Работа 5.4.2. Измерение поверхностного натяжения жидкости с помощью капилляров.

Цель работы: освоить метод измерения поверхностного натяжения жид­кости; исследовать зависимость поверхностного натяжения от рода жид­кости и ее температуры.

Оборудование: набор из двух капилляров с разными диаметрами отверстий; штатив с муфтой и лапкой; стакан с во­дой; стакан с мыльным раствором; стакан с раствором сахара; ареометр; набор иголок; спиртовка; салфетка.

Содержание и метод выполнения работы

Метод измерения поверхностного натяжения в данной работе основан на использовании капиллярной трубки.

При полном смачивании жидкость в капиллярной трубке поднимается по отношению к ее уровню в широком сосуде на высоту , где — поверхностное натяжение, r — внутренний радиус капиллярной трубки, — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения.

Для нахождения поверхностного натяжения надо измерить высоту h поднятия жидкости, радиус r капилляра, плотность жидкости и по таблицам найти (или измерить на опыте) значение ускорения свободного падения g для данной широты. Однако непосредственное измерение высоты h с достаточной точностью затруднительно потому, что поверхность воды на границе стекло — вода изогнута. Поэтому целесообразно опустить в воду две капиллярные трубки разного радиуса r₁ и r₂, в которых жидкость поднимается соответственно на высоты и .

Тогда искомое значение поверхностного натяжения можно вычислить по разности h₁— h₂ высот поднятия жидкости в капиллярных трубках. Действительно . Откуда .

Порядок выполнения работы

1. Закопченную иглу введите в капилляр и в отмеченном месте иглы микромером измерьте ее диаметр. По результатам измерений определите радиус r капиллярной трубки.

2 . Промойте капиллярные трубки раствором двухромовокислого калия, дистиллированной водой и спиртом, а затем просушите их, продувая нагретый воздух.

3. Заполните стакан доверху водой при комнатной температуре.

4. Укрепите трубки 1 в держателе 2 на штативе 3 так, чтобы они погрузились на 1—2 см в воду (рис. …), и используя отвес 4 установите их вертикально.

5. Приподнимите стакан с водой и положите под него подставку 5 (трубки при этом погрузятся в жидкость на 4—7 см); подождите 1—2 мин, чтобы стенки трубок хорошо смочились водой.

6. Уберите подставку (опустите стакан с водой) и измерьте по шкале держа­теля разность уровней жидкости в капиллярах .

7. Повторите измерения не менее трех раз и вычислите поверхностное натяжение для каждого измерения, а затем найдите его среднее значение.

8. Повторите измерения и вычисления, используя стакан с мыльным раствором или с раствором сахара в воде.

9. Результаты вычислений и измерений запишите в таблицу.

Жидкость	, 10-3 мм	,10- 3 м	,10-3 м	,10- 3 м	, 10-3
Вода
Мыльный раствор
Раствор сахара

9. Вычислите относительную и абсолютную погрешности измерений.

.

Суперзадание. Предложите способ определения радиуса капилляра без использования иголки и микрометра.

Контрольные вопросы

1. Как, сравнивая высоту уровней двух жидкостей в капиллярных трубках одинакового радиуса, определить, у какой из них больше поверхностное натяжение?

2. Зависит ли поверхностное натяжение жидкости от радиуса капилляра?

3. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

4. Почему поверхностное натяжение жидкости зависит от ее температуры?

Работа 5.4.3. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Оборудование: бюретка с краном; два сосуда объемом 50 см³ с эталонной (дистиллированная вода) и исследуемой жидкостью; ареометр; термометр.

Содержание и метод выполнения работы

Капли образуются при медленном истечении жидкости из небольшого отверстия, при стекании жидкости с края поверхности, при распылении, эмульгировании, конденсации пара на твердых несмачиваемых поверхностях, листьях деревьев, траве и т. д. Форма капли определяется как силами поверхностного натяжения, так и внешними силами, и в первую очередь силой тяжести. Форма микроскопических капель или капель в состоянии невесомости всецело определяется силами поверхностного натяжения. Поэтому они имеют строго шарообразную форму.

Ф орма и размер капель, отрывающихся от конца капиллярной трубки, зависят не только от силы поверхностного натяжения, но и от диаметра трубки и плотности вытекающей жидкости. Когда капля мала, сила поверхностного натяжения превосходит силу тяжести. При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли постепенно растет. На рис. … показан процесс образования капли. Перед отрывом капли образуется шейка (рис., а, б), радиус r которой несколько меньше радиуса капиллярной трубки. Вдоль окружности шейки действует сила поверхностного натяжения, модуль

которой (рис., г), которая в момент отрыва должна быть равна модулю силы тяжести капли: . Отсюда следует, что по значению силы тяжести или массы т капли можно найти поверхностное натяжение: , где – плотность жидкости.

Масса капли определяется взвешиванием на аналитических весах. Определение радиуса шейки, который в процессе формирования капли является величиной непостоянной, представляет большие трудности. Кроме того, в момент отрыва капли ее объем включает не всю массу капли. Большая и маленькая капли (рис., в) отрываются от конца капиллярной трубки, и, следовательно, их массы будут определены. Оставшаяся же у конца трубки часть капли (рис., в) не будет учтена. Поэтому расчет по­верхностного натяжения по формуле (1) дает значения , отличающиеся от табличных.

