Описание экспериментальной установки

В настоящей работе экспериментальная установка собрана в виде модуля, называемого «автоклав-манометр» с ввернутым в него блоком дросселей и представляющего собой один из вариантов известного прибора Кантора-Ребиндера (рисунок 8.1 а). Основная часть автоклава - труба 1 с верхней и нижней полос­тями, соединенными круглым каналом диаметром 6,0 мм. На трубе имеется нагревательная обмотка 2. В трубу ввернут датчик темпера­туры 3. Полость автоклава соединена шлангом 4 с мерной трубкой 5, расположенной вдоль линейки 6, по которой отсчитываются координа­ты характерных точек прибора и уровни жидкости. Блоком дросселей (рисунок 8.1б) герметизирует верхнюю полость тру­бы автоклава, оставляя доступ в нее через дроссели, представляю­щие собой калиброванные отверстия 2 или капилляры 3. Дроссели подключаются к пневмосистеме через штуцеры 4. На штуцерах нанесе­ны риски, число которых равно номеру дросселя. Штуцер дросселя №0 - без рисок, штуцер дросселя №1 имеет одну риску и т.д.

Для измерения коэффициента поверхностного натяжения автоклав заполняют исследуемой жидкостью до уровня на 3-5 мм выше уровня h₀ нижнего торца большого капилляра (дроссель №2) как показано на рисунке 1. Штуцеры дросселей № 1 и №3 закрыты пробками. Верхний конец мерной трубки открыт. Через штуцер дросселя №0 с помощью резиновой груши медленно откачивают воздух. Давление воздуха над поверхностью жидкости понижается и при некотором его значении Р под действием атмосферного давления Р_о через капилляр в жидкость продавливаются пузырьки воздуха. Разность давлений ∆Р=Р_о–Р измеряется по изменению уровня жидкости в мерной трубке. Для исследования зависимости величины σ от температуры, автоклав нагревают с помощью нагревательной обмотки.

Давление внутри газового пузырька в жидкости в момент отрыва равно атмосферному. Это давление уравновешивается давлением Р над поверхностью жидкости и давлением, обусловленным поверхностным натяжением Р₁ (гидростатическим давлением можно пренебречь, так как глубина погружения пузырька мала):

P₀=P + P₁

Найдем величину Р₁. Рассмотрим пузырек газа радиусом R и мысленно рассечем его горизонтальной плоскостью (рисунок 8.2).

а) б)

Рисунок 8.1 – Автоклав-манометр

Вследствие поверхностного натяжения верхняя часть пузырька будет притягиваться нижней, причем на каждый элемент длины Δ1 пограничной линии будет действовать сила ΔF=σΔ1, направленная по касательной к поверхности пузырька. Определим элементарную силу нормального давления ΔF_n на площадь сечения :

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

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

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

Давление будет максимальным, когда радиус R его будет минимальным, т.е. равным радиусу капилляра , d- диаметр капилляра. Тогда

(8.5)