найти среднее значение коэффициента поверхностного натяжения.

11. Найти абсолютные случайные погрешности измерения всех величин.

12. Найти относительную погрешность измерения α по формуле

, (14)

где ,,,.

13. Найти абсолютную погрешность измерения .

14. Записать результат измерений с учетом абсолютной погрешности.

15. Сравнить значения , полученные экспериментально со справочными значениями.

16. Сделать выводы.