welcome (Практикум 1), страница 2

Термостатируемую ячейку заполняют эталонной жидкостью (этиловыйспирт) таким образом, чтобы оба капилляра были погружены в жидкостьпримерно на 1–2 см.2. Измеряют разность уровней эталонной жидкости в капиллярахкатетометром КМ–6 при комнатной температуре и записывают ее значение.966Рис.2. Схема устройства катетометра КМ–6.Катетометр (рис. 2) состоит из вертикальной колонки 1 на треножнике 2,измерительной каретки 3 со зрительной трубой 4 и отсчетным микроскопом 5.7Измерения следует проводить в следующем порядке:а) по уровню, расположенному в основании прибора, отрегулировать егогоризонтальность с помощью винтов 6;б) отпустив винт 7, повернуть зрительную трубу 4 в сторону капилляров, послечего зафиксировать винт 7;в) придерживая измерительную каретку 3, отпустить винт 8, установитькаретку так, чтобы зрительная труба находилась на уровне одного из менисков,и затем зафиксировать винт 8;г) с помощью винта 11 откорректировать горизонтальность установкизрительной трубы, для чего посмотреть в маленький окуляр 9, в которомдолжны быть видны две совмещенные половинки пузырька;д) вращая винт 10, добиться резкости изображения мениска;е) при закрепленном винте 13 с помощью винтов 12 (горизонтальноеперемещение зрительной трубы) и 14 (вертикальное перемещение) произвестинаводку зрительной трубы на один из менисков так, чтобы леваягоризонтальная линия в поле зрения окуляра касалась верхнего края мениска,поскольку изображение мениска в окуляре перевернуто.

Это соответствуетположению выбранного мениска, которое характеризуется величиной hэ’;ж) величина hэ’ определяется с помощью отсчетного микроскопа. Для этогонеобходимо включить осветитель, посмотреть в окуляр 5 и с помощью шкалыотсчетного микроскопа (рис.

3) зафиксировать полученный результат.2 4 6 8 1016212345678910Рис. 3. Шкала отсчетного микроскопа.8Показания шкалы отсчётного микроскопа определяются следующим образом.Цифра, расположенная слева вне шкалы (в данном примере 162), отражаетцелое число миллиметров. Наклонные белые линии (вертикальный ряд цифр)соответствуют десятым долям, а вертикальные белые линии (горизонтальныйряд цифр) – сотым долям миллиметра.

Положение горизонтальной чернойлинии определяет значение высоты hэ’, которое в данном случае равно 162,24мм. Следует повторить измерения уровня мениска жидкости три раза, сбиваянастройку трубы вращением винта 14, взять среднее значение и занести втаблицу 1;з) аналогичным образом определить положение мениска во втором капилляре,зафиксировать величину hэ” и занести в таблицу 1.3. Выливают эталонную жидкость из ячейки, тщательно сушат ячейку икапилляры под током воздуха, после чего наливают исследуемую жидкость.4. После установления равновесного значения высот поднятия жидкостив капиллярах повторяют процедуру измерения положения менисков в широкоми узком капиллярах с помощью катетометра КМ–6 при комнатной температуре.Заносят в таблицу 1 значения h’, h”.5.

Включают нагреватель термостата и проводят измерения при 30, 40, 50,60 и 70ºС и значения h’, h” заносят в таблицу 1.Таблица 1. Результаты эксперимента.t,0Сh’, мм∆h, ммh”, ммρ, г/см3σ, мДж/м2Эталонная жидкость – этиловый спирткомнатнаясм. табл.2см. табл.1Приложения ПриложенияИсследуемая жидкостькомнатная30...709Плотность исследуемой жидкости при данной температуре t (0С)определяют по формуле:ρT = ρ200 C − αt ,где α – коэффициент объемного расширения жидкости, ρ20.С– плотностьжидкости при 20º С (см. Приложение, табл.

