Лабораторна робота № 207
ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО
НАТЯГНЕННЯ ПО ВИСОТІ ПІДНЯТТЯ РІДИНИ
У капілярну трубку
Мета роботи: експериментально визначити коефіцієнт поверхневого натягу досліджуваної рідини по висоті підняття її в капілярних трубках.
Прилади й приналежності:
набір капілярних трубок різного діаметру,
держатель капілярних трубок,
стакан для рідини.
1. ЕНЕРГІЯ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ
І ПОВЕРХНЕВЕ НАТЯГ РІДИН
На поверхні рідини, поблизу кордону, що розділяє рідина і її пар, молекули відчувають міжмолекулярної взаємодії, що відрізняється від міжмолекулярної взаємодії молекул, яке вони відчувають, перебуваючи всередині об'єму рідини.
На рис. 1 молекула а. перебуваючи всередині об'єму рідини, з усіх боків оточена іншими молекулами тієї ж рідини, які впливають на неї в середньому однаковими силами, рівнодіюча яких тому виявляється рівною нулю. Молекула b. що знаходиться в поверхневому шарі рідини, такими ж молекулами оточена тільки з боку нижньої півсфери (концентрація молекул пари цієї рідини або газу, з яким межує рідина, у багато разів менше концентрації молекул рідини, тому силами взаємодії з молекулами пари або газу з боку верхньої півсфери можна знехтувати). В результаті на молекули, що знаходяться в поверхневому шарі, діє спрямована всередину рідини рівнодіюча сила
Для перенесення молекул з глибини об'єму рідини в поверхневий шар необхідно зробити роботу з подолання сили Ця робота йде на збільшення поверхневої енергії. Так називається потенційна енергія молекул поверхневого шару.
Коефіцієнтом поверхневого натягу жідкостіназивается фізична величина, чисельно рівна роботі, необхідної для ізотермічного збільшення поверхні рідини на одиницю площі:
З формули (1) видно, що коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в
На кордоні дотику рідин з твердими тілами спостерігаються явища змочування (несмачіванія), при яких відбувається викривлення вільної поверхні рідини біля стінки твердого тіла. Поверхня рідини, викривлена на кордоні її зіткнення з твердим тілом, називається меніском. Лінія, по якій меніск стикається з твердим тілом, називається периметром змочування. Явища змочування (несмачіванія) характеризуються крайовим угломq між поверхнею твердого тіла і меніском в точках їх перетину (див. Рис. 2).
Рідина є смачивающей, якщо крайової кут гострий (0 Якщо поверхню рідини обмежена якимось контуром, то коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі, що діє на одиницю довжини контуру, що обмежує поверхню: Вектор сили поверхневого натягу спрямований по дотичній до поверхні, яку охоплює контуром і перпендикулярний йому (рис. 3). З виразу (2) випливає, що коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в. 3. капілярних явищ У вузькій трубці - капілярі (від лат. Capillus - волосся, тобто капіляр - трубка тонка, як волосся) рівень смачивающей рідини вище, ніж в щоповідомляється з ним широкому посудині, а рівень не смачивающей рідини, навпаки, нижче (див. рис. 4). Зміни висоти рівня рідини в капілярах називаються капілярними явищами. Вони пов'язані з тим, що для рівноваги смачивающей рідини в капілярі надлишковий тиск, що створюється силами поверхневого натягу, має врівноважуватися гідростатичним тиском. Як відомо, гідростатичний тиск може бути знайдено за формулою: де r - щільність рідини, g - прискорення сили тяжіння, h - висота стовпа рідини. Надмірний тиск може бути знайдено як відношення сили поверхневого натягу до площі поверхні, на яку вона діє: а сила поверхневого натягу, в свою чергу, може бути виражена з (2) де l - довжина контуру. У разі циліндричного капіляра де r - радіус капіляра. тоді Прирівнюючи (4) і (3), отримаємо для висоти підняття рідини h в капілярі наступну формулу: Ця формула, строго кажучи, справедлива тільки для рідин практично повністю змочують (або не змочують) поверхню твердого тіла, тобто в цьому випадку крайової кут q # 8771; 0, а cosq # 8771; 1 (або q # 8771; p. а cos q # 8771; - 1 в разі не смачивающей рідини). 4. ОПИС РОБОЧОЇ УСТАНОВКИ І МЕТОДУ У даній роботі використовуються три капіляра, радіуси яких r1. r2. r3 потрібно визначити. При вертикальному опусканні капілярів в посудину з водою висоти підняття рідини в капілярах будуть відповідно h1. h2. h3. У цьому випадку коефіцієнт поверхневого натягу, що отримується з формули (5) дорівнює Значення h1. h2 і h3 знаходять за допомогою катетометри КМ-8, який складається з колонки на тринозі, вимірювальної каретки із зоровою трубою і відліковим мікроскопом (рис. 5).0). Наприклад, вода змочує скло, ртуть змочує цинк. Для рідин, що не змочують тверде тіло, крайовий кут тупий (p ¤ 2
На тринозі 1 встановлена колонка 2. За допомогою рукояток 3 колонку можна повертати навколо вертикальної осі. Грубе переміщення по вертикалі вимірювальної каретки 4. несучої зорову трубу, проводиться від руки при негативному гвинті 5. точне - за допомогою мікрометричного гвинта 6 при закріпленому гвинті 5. Наведення на різкість зображень масштабної сітки і штрихів шкали проводиться окуляром 7. а вимірюваного об'єкта - гвинтом 8.
