2. Описание, экспериментальной установки

Для определения коэффициента поверхностного натяжения можно использовать следующие методы.

1. Метод взвешивания капель довольно точный и наиболее распро­страненный лабораторный метод для измерения поверхностного натя­жения на границе раздела: жидкость-воздух; жидкость-жидкость. Из­мерения заключаются в следующем (рис. 12.2). На конце трубки форми­руются капли, их собирают в контейнер до тех пор, пока можно будет достаточно точно определить вес, приходящийся на одну каплю. Про­стое выражение для определения веса капли получило известностькак закон Тэйта (1864 г.):

, (12.6)

где – диаметр трубки.

Уравнение (12.6) выводится из представления о том, что макси­мальная сила, удерживающая каплю, равна поверхностному натяжению, умноженному на длину окружности кончика трубки. Точность опреде­ления коэффициента поверхностного натяжения этим методом может достигать 0,1 %.

На штативе крепится стеклянная трубка с краном. Под трубкой ставится предметный столик, на нем находится колба – контейнер для сбора капель.

2. Метод отрыва кольца. Коэффициент поверхностного натяжения можно определить пу­тем измерения силы, которую нужно приложить перпендикулярно к поверхности жидкости для отрыва различных твердых тел от этой по­верхности. Если отрываемое тело смачивается жидкостью, то вместе с ним поднимается и некоторое количество жидкости (рис. 12.4) и свобод­ная поверхность этой жидкости увеличивается. Так как эта поверхность всегда стремится сократиться, то возникает сила поверхностного натя­жения. При равенстве силы, действующей на тело, и силы поверхност­ного натяжения тело оторвется. В нашем случае в качестве такого тела берется тонкое кольцо.

При поднятии кольца из жидкости внут­ренняя и внешняя поверхность кольца образуют тонкие пленки с водой. Каждаяиз этих пленок действует на кольцо с силой направленной вниз, и равной:

,

где и– соответственно внешний ивнутренний диаметры кольца. Тогда:

. (12.7)

Для измерения силы можно пользоваться установкой, изобра­женной на рис 12.5. На штативе 4 закреплены рычажные весы. К чашке 1 прикреплено металлическое кольцо К, чашку 2 используют для уравно­вешивания весов. На предметном столике 3 находится сосуд С, запол­няемый жидкостью.

3. Выполнение упражнений и обработка результатов измерений

Упражнение 1. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом взвешивания капель.

1. Зарисовать таблицу 12.1.

Таблица 12.1

№	=…°С, = …мм,=…кг, = 9,8 м/с2
		, кг	, кг	, Н/м2
1	50
2	60
3	70
4	80
5	90

2. С помощью термометра определить температуру в лаборатории .Используя штангенциркуль, измерить внешний диаметр трубки . По­лученные данные и численное значение ускорения свободного падения записать в таблицу.

3. Взвесить пустую колбу на электронных весах, и определить ее массу .

4. Закрыть кран стеклянной трубки и налить в трубку воду. Подставить под трубку чашу и открыть осторожно кран. Кран должен быть открыт так, чтобы вода из крана капала медленно (30–40 капель в минуту). При этих условиях можно считать, что отрыв капель происходит в мо­мент, когда сила тяжести равна силе поверхностного натяжения или чуть больше нее (рис. 12.2).

5. После этого под трубку подставить колбу и собрать в нее не­сколько десятков (от 40 до 90) капель.

6. Взвесить колбу с водой, определив – массу колбы с водой.

7. Как разницу масс: колбы с водой и колбы без водыопределитьмассу капель. Данные занести в таблицу 12.1.

8. Повторить пункты 5–7 четыре раза для указанного числа капель.

9. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле:

.

10. Определить среднее значение коэффициента поверхностного натяжения .

11. Оценить погрешность измерений.

12. Сравнить полученный результат с табличным значением при данной температуре .

Упражнение 2. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца.

1. Зарисовать таблицу 12.2.

Таблица 12.2

№	=…°С, = … кг, = 9,8 м/с2
	, мм	, мм	, кг	, кг	, Н
1
2
3
4
5

2. Определить температуру воздуха в лаборатории .

3. Определить массу правой чашки 2 рычажных весов .

4. С помощью штангенциркуля 5 раз измерить внешний и внутренний диаметры кольца. Результаты занести в таблицу 12.2. Найти средние значения и.

5. Сосуд С заполнить водой до соприкосновения с кольцом (рис. 12.4, на рисунке представлено сечение).

6. Осторожно насыпать песок на правую чашку весов до тех пор, пока кольцо не оторвется от поверхности жидкости.

7. Взвесить чашку с песком на электронных весах и определить их общую массу .

8. Определить массу песка как разницу между массой чашки с песком и чашки без песка .

9. Повторить измерения по пунктам 5–8 еще четыре раза.

10. Определить силу тяжести , действующую напесок, как .

11. Так как сила тяжести равна силе , отрывающей кольцо, то используя формулу (12.7),рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды . Определитьего среднее значение .

12. Определить погрешность измерений коэффициента поверхностного натяжения.

13. Сравнить полученный результат с табличным значением при данной температуре.

14. Сравнить коэффициенты поверхностного натяжения воды, полученные двумя способами.