Трудности измерения радиуса r шейки капли можно исключить, используя метод сравнения поверхностного натяжения исследуемой жидкости с поверхностным натяжением эталонной жидкости, например дистиллированной воды, который известен.

Д ля повышения точности измерений находят массу n капель исследуемой и п₀ эталонной жидкостей в одинаковом объеме V.

Пусть при истечении жидкости из объема V между метками 3 и 2 (рис. …) вытекло п капель исследуемой и п₀ капель эталонной жидкостей. Тогда

и , где ρ и ρ_о — плотности исследуемой и эталонной жидкостей. Считая радиусы шейки капель исследуемой и эталонной жидкостей мало отличающимися друг от друга и решив уравнения (3) относительно , получим расчетную формулу для определения поверхностного натяжения иссле­дуемой жидкости: .

Порядок выполнения работы.

1. В бюретку до уровня немного выше метки 3 (рис.) налейте эталонную жидкость (дистиллированная вода).

2. Отрегулируйте скорость истечения жидкости из бюретки краном 1 так, чтобы она была равна двум-трем каплям в секунду.

3. Подсчитайте число капель п при понижении уровня жидкости в бюретке между метками 3 и 2.

4. Промыв бюретку 90%-ным раствором спирта в воде, налейте в нее такое же количество исследуемой жидкости (раствор сахара, или мыльный раствор) и аналогичным способом подсчитайте число капель в том же объеме.

5. Измерьте температуры эталонной и исследуемых жидкостей

6. Плотности исследуемых жидкостей измерьте ареометром, а плотность и поверхностное натяжение дистиллированной воды возьмите из таблиц.

Жидкость	Дистиллированная вода	Раствор сахара в воде	Раствор мыла в воде
Число капель п
Плотность ,
, 10-3

7. Рассчитайте поверхностное натяжение исследуемых растворов.

8. Результаты измерений, табличные и расчетные величины занесите в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Изменится ли результат вычисления, если: а) взять бюретку с меньшим диаметром канала, б) провести опыт в другом месте земного шара, в) повысить температуру жидкости?

2. Почему в работе рекомендуется проводить измерения для возможно большего числа капель?

3. Какие величины надо при определении поверхностного натяжения измерять с наибольшей точностью?

Работа 5.4.4. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Оборудование: бюретка обыкновенная с краном, воронка химическая, весы учебные с разновесом, сосуд с дистиллированной водой, экран с наклеенной миллиметровой бумагой, стакан высокий ВН-500, осветитель для теневого проецирования и подсвета.

Содержание и метод выполнения работы

У становка для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель изображена на рисунке …. Основная ее часть — бюретка обыкновенная с краном и воронка. Для определения диаметра шейки капли перед отрывом ее освещают расходящимся пучком света и на экране получают увеличенную тень капли. Чтобы найти увеличение теневого изображения капли, поступают следующим образом. С помощью прикрепленной к экрану миллиметровой бумаги измеряют размеры теней шейки и трубки. Если внешний диаметр трубки D, а размер ее тени D₁, то увеличение равно . Очевидно, что во столько же раз размер тени шейки d₁ будет превышать ее истинный диаметр d: , откуда .

Менее точно диаметр отверстия бюретки можно определить, пользуясь иглой, измерив, ее диаметр, соответствующий сечению, совпадающему с отверстием бюретки микрометром.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомившись с установкой, закройте кран и налейте в воронку капельницы дистиллированную воду. При наполнении капельницы водой обратите внимание, чтобы в трубке бюретки не оставались пузырьки воздуха.

2. Подставив под отверстие бюретки сосуд с водой и, постепенно приоткрывая кран, добейтесь медленного отрывания капель от бюретки, чтобы капли падали друг за другом через 3—5 с, тогда можно считать, что их отрыв происходит только под действием силы тяжести.

3. Расположите, осветитель и экран так, чтобы тени капли и конца трубки на экране были четкими. Наблюдая за падением капель, измерьте на экране d₁ и D₁ и определите d.

4. Взвесьте стакан с точностью до десятых долей грамма.

5. Поставьте его под равномерно падающие капли и отсчитайте 50—100 капель.

6. Взвесьте стакан снова и найдите массу воды.

7. Повторите опыт для иных чисел капель, определяя каждый раз их массу.

8. Все полученные значения величин занесите в таблицу:

№ п/п	Число капель n	Диаметр шейки капли	Масса стакана m, г	Масса стакана с водой m1, г	Масса капель М, г	σ, 10-3
1
2
3

9. Пользуясь данными таблицы и формулой определите коэффициент поверхностного натяжения для каждого отдельного измерения. Найдите среднее значение σ.

10. Определите абсолютную и относительную погрешности результата.

Примечание. При вычислении погрешностей надо иметь в виду следующее. Количество капель как результат счета есть точное число; если принять =3,14 и =9,81 м/с², то относительные погрешности этих величин так же, как и массы капли, будут слишком малыми по сравнению с относительной погрешностью измерения диаметра шейки капли, чтобы заметным образом повлиять на относительную погрешность результата. Поэтому можно считать .

Контрольные вопросы

1. Изменится ли результат вычисления, если: а) взять бюретку с меньшим диаметром канала, б) провести опыт в другом месте земного шара, в) повысить температуру жидкости?

2. Почему в работе рекомендуется проводить измерения для возможно большего числа капель?

3. Какие величины надо при определении поверхностного натяжения измерять с наибольшей точностью?