2). На основе данных таблицы 1рассчитывают значения поверхностного натяжения исследуемой жидкости приразличных температурах по уравнению (15).В методе Вильгельми определяется сила FΣ, необходимая дляуравновешивания тонкой пластинки (шириной d), касающейся поверхностижидкости. При этом необходимо полное смачивание данной пластинкиисследуемой жидкостью. На пластину, касающуюся поверхности жидкости,действует сила тяжести F1= m1g, и сила поверхностного натяжения F2 = σ2d,направленная по касательной к поверхности жидкости (вертикально вниз приполном смачивании), 2d – периметр смачивания (толщиной пластиныпренебрегаем), следовательно, FΣ = F1 + F2 = m1g + σ2d.

При использованииторсионных весов сила FΣ определяется соотношением Рg, где Р – показаниеторсионных весов в мг, g – ускорение силы тяжести. Поверхностное натяжениерассчитывается по формуле:σ=( P − m1 ) g ,2dгде m1 – масса сухой пластинки.Порядок проведения измерений:1. Взвешивают на торсионных весах (рис. 4) сухую пластину.Рис. 4. Схематическое изображение торсионных весов.10(16)Для этого ее подвешивают на коромысло весов 1, перемещают вправорычаг арретира 2, освобождают коромысло и с помощью рукоятки 3 указателя5 совмещают стрелку–указатель равновесия 4 с вертикальной линией,нанесенной на шкале. Фиксируют показание весов m1.2.

Измеряют ширину пластины d.3. Приводят пластину в соприкосновение с исследуемой жидкостью,помещенной в термостатируемую ячейку. Закрывают ячейку шлифованнойпробкой, через отверстие в которой присоединяют держатель пластины кторсионным весам. Внимательно следят за тем, чтобы при уравновешиваниипластины ее держатель не соприкасался со стенками отверстия в пробке.Фиксируют показания торсионных весов Р, соответствующих данномуравновесному состоянию, при комнатной температуре.4. После этого включают нагреватель термостата и проводят измеренияпри 30, 40, 50, 60 и 70ºС.

Данные заносят в таблицу 2.Значения поверхностного натяжения при различных температурах,рассчитанные по формуле (16), также заносят в таблицу 2.Таблица 2. Результаты эксперимента.t,0CP, мгσ, мДж/м2комнатная30...70Метод максимального давления. Под действием внешнего давления рна срезе капилляра, погруженного в исследуемую жидкость, формируетсяпузырек воздуха (капля).

По мере формирования пузырька его радиус rпроходит через минимум, при этом пузырек имеет форму полусферы срадиусом, равным радиусу капилляра r0. В этот момент внешнее давлениеоказывается равным максимальному капиллярному давлению р= pσ =2σ 2σ=,rroчто соответствует неустойчивому равновесию. При дальнейшем повышениивнешнего давления радиус кривизны межфазной поверхности увеличивается,11капиллярноедавлениеуменьшается.Пузыректеряетустойчивостьиотрывается от среза капилляра.

Мерой максимального давления в газовомпузырьке является показание микроманометра h.Обычнометодиспользуетсякакотносительный.Поверхностноенатяжение исследуемой жидкости рассчитывается на основе поверхностногонатяжения эталонной жидкости (σэ):σ = σэгде pσ и pσ эpσh= σэ ,pσэhэ(17)– соответственно капиллярное давление для исследуемой иэталонной жидкостей; h и hэ – показания микроманометра для исследуемой иэталонной жидкостей.Измерение поверхностного натяжения методом максимального давленияпроводят с помощью микроманометра ММН–240 или микропроцессорногоблока измерения максимального давления МП–1.МикроманометримеетММН–240пятьдиапазоновизмерений,соответствующих пяти углам наклона манометрической трубки с пятьюкоэффициентами пересчета К показаний микроманометра h (мм) на величинукапиллярного давления (Па).

Если в процессе измерений угол наклонаманометрической трубки остается неизменным, то расчет σ по уравнению (17)осуществляется без учета коэффициента пересчета.Устройство прибора показано на рис. 5.45106113к прибору72819Рис. 5. Микроманометр ММН–240.12На плите 1 расположен резервуар 2. Он герметически закрыт крышкой 3,на которой находятся трехходовой кран 4, регулятор 5 нулевого положениямениска манометрической жидкости в наклонной измерительной трубке 8 ипробка 6. Шкала, нанесенная на стеклянную измерительную трубку, имеетдлину 300 мм; наименьшее деление шкалы 1 мм. Шланги 9, 10 соединяютизмерительную трубку с резервуаром и краном. Для установки кронштейна 7 натребуемый угол наклона к плите 1 прикреплена дуга 11 с пятью отверстиями,соответствующими определенным значениям коэффициентов пересчета К.Значения К написаны на дуге около каждого отверстия.

