Laboratornye / Теплота_PDF / Lab_Mol_05

Лабораторна робота № 5

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІЗНИМИ МЕТОДАМИ

Мета роботи. Експериментально визначити коефіцієнт поверхневого натягу води:

методом відриву кільця,

методом відриву краплини,

методом компенсації тиску Лапласа.

5.1. Теорія методу та опис приладів

1) Метод відриву кільця

Коефіцієнт поверхневого натягу можна визначити шляхом вимірювання сили, яку необхідно прикласти для відриву змочуваного рідиною тіла від її поверхні. Оскільки тіло змочується рідиною, то при підйомі тіла з поверхні рідини, вільна поверхня останньої буде зростати. Внаслідок того, що поверхня рідини намагається прийняти найменшу площу виникає сила поверхневого натягу. Якщо сила підйому досягне за величиною значення сили поверхневого натягу, то тіло відірветься.

Для кільця товщиною d і зовнішнім діаметром D, що торкається поверхні рідини з коефіцієнтом поверхневого натягу σ (рис.1), сила поверхневого натягу буде діяти по зовнішньому контуру кільця довжиною πD і по внутрішньому периметру кільця π(D-2d).

У момент відриву кільця ця сила дорівнює:

F D (D 2 d ) 2 (D d )	(5.1)

F

d

D

Рис.1. Металеве кільце у момент відриву від поверхні рідини

З рівняння (5.1) знайдемо коефіцієнт поверхневого натягу σ:

	F
	2 (D d ) .	(5.2)

K

				B
	Д
					З
	Е
Б					A

С

Р

М

Рис.2 Схема приладу для визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву кільця

Оскільки діаметр D і товщину d кільця можна виміряти штангенциркулем, то визначення F зводиться до вимірювання сили відриву F.

Установка для вимірювання σ методом відриву кільця (рис.2) складається із штативу Б, по якому може вільно рухатись вгору й униз платформа Р за допомогою гвинта М. На платформі розміщують скляну кювету С з досліджуваною рідиною.

До кронштейна К прикріплюється пружина або гумова нитка В. Видовження пружини В можна виміряти за шкалою Е з міліметровими позначками, вздовж якої ковзає стрілка-покажчик Д, яка жорстко зв’язана з шалькою для важків З та металевим кільцем А. Силу F, з якою кільце відривається від рідини прирівнюють до ваги важків, що ставляться на шальку З.

2) Метод відриву краплини

При повільному витіканні з отвору тонкої трубки (бюретки) рідина утворює краплини (рис.3).

Рис.3. Процес утворення краплини

d при повільному

витіканні рідини з тонкої трубки

У момент відриву краплі від кінця бюретки сила ваги краплі P стає рівною силі поверхневого натягу F.

Значення сили поверхневого натягу можна визначити, виходячи з того, що розрив поверхневої плівки при відриві краплини відбувається по краю шийки краплини, контурна довжина якої дорівнює πd, де d – діаметр шийки краплини, що менший діаметра отвору

	трубки. Отже, сила поверхневого натягу:
	F d			(5.4)
	Якщо зважити краплину і вважати що її вага P=mg дорівнює силі
	поверхневого натягу, можна визначити σ:
		mg
		d ,		(5.5)

де m – маса однієї краплини, g – прискорення вільного падіння.

Діаметр шийки краплини в момент її відриву визначають за допомогою мікроскопа або фотографуванням. У нашому випадку d= 1,68 0,01 мм.

