Ćwiczenie nr 13/14

Temat: Wyznaczanie napięcia powierzchniowego cieczy:

• metodą naczyń włoskowatych,

• za pomocą wagi torsyjnej.

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

Napięcie powierzchniowe cieczy jest miarą oddziaływania międzycząsteczkowego. Pomiędzy drobinami cieczy działają siły van der Waalsa zwane również siłami spójności. Ich wielkość zależy od odległości między drobinami. Siły spójności mają dwie składowe: siły odpychające ( przeważają dla małych odległości ) i przyciągające ( przeważają dla odległości większych ). W warunkach równowagi drobiny znajdują się we wzajemnej odległości
.Odległość wynoszącą
poniżej której siły spójności wykazują dostrzegalne działanie nazywamy promieniem sfery działania, a kulę o tym promieniu zakreśloną wokół dowolnej drobiny - jej sferą działania. Na każdą drobinę działają inne drobiny znajdujące się wewnątrz jej sfery działania. Jeżeli drobina znajduje się wewnątrz cieczy, to wypadkowa działająca na nią siła jest równa zero. W przypadku drobiny znajdującej się na powierzchni tylko dolna część jej sfery działania wypełniona jest cieczą, jej górna część wypełniona jest gazem. Siły wywierane przez drobiny z górnej części sfery są kilkaset razy mniejsze od sił wywieranych przez cząsteczki z dolnej części i w dalszych rozważaniach można je pominąć. Zatem na drobinę znajdującą się na powierzchni cieczy działa wypadkowa sił van der Waalsa z dolnej części sfery. Jest ona skierowana w głąb i nazywa się siłą powierzchniową. Aby przesunąć drobinę ci7eczy na powierzchnię, musimy wykonać pracę przeciwko siłom powierzchniowym. Wielkość równą pracy potrzebnej na zwiększenie powierzchni o S nazywamy współczynnikiem napięcia powierzchniowego i wyrażamy wzorem:

.

W przypadku drugiej metody pomiarowej wykorzystywane jest inne zjawisko. Powierzchnia swobodna cieczy w pobliżu cieczy ulega zakrzywieniu, przybierając kształt menisku wklęsłego lub wypukłego. Gdy do cieczy zwilżającej wstawimy rurkę szeroką ( średnica większa od 10mm ),wówczas powierzchnia swobodna wewnątrz rurki znajdzie się na tym samym poziomie co na zewnątrz; jedynie w pobliżu ścianek da się zauważyć menisk wklęsły. W rurce cienkiej ( średnica poniżej 2 mm ) zakrzywienie cieczy obejmuje cały obszar wewnętrzny rurki.

2. OPIS PRZPROWADZONEGO DOŚWIADCZENIA

WAGA TORSYJNA

Za pomocą wagi torsyjnej wytworzyliśmy cienką błonę, wyciągając z cieczy ramkę.

Przy pomocy specjalnej skali umieszczonej na urządzeniu, mogliśmy zmierzyć masę. Schemat układu pomiarowego zobrazowany jest na rysunku.

NACZYNIA WŁOSKOWATE

W doświadczeniu wyznaczyliśmy współczynnik napięcia powierzchniowego przy pomocy wzorcowej rurki, a znając jego wartość można wyznaczyć promień pozostałych rurek kapilarnych. Poziomy cieczy w tych rurkach odczytaliśmy za pomocą odpowiedniej miary.

Schemat układu pomiarowego pokazuje rysunek:

III. WYPROWADZENIE WZORÓW ROBOCZYCH

WAGA TORSYJNA

NACZYNIA WŁOSKOWATE

- ciśnienie związane z zakrzywieniem rurki, promień krzywizny jest równy

promieniowi rurki włoskowatej.

- ciśnienie hydrostatyczne słupa wciąganej cieczy

Po przyrównaniu:

- wysokość
jest to różnica wysokości cieczy w rurce (h) i w naczyniu (h₀)

Promień rurek kapilarnych można wyznaczyć po przekształceniu powyższego wzoru:

IV. OBLICZENIA I OBLCZANIE NIEPEWNOŚCI

A) WAGA TORSYJNA

mi [mg]
167,0	-0,2	0,04
165,5	1,3	1,69
166,5	0,3	0,09
167,0	-0,2	0,04
167,5	-0,7	0,49
166,5	0,3	0,09
167,0	-0,2	0,04
167,0	-0,2	0,04
167,5	-0,7	0,49
166,5	0,3	0,09

B) NACZYNIA WŁOSKOWATE

310,10	339,20	29,10	-0,91	0,837225
310,40	338,45	28,05	0,13	0,018225
310,80	338,30	27,50	0,69	0,469225
310,90	338,25	27,35	0,83	0,697225
309,95	339,10	29,15	-0,97	0,931225
310,15	338,30	28,15	0,03	0,001225
309,80	338,45	28,65	-0,46	0,216225
310,25	338,35	28,10	0,08	0,007225
310,35	338,40	28,05	0,14	0,018225
310,55	338,30	27,75	0,44	0,189225

V. WNIOSKI

• z wyników obliczeń dla metody rurek włoskowatych wynika, że wielkość podciśnienia jakie powstaje w rurce włoskowatej zależy od promienia rurki.

• im rurka jest cieńsza tym większe podciśnienie się wytwarza, a co za tym idzie poziom cieczy w rurce jest wyższy.

- wyniki pomiaru rurek włoskowatych mogą być niedokładne, ponieważ nie były idealnie

czyste.

- niedokładność wyników pomiaru w doświadczeniu z wagą torsyjną mogła na skutek

rozregulowania urządzenia.

---