Кронштейн 7фиксируется на дуге 11 в нужном положении фиксатором. Перед измерениямипроверяютположениеменискаманометрическойжидкости,вслучаенеобходимости его положение корректируют с помощью винта 5.Порядок проведения измерений:1. В измерительную ячейку наливают эталонную жидкость (этиловыйспирт), закрывают крышкой, в которую вставлен капилляр. Положениекапилляра должно быть таким, чтобы его срез коснулся поверхности жидкости.Соединяют капилляр шлангами с трехходовым краном, микрокраном иисточникомвнешнегодавления.Спомощьютрехходовогокранаизмерительную ячейку изолируют от атмосферы и соединяют с источникомвнешнего давления.

Затем устанавливают такой угол наклона манометрическойтрубки, при котором максимальная высота поднятия манометрическойжидкости не превысит 200 мм. Микрокраном устанавливают низкую скоростьподнятия манометрической жидкости (около 1 мм/с). Последующие измеренияпроизводятпривыбранномположениимикрокрана.Приизмеренииповерхностного натяжения фиксируют максимальную высоту поднятиямениска манометрической жидкости в наклонной стеклянной трубке. Далее спомощью трехходового крана соединяют ячейку с атмосферой, при этоммениск должен оказаться в нулевом положении. Такие измерения дляэталонной жидкости проводят несколько раз до получения воспроизводимыхзначений hэ.

Значения σэ приведены в таблице 1 Приложения.132.Выливаютизячейкиэталоннуюжидкость,моютисушатизмерительную ячейку. Заливают в нее исследуемую жидкость и проводят прикомнатной температуре аналогичные измерения h, заносят в таблицу 3.3. После этого включают нагреватель термостата и проводят измеренияпри 30, 40, 50, 60 и 70ºС. Данные заносят в таблицу 3.Значения поверхностного натяжения при различных температурах,рассчитанные по формуле (17), также заносят в таблицу 3.Таблица 3. Результаты эксперимента.t, 0Cσ, мДж/м2h, ммЭталонная жидкость – этиловый спирткомнатнаясм.

табл. 1ПриложенияИсследуемая жидкостькомнатная30...70Максимальное давление в газовом пузырьке можно измерять также с помощьюмикропроцессорного блока МП–1. Принципиальная схема прибора дляизмеренияповерхностногонатяженияспомощьюмаксимального давления МП–1 показана на рис. 6.14датчикаизмеренияРис. 6.

Принципиальная схема прибора для измерения поверхностногонатяжения с помощью датчика измерения максимального давления МП–1.Длянастройкипараметроврегистрациимаксимальногодавлениявключить в сеть адаптер измерительного блока. Перед началом работынеобходимо прогреть прибор в течение 10 мин. Провести калибровку нулянажатием на кнопку «Пуск/Сброс». Переходят в режим измерения ирегистрации максимального давления (на шкале прибора появляется буква R).Регулируют подачу воздуха с помощью микровинта 3 так, чтобы добитьсявремени формирования пузырька в диапазоне 5–10 секунд. Записываютнесколько значений максимального давления (не менее 5) и усредняютрезультаты измерений.Независимо от метода регистрации максимального давления порядокизмерения поверхностного натяжения остается таким же, как было описановыше.Обработка полученных результатов1.

Построить график зависимости поверхностного натяжения исследуемойжидкости от температуры.2. С помощью программы Microsoft Excel найти температурныйкоэффициент поверхностного натяжения dσ/dT и далее по уравнению (3)рассчитать значение удельной избыточной энтропии в поверхностном слое η(занести в таблицу 4).3. На основании экспериментальных значений поверхностного натяжения изначения η по уравнению (4) рассчитать значения удельной избыточнойвнутренней энергии в поверхностном слое εдля всех исследованныхтемператур (занести в таблицу 4).4. Рассчитать значения теплоты образования единицы поверхностиQs = ηТ при разных температурах и занести в таблицу 4.5.