2

Масу однієї краплини вимірювати нераціонально внаслідок великої похибки вимірювання. Тому її рекомендується визначати зважуванням маси 50 – 100 краплин

M, а в рівняння (5.5) підставляти значення маси однієї краплини m Mn , де n –

кількість краплин. Якщо позначити масу порожньої посудини m1, а m2 – як масу посудини з n краплинами, то розрахункова формула матиме вигляд:

		(m2 m1 )g	.	(5.6)
		dn

3) Метод компенсації тиску Лапласа

При змочуванні рідиною поверхні капіляра утворюється увігнутий меніск, під яким тиск буде менший, ніж тиск під плоскою поверхнею рідини в широкій

	посудині на величину тиску Лапласа	P	2	, де R – радіус кривизни поверхні
			R

меніска. При цьому рівень рідини в капілярі стане вищим від рівня рідини в широкій

посудині			на величину h (рис.5), яка визначається співвідношенням
gh	2		2	cos , де ρ – густина рідини, r – радіус капіляра, Θ – крайовий кут
	R
			r

змочування (r = R∙cosΘ).

h

Рис.5. Зростання рівня рідини в капілярі, під час його змочування

Очевидно, що для того, щоб зрівняти рівні рідини в капілярі та широкій посудині, потрібно прикласти до поверхні рідини в капілярі зовнішній тиск, який дорівнював би тиску Лапласа. Якщо виміряти цей тиск, що опустив би стовпчик рідини в капілярі до рівня рідини в склянці, то можна визначити тиск Лапласа і значення коефіцієнта поверхневого натягу.

У цьому й полягає даний метод визначення σ, в якому зовнішній тиск на поверхню рідини в капілярі створюється занурюванням скляної лійки у воду. Утворений при цьому додатковий тиск передається гумовими трубками до капіляра і вимірюється рідинним манометром (рис.6).

Якщо позначити різницю рівнів рідини в манометрі H, а ρ – густину рідини в манометрі, то коефіцієнт поверхневого натягу визначиться з рівняння

	gH	2
		r ,		(5.7)

де r – радіус капіляра, який при повному змочуванні дорівнює меніска r = (0,75 0,01) мм.

Зостанньої рівності знаходимо σ:

gHr .

2

R-радіусу кривизни

(5.8)

3

H

Рис.6. Схема досліду з визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом компенсації тиску Лапласа.

Література

1.Елементарний підручник фізики. За ред. Г.С. Ландсберга. Т.1. – К. –

1968. – С. 429 – 450.

2.Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики, Т.1. –

К., 2006. – C. 468 – 471.

3.Гапчин Б.М., Дутчак Я.Й., Френчко В.С. Молекулярна фізика. Лабораторний практикум: Навч. посібник. – Львів, 1990. – С. 89 – 98.

4.Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики. Т. 2. – 2001. – С. 369 – 376.

5.Клос І.Є., Печений М., Савчин Л. Лабораторний практикум з фізики. –

Львів. – 1973. – С. 70 – 76.

6.Фізичний практикум під ред. В.П. Дущенка. – К.: Вища школа, 1981. –

С. 227 – 230.

5.2. Контрольні запитання для визначення ступеня готовності студента

до виконання роботи

1.Що називають явищем поверхневого натягу?

2.В яких одиницях вимірюють коефіцієнт поверхневого натягу?

3.Поясніть механізм змочування.

4.Чому в методі відриву кільця, останнє потрібно позбавити залишків жиру?

		5.3. Практичне виконання роботи
		Прилади, обладнання
	1.	Установки для визначення коефіцієнта поверхневого натягу:	1 шт.
		а) методом відриву кільця;	1 шт.

4

б) методом відриву краплини; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт.

в) методом компенсації тиску Лапласа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Терези з набором важків. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 3. Штангенциркуль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 шт. 4. Досліджувана рідина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Порядок виконання роботи

1.Метод відриву кільця

1.1.Промийте з милом у теплій воді латунне кільце для видалення з його поверхні забруднень та жиру. Після цього просушіть кільце за допомогою гігроскопічного паперу.

1.2.Переконайтеся що нижня поверхня кільця знаходиться в горизонтальній площині. Наповніть кювету дистильованою водою. Кювету розмістіть на платформі і повільно підіймайте її за допомогою гвинта М до тих пір, поки кільце не торкнеться поверхні води одночасно всіма точками.