Перед вимірюванням необхідно включити в мережу через трансформатор освітлювальну частину отсчетного мікроскопа.
При вимірах потрібно дотримуватися наступного порядку:
1. Відмінити закріплення гвинт 5 і перемістити вимірювальну каретку 4 на рівень обраної точки об'єкта.
2. Встановити окуляр 7 зорової труби на різкість зображень масштабної сітки і шкали.
3. Провести наводку на різкість зображення вимірюваного об'єкта за допомогою гвинта 8. Потім за допомогою мікрометричного гвинта 6 при закріпленому гвинті 5 зробити точну наводку зорової труби на обрану точку об'єкта.
4. Сітка зорової труби має перехрестя, лівий горизонтальний штрих якого виконаний у вигляді кутового біссектора на рівні горизонтального штриха (див. Рис. 6).
5. Для того щоб виміряти внутрішній діаметр капіляра потрібно за шкалою (див. Рис. 7) зняти перший відлік. Для цього необхідно перехрестя зорової труби розташувати так, як показано на рис. 6 (положення 1 - нижня точка внутрішнього діаметра капіляра). Потім, переміщаючи каретку катетометри за допомогою мікровінта 6 (при закріпленому гвинті 5) наводять зорову трубу на другу точку внутрішнього діаметра капіляра (точка 2 на рис. 6). Різниця між двома відліками шкали дасть величину вимірюваного відрізка (в нашому випадку - діаметра капіляра).
Тому для зручності обчислень коефіцієнта поверхневого натягу води в формулу (6) замість r1. r2 і r3 краще поставити значення внутрішніх діаметрів капілярних трубок d1. d2. d3. безпосередньо вимірюваних за допомогою катетометри. Тоді формула (6) набуде вигляду:
Формула (7) є розрахунковою.
В поле зору окуляра зорової труби видно міліметрова шкала, позначена великими цифрами (ліворуч), та масштабна сітка (рис.7). Індексом для відліку цілих міліметрів служить нульовий біссектор десятих часток міліметра. На рис. 7 145-й штрих шкали пройшов нульовий біссектор. Відлік дорівнює 145 мм плюс відрізок від 145-го штриха до нульового біссектора. У цьому відрізку число десятих часток міліметра позначено цифрою останнього пройденого біссектором десятих часток міліметра, в даному випадку цифрою 3.
Відлік сотих часток міліметра виробляється в горизонтальному напрямку сітки там, де міліметровий штрих шкали розташований точно посередині біссектора. На рис. 7 міліметровий штрих перетинає 5-у «вертикаль». Остаточний відлік дорівнює 145,35 мм.
Для підвищення точності вимірювань діаметрів капілярів, відліки беруть не менше трьох разів і визначають їх середнє значення.
5. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ ТА ОБРОБКА
1. Через трансформатор включають в мережу освітлювальну частину отсчетного мікроскопа катетометри.
2. Чисті, вимиті в дистильованої воді, капілярні трубки, закріплені в загальному тримачі, встановлюють горизонтально і вимірюють їх внутрішній діаметр (3 рази для кожного капіляра) згідно з порядком вимірювання катетометри. З отриманих значень беруть середнє арифметичне і результати вимірювань заносять в таблицю.
3. Капілярні трубки встановлюють вертикально і опускають в посудину з водою так, щоб нижні кінці капілярів були нижче рівня рідини на 5-6 см. Через 1-2 хвилини їх піднімають, не виймаючи з води і затискають за допомогою лапки штатива.
4. Послабивши гвинт 5. переміщують каретку 4 по вертикалі і, використовуючи рукоятки 3. наводять зорову трубу на один з капілярів (ізображеніеоб'ектав поле зору перевернуте). За допомогою гвинта 8 домагаються різкого зображення досліджуваного об'єкта (в нашому випадку - різкого зображення меніска).
Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу s (див. Формулу (7)) досить визначити різниці висот стовпів води в капілярах: h1 - h2. h1 - h3 і h2 - h3. Тому за допомогою катетометри знімають відлік тільки положень вершин менісків. Результати вимірювань занесіть в таблицю.
Щільність води r = ... кг / м 3. прискорення сили тяжіння g = ... м / c 2
5. За формулою (7), яка складається з трьох незалежних частин, розрахуйте коефіцієнти поверхневого натягу води, позначивши їх як s1. s2. s3. Потім визначте середнє арифметичне значення.
6. Знаходять абсолютну D s і відносну Е похибки результату, виходячи з табличного значення шуканої величини:
Табличне значення коефіцієнта поверхневого натягу води при 20 ° С sтабл = 72,5 × 10 - 3 Н / м.
6. Питання для допуску ДО РОБОТИ
2. Що називається коефіцієнтом поверхневого натягу? В яких одиницях він вимірюється?
3. Пристрій катетометри КМ-8 і його значення в даній роботі. З якою точністю можна робити виміри за допомогою катетометри?
4. Запишіть робочу формулу і поясніть що входять до неї величини.
7. ПИТАННЯ ДЛЯ ЗАХИСТУ РОБОТИ
2. Дайте визначення меніска, крайового кута.
3. В чому полягає явище змочування (НЕ змочування) рідиною поверхні твердого тіла. Наведіть приклади.
4. Від чого залежить висота підняття рідини в капілярі? Виведіть формулу (5).
5. Отримайте робочу формулу (6) для розрахунку коефіцієнта поверхневого натягу рідини.
6. Які чинники можуть вплинути на результат експерименту на робочій установці?