33, CWI27, ˙ Cel ˙wiczenia:


Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą pomiaru napięcia powierzchniowego przez odrywanie, a także wyznaczenie napięcia powierzchniowego wody i denaturatu.

Napięcie powierzchniowe jest wynikiem działania międzycząsteczkowych sił zwanych oddziaływaniami Van der Waalsa. Oddziaływania te ogólnie można podzielić na elektrostatyczne i magnetyczne. Spowodowane one są budową atomu, rozsunięciem ładunków w pojedynczym atomie, lub też stworzeniem dipolu przez cząsteczkę - np. wody. Ogólnie napięcie powierzchniowe definiuje się jako stosunek pracy wykonanej nad izotermicznym zwiększeniem powierzchni cieczy do przyrostu powierzchni tej cieczy. Substancje takie, jak elektrolity lub cukier w wodzie, zwiększają napięcie powierzchniowe. Mydła z kolei to napięcie zmniejszają, czego efektem jest powstawanie piany. Polega to na lepszym zwilżaniu powierzchni brudnej i wiązaniu ze sobą cząstek tłuszczu i brudu i oderwaniu ich od powierzchni.

Pomiary rozpoczęto zmierzenia ciężaru badanych płytek metalowych. Ze względu na zastosowanie wagi torsyjnej wyskalowanej w [mG] wszystkie pomiary należało następnie przeliczyć na jednostki SI. Poniższa tabela przedstawia wyniki tych pomiarów i przeliczenia wartości.

Q

DQ

l

Dl

d

Dd

Q

DQ

[mG]

[mG]

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

[N]

[N]

Płytka 1

360

2

19,22

0,02

0,24

0,02

3,5304⋅10-3

1,96⋅10-5

Płytka 2

230

2

20,18

0,02

0,5

0,02

2,2555⋅10-3

1,96⋅10-5

Następnie badano siłę odrywania płytki od powierzchni cieczy. Pomiary wykonano dla dwóch cieczy: wody i denaturatu. Pomiar polegał na zanurzeniu płytki w wodzie i odczytanie ze skali wagi torsyjnej wartości siły, przy której płytka odrywała się od powierzchni. Siłę zwiększano powoli, aby możliwe było jak najdokładniejsze uchwycenie tego momentu. Każdy pomiar wykonano dziesięciokrotnie, aby zwiększyć jego dokładność. Wyniki tych pomiarów przedstawia poniższa tabela.

Płytka 1

Płytka 2

Woda

Denaturat

Woda

Denaturat

F

F

F

F

L.p.

[mG]

[mG]

[mG]

[mG]

1

534

446

398

332

2

536

448

408

328

3

532

442

406

324

4

532

444

400

334

5

530

446

402

330

6

536

442

400

324

7

536

444

398

332

8

536

448

398

334

9

542

448

394

330

10

538

446

396

328

Średni

535.20

445.40

400.00

329.60

Każdy z tych pomiarów obarczony jest błędem bezwzględnym 2[mG].

a) Przeliczenie jednostek [mG] na [N]. Dokonujemy tego według poniższego wzoru:

0x01 graphic

gdzie:

F[N] - siła wyrażona w jednostkach SI

F[mG] - wartość siły odczytana ze skali wagi torsyjnej

g - przyspieszenie ziemskie (g=9.80665 m/s2)

Obliczanie ciężaru badanych płytek:

0x01 graphic

gdzie:

Q1 - ciężar płytki 1

Q2 - ciężar płytki 2

Obliczanie siły oderwania płytki od powierzchni cieczy. Przyjmując za wynik pomiaru uśrednioną wartość 10 pomiarów liczymy wg tego samego wzoru siłę oderwania w czterech przypadkach:

1) Płytka 1, woda.

2) Płytka 1, denaturat.

3) Płytka 2, woda.

4) Płytka 2, denaturat.

W tak sam sposób przeliczamy błąd bezwzględny. Według wskazań wagi torsyjnej wynosi on 2[mG]. Po przeliczeniu na jednostki SI otrzymujemy wartość 1,96133⋅10-5 [N]. Będzie ona wykorzystywana w dalszych obliczeniach jako ΔF i ΔQ.

b) Obliczanie napięcia powierzchniowego. Posługujemy się następującym wzorem:

gdzie:

σ - napięcie powierzchniowe badanej cieczy

F - siła oderwania zmierzona w czasie ćwiczenia

Q - ciężar płytki zmierzony przed pomiarem siły oderwania

2(l+d) - obwód badanej płytki w płaszczyźnie przekroju równoległej do powierzchni cieczy.

Napięcie powierzchniowe obliczamy też w czterech przypadkach:

1) Płytka 1, woda.

2) Płytka 1, denaturat.

3) Płytka 2, woda.

`

4) Płytka 2, denaturat.

Błąd obliczenia napięcia powierzchniowego wyznaczono metodą różniczki zupełnej.

Po rozwiązaniu tego równania różniczkowego otrzymujemy:

Po skróceniu:

Po przeliczeniu na błąd względny:

przy czym ΔQ=ΔF z uwagi na jednakowy sposób pomiaru tych wielkości. ΔQ wynosi 1,96133⋅10-5 [N] (podano w tabeli), a Δl=Δd=0,02[mm] (także podano w tabeli). Błąd bezwzględny pomiaru napięcia powierzchniowego także obliczamy dla czterech przypadków (tych samych).

1) Płytka 1, woda:

W podobny sposób obliczono pozostałe wartości błędów:

2) Płytka 1, denaturat:

3) Płytka 2, woda:

4) Płytka 2, denaturat:

Definitywnie całość wyników zestawiono w poniższej tabeli:

Płytka nr 1

Płytka nr 2

Woda

Denaturat

Woda

Denaturat

σ

δσ

σ

δσ

σ

δσ

σ

δσ

[N/m]

[%]

[N/m]

[%]

[N/m]

[%]

[N/m]

[%]

0,044145

2,49

0,021518

4,89

0,040308

2,54

0,023616

4,21

Jak widać rozbieżności w wynikach są nieco większe niż to teoretycznie zakładają obliczone błędy pomiarowe. Wynika to stąd, że sam pomiar siły w momencie oderwania płytki od cieczy silnie zależał od refleksu i spostrzegawczości obsługującego. Nie przeszkadza to jednak w dokładnym poznaniu metody wykonywania tego typu pomiarów.

Istnienie napięcia powierzchniowego ma zasadnicze znaczenie we współczesnej fizyce. To właśnie ono decyduje o kształcie spadającej kropli płynu, jak też o fakcie przekształcania się w ciąg kropel cienkiej strużki np. wody.

Substancje takie jak mydło zmniejszają znacznie napięcie powierzchniowe wody, czego efektem jest ułatwienie mycia, tzn. wiązania i usuwania cząstek brudu i kurzu. Najbardziej rzucające się w oczy stosowanie substancji zmniejszających napięcie powierzchniowe jest dodawanie topników - np. kalafonii do lutu podczas lutowania. Dodanie kalafonii do lutu podczas lutowania elementów elektronicznych powoduje zwiększenie zwilżalności lutowanych części metalowych przez lutowie i w efekcie znacznie lepsze połączenie zarówno elektryczne, jak i mechaniczne.


Wyszukiwarka