1.3.Повільно опускаючи платформу, відмітити за шкалою Е найнижче положення стрілки-покажчика Д, при якому латунне кільце відірвалось від поверхні води.

1.4.Опустити донизу платформу з кюветою, наповненою досліджуваною рідиною. Просушити кільце за допомогою гігроскопічного паперу. Навантажуючи шальку 3 важками, досягти такого положення стрілки-покажчика Д, при якому кільце відірвалось від поверхні води. Вага важків

P F mg

(5.9)

1.5. За допомогою рівняння (5.2) розрахувати значення коефіцієнта поверхневого натягу.

1.6. Дослід виконати тричі. Результати вимірювань і розрахунків занести до Таблиці 1. Обчислити похибки вимірювань.

Таблиця 1

№ п/п

d, м

D, м

F, м

σ,

Н

Δσ,

Н

, %

м

м

2. Метод відриву краплини

2.1. Налити досліджувану рідину в

бюретку 4 при закритому крані 3 у нижній

її частині (рис.4). підставити під бюретку

скляну кювету 1.

4

2.2. Зважити порожню посудину 2

3

визначивши m1.

2.3.

Відрегулювати краном

3

2

швидкість

витікання краплин

рідини

з

1

бюретки 4, щоб за секунду падало 2 - 3

краплини.

Рис.4. Схема досліду для вимірювання

2.4.

Підставити

під

бюретку

коефіцієнта поверхневого натягу рідин

посудину

2, тримаючи її в

руці (не

методом відриву краплини.

ставлячи її в кювету 1).

5

2.5.Відрахувавши n (50 – 100) краплин прибрати посудину 2 з-під бюретки і перекрити кран 3.

2.6.Зважити на терезах посудину з краплинами, визначивши m2.

2.7.Одержані значення підставити у співвідношення (5.6) і обчислити коефіцієнт поверхневого натягу.

2.8.Дослід проробити тричі. Для зменшення кількості зважувань при кожному наступному досліді можна використовувати попередньо отриману масу рідини з

посудиною у якості маси посудини m1, додаючи в неї нові n краплин води.

2.9. Отримані результати з розрахунками похибок вимірювань занести до

Таблиці 2. Таблиця 2

№ п/п

n

m1, кг

m2, кг

m, кг

d, м

σ,

Н

Δσ,

Н

, %

м

м

3.Метод компенсації тиску Лапласа

3.1.Налити в широку кювету воду з крану.

3.2.Налити досліджувану рідину в склянку і поставити її на підйомну платформу.

3.3.Занурити вільний кінець капіляра в склянку з досліджуваною рідиною на глибину 1 - 2 см. При цьому рівень рідини в капілярі стане вищим, ніж у склянці.

3.4.Плавно занурюючи лійку в кювету з водою довести рівень рідини в капілярі до рівня рідини в тій склянці, в якій він знаходиться.

3.5.Відмітити різницю рівнів рідини в манометрі H.

3.6.Дослід виконати тричі. Отримані результати з розрахунками похибок вимірювань занести до Таблиці 3.

Таблиця 3

№ п/п	r, м	H, м	σ,	Н		Δσ,	Н			, %
				м			м

5.4. Орієнтовні контрольні запитання і тестові завдання для оцінювання якості виконання і захисту лабораторної роботи

1.Дати три визначення коефіцієнта поверхневого натягу – через силу, роботу, вільну енергію.

2.Від чого залежить коефіцієнт поверхневого натягу?

3.Вказати крайовий кут змочування для випадків:

4.Пояснити причину виникнення сил поверхневого натягу та вказати природу цих сил.

5.Записати загальну формулу для тиску Лапласа та пояснити зміст R1 та

R2.

6. Зобразити на малюнку та пояснити рівні рідини в капілярах різного діаметра, занурених у змочувану рідину (наприклад, воду) та незмочувану рідину (наприклад, ртуть).

6