Изучение температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом максимального давления в пузырьке

Лабораторная работа № 13

Изучение температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом

максимального давления в пузырьке.

Цель работы: Определить коэффициент поверхностного натяжения неизвестной жидкости, изучить зависимость коэффициента поверхностного натяжения от концентрации раствора и зависимость коэффициента поверхностного натяжения  воды  от  температуры.

Приборы и принадлежности: установка, стаканы, электроплитка, термометр, исследуемые жидкости различных концентраций.

Описание установки

Установка (рис. 13.1 ) состоит из аспиратора А, соединенного резиновыми трубками с микроманометром М и верхним воздушным пространством плотно закрытой колбы Д,  в которую наливается некоторое количество исследуемой жидкости. В колбу Д вводится так же стеклянная трубка С, нижний конец которой оттянут, а верхний соединен с атмосферой. Оттянутый конец трубки С помещается на уровне исследуемой жидкости так, чтобы он по всему периметру соприкасался с ее поверхностью.

Если из аспиратора А вытекает вода, то давление воздуха внутри сосуда Д понижается и при некотором значении Р под действием атмосферного давления Р₀ через капилляр в жидкость продавливается пузырек воздуха. Разность Р₀ – Р   измеряется микроманометром М (в мм. водного ст.) .

Для исследования s дистиллированной воды от температуры сосуд Д помещается на плитку.

Система «аспиратор – колба – манометр» соединяются через кран (пробку) отростка О с атмосферой.

Теория метода

   Если,  закрыв кран (пробку) отростка О, слегка приоткрыть кран В аспиратора А, то вода начнет медленно вытекать из него и давление в колбе будет постепенно понижаться. Разность давлений  DР  внутри и вне колбы приводит к возникновению на нижнем оттянутом конце трубки воздушного пузырька, объем которого растет с ростом DР. Давление внутри газового пузырька в жидкости в момент отрыва равно атмосферному. Это давление уравновешивается давлением  Р над поверхностью жидкости в сосуде Д и давлением, обусловленным поверхностным натяжением Р₁ :                   (1)

Найдем Р₁. Рассмотрим пузырек газа радиусом R и рассечем его мысленно горизонтальной плоскостью (рис. 13.2). Вследствие поверхностного натяжения верхняя часть пузырька будет притягиваться нижней, причем на каждый элемент длины пограничной линии будет действовать сила , направленная по касательной к поверхности пузырька. Определим элементарную силу нормального давления  на площадь сечения :

                                      (2)

Переходя к пределу и интегрируя по всей длине пограничной линии, получим полную силу нормального давления:

                              (3)

Таким образом, величина нормального давления на единицу площади сечения S равна:

                                          (4)

Этот вывод справедлив для любого сечения. Поэтому давление в любой точке пузырька

                                                     (5)

Давление в пузырьке будет максимальным, когда радиус Rего будет минимальным, т.е. равным радиусу капилляра r . Тогда

                                                  (6)

Величина  есть постоянная прибора, которая определяется изменением  DP для жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения.

Тогда для исследуемой жидкости

                                                  (7)

где  К – постоянная  прибора.

Для нахождения К необходимо провести опыт с жидкостью, коэффициент поверхностного натяжения которой хорошо известен, например, с дистиллированной водой. Тогда для дистиллированной воды формула (7) примет вид

                                                (8)

где s₀ - коэффициент поверхностного натяжения дистиллированной воды при определенной температуре, определяется из таблиц;

DP₀ – разность давлений при проведении опыта с дистиллированной водой.

Тогда

                      (9)

Проведя опыт с любой жидкостью, коэффициент поверхностного натяжения которой неизвестен, и определив по манометру из опыта  для этой жидкости можно найти коэффициент поверхностного натяжения этой жидкости s по формуле

                                        (10)

Подготовка и проведение эксперимента

Упражнение 1. Определение постоянной прибора

1.  Заполнить аспиратор А водой и плотно закрыть пробкой.

2.  Промыть трубку С сначала спиртом, а затем дистиллированной водой.

3.  Колбу Д заполнить дистиллированной водой, для которой коэффициент поверхностного натяжения s₀ известен.  Измерить температуру дистиллированной воды в колбе Д и по таблице