Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости и исследование зависимости его величины от температуры и примесей

Балтийский Государственный Технический Университет им. Устинова

Лабораторная работа № 2.

«Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости и исследование зависимости его величины от температуры и примесей»

Санкт-Петербург

2005г.

Цель работы:

Ознакомление с методами измерения коэффициента поверхностного натяжения и изучение влияния температуры и примесей на величину коэффициента поверхностного натяжения.

Приборы:

В работе используется установка для определения коэффициента поверхностного натяжения методом максимального давления в пу­зырьках.

Рабочие формулы:

I.

где - радиус капилляра (значение  указано на установке);

где          - плотность жидкости в

манометре;

II.

III.                                     

где- плотность вода

 - уровни воды  в левом   и правом коленах манометра

Эскиз установки:

1. капилляр
2. электронагреватель
3. трансформатор
4. тумблер
5. манометр
6. стойка 6
7. капилляр
8. капилляр
9. груша
10. сосуд
11. игольчатый кран
12. винт
13. шкала

Описание установки

установка для определения коэффициента поверхностного натяжения

методом максимального давления в пу­зырьках. Капилляр I опущен в стакан с дистиллированной водой. С помощью электронагревателя 2 изменяется тем­пература воды. Напряжение к электро­нагревателю подводится от трансформа­тора 3 и включается тумблером 4. Манометр 5 позволяет измерить избыточ­ное над атмосферным давление в капил­ляре: где- плотность вода

 - УРОВНИ   ВОДЫ  в левом   и

правом коленах манометра. На стояке б укреплены также капилля­ры 7 и 3,  опущены в  соответственно в стаканы с раствором поваренной соли в воде и с мыльным раствором. Воздух накачивается грушей  9 в сосуд 10 и через игольчатый кран II поступает по шлангу в капилляры. Краны открывают доступ воздуху соответ­ственно в капилляры

Порядок выполнение работы:

1. Открыть кран (ручка расположена вертикально). Краны  закрыть (ручки кранов расположены горизонтально). Кран

        соединяющий грушу с сосудом 10, должен быть закрыт.

2. Опустить с помощью винта 12 капилляр I в стакан с дистиллированной водой так, чтобы капилляр коснулся поверхности воды.
3. Наблюдать появление отрывавшихся пузырьков воздуха. Пузырьки должны отрываться через 2-3 сек. Если пузырьки отрываются медленно или не отрываются совсем, открыть кран К и подкачать грушей 9 воздух в сосуд 10. Закрыть кран К и очень осторожно малым поворотом игольчатого крана II добиться того, чтобы через каждые 2-3 сек.  от капилляра отрывался пузырек воздуха.
4. Измерить шесть раз минимальный   уровень жидкости в левом колене манометра и максимальный уровень жидкости  в правом колене манометра при отрыве пузырьков. Результаты измерения  и  занести в табл.
5. Опустить капилляр 7 в стакан с раствором соли так, чтобы он коснулся раствора соли. Открыть кранпосле этого закрыть кран         Недопустимо, чтобы краныбыли одновременно

      закрыты.

6. Наблюдать появление отрывающихся от капилляра пузырьков воздуха. Пузырьки должны отрываться через 2-3 с. Если они отрыва­ются медленно,  то открыть кран К и подкачать грушей воздух в сосуд 10. Закрыть кран К (игольчатый кран II не трогать).
7. Измерить шесть раз минимальный уровень жидкостив левом колене и максимальный уровень жидкости  в правом колене манометра при отрыве пузырьков. Результаты измерений занес­ти в табл.
8. Повторить аналогичные измерения для мыльного раствора
9. Опустить с помощью винта 12 капилляр I в стакан с дисти­ллированной водой так, чтобы он коснулся поверхности воды,  отме­тив при этом,  против какого деления шкалы 13 находится указатель. Затем опустить капилляр так, чтобы его конец был ниже уровня во­ды на 10 мм .  Глубину погружения измерить по шка­ле № 13.
10. Открыть кран закрыть кран
11. Выполнить измерения  при отрыве пузырьков.
12. Включить трансформатор в сеть и следить за показаниями
    термометра,  опущенного в воду. Выполнить однократные измерения  для шести значений температуры в интервале, темпера­тур от (приблизительно через 10°). Во время изме­рения                      выключать электронагреватель. Результаты изме­рений занести в табл.
13. Выключить трансформатор из сети.
    
    

Таблица I

Дистиллированная вода	h1
	h2
Раствор соли в воде	h1
	h2
Раствор мыла в воде	h1
	h2

Таблица II

h0 =10 мм
t
h1
h2

Обработка данных и анализ результатов измерений

Контрольные вопросы и ответы.

Вопрос I.

Природа поверхностного натяжения. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения?

Ответ I.

На молекулы жидкости действуют силы притяжения со стороны других молекул. Для перехода молекулы из внутренних частей жидкости на её поверхность требуется затрата работы. Таким образом, благодаря действию молекулярных сил поверхностный слой жидкости обладает дополнительной энергией, которая входит составной частью, во внутреннюю энергию жидкости. Жидкость, предоставленная самой себе, принимает форму с минимальной поверхностью, т.е. шара, так как положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии. Работа, которую надо затратить, чтобы изометрически и квазистатически увеличить поверхность жидкости на ед., называется коэффициентом поверхностного натяжения    .

Вопрос II.

Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры.

Ответ II.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от t. С увеличением t коэффициент поверхностного натяжения уменьшается, так как при повышении t ослабляется межмолекулярное взаимодействие в жидкости и растет плотности насыщенного пара. При критической t плотность насыщенного пара равна плотности жидкости и коэффициент поверхностного натяжения равен нулю.

Вопрос III.

Давление под искривленной поверхностью жидкости.

Ответ III.

При соприкосновении твердого тела с жидкостью поверхность жидкости искривляется за счёт взаимодействия молекул жидкости и твердого тела. Наиболее заметно искривление поверхности в участке взаимодействия твердого тела и жидкости. Это искривление больше чем между молекулами жидкости, то поверхность жидкости в капилляре вогнутая (при смачивании). При несмачивании поверхность жидкости выпуклая.

Вопрос IV.

Явление на границе жидкости и твердого тела. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления.

Ответ IV.

Искривленная поверхность жидкости оказывает на нижеследующие слои добавочное давление. В случае выпуклой поверхности жидкости равнодействующая всех сил поверхностного натяжения dF, приложенных к контуру L, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Можно показать, что добавочное давление, которое из-за этого возникает, определяется по формуле: P_доб=     (1/R₁+1/R₂). При выпуклом мениске добавочное давление положительно (направленно внутрь жидкости), при вогнутом мениске – отрицательно. Если капилляр погрузить одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то уровень жидкости в капилляре будет выше уровня жидкости широком сосуде, в случае смачивания. И ниже уровня жидкости в сосуде в случае несмачивания. Обусловленное поверхностным натяжением добавочное давление называется капиллярным давлением.