POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
Wydział: Mech. - Energ.
Ćw.27
POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO METODĄ ODRYWANIA
Ćw.30
POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO METODĄ PĘCHERZYKOWĄ
Rafał Nowaczyk
TEORIA
Siły wiążące ze sobą cząsteczki gazów i cieczy nazywają się siłami Van der Waalsa. Działają one między elektrycznie obojętnymi atomami lub cząsteczkami. Siły te mają naturę elektromagnetyczną. Gdy jest dostatecznie małe zbliżenie dwóch obojętnych cząsteczek, rozkłady ładunków elektrycznych w tych cząsteczkach ulegają deformacji i występuje między nimi przyciąganie elektryczne. Gdy jest jeszcze większe zbliżenie, zaczyna dominować odpychanie elektryczne jąder atomów, z których składają się cząsteczki. Istnieje więc takie położenie równowagi, w którym siły te równoważą się, a energia ich oddziaływania osiąga minimum.
Ogólnie więc można powiedzieć, że między dwoma cząsteczkami występują następujące oddziaływania Van der Waalsa:
1. Elektrostatyczne, działające między elektronami i jądrami atomów tych cząsteczek, szczególnie są to oddziaływania:
a) dipolowe, jeżeli cząsteczki, dzięki swojej budowie tworzą trwałe dipole elektryczne
b) dyspersyjne, jeżeli cząsteczki nie są jonami i nie mają trwałych dipoli
2. Magnetyczne, spowodowane konfiguracją budowy atomów i cząsteczek oraz ruchem ich składników ładunkowych. Między cząsteczkami cieczy występują siły siły wzajemnego oddziaływania. Siły te działają wokół każdej cząsteczki w pewnym obszarze, zwanym sferą działania. Na cząsteczke znajdującą się we wnętrzu cieczy działają siły przyciągania pochodzące od otaczających ją cząsteczek. Wypadkowa siła działająca na cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy jest skierowana w głąb cieczy. Na skutek tego powierzchnia cieczy kurczy się. Napięciem powierzchniowym σ danej cieczy na granicy z inną fazą nazywamy pracę potrzebną do izotermicznego zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę. Napięciem powierzchniowym nazywamy również siłę styczną do powierzchni cieczy, działającą na jednostkę długości obrzeża powierzchni cieczy. σ =
W układzie SI wymiarem napięcia powierzchniowego σ jest J/m2 lub N/m.
Na granicy cieczy oraz gazu obserwuje się zakrzywienie powierzchni cieczy, zwane meniskiem. Menisk jest wynikiem rozkładu sił, które działają na cząsteczki cieczy znajdujące się w pobliżu granic trzech faz: cieczy, gazu i ciała stałego.
Napięcie powierzchniowe w znacznym stopniu zależy od temperatury oraz od fazy, z którą styka się ciecz. Dlatego podczas podawania konkretnych wartości napięcia powierzchniowego należy podać fazę z jaką dana ciecz się styka oraz temperaturę cieczy. Na ogół napięcie powierzchniowe maleje liniowo wraz ze wzrostem temperatury.
Obliczenia przykładowe
Metoda odrywania
Q=mg=0.000322 * 9.81=0.003159 [N]
ΔQ=0.000002 [N]
FD=mDg=0.000419 * 9.81=0.004110 [N]
ΔFD=0.000002
σD= [N]
σDŚ=(σD1+σD2+σD3)/3=(0.023438+0.023196+0.023196)/3=0.023277 [N/m]
ΔσD=
=0.000214 [N/m]
ΔσDŚ=(ΔσD1+ΔσD2+ΔσD3)/3=(0.000214+0.000213+0.000213)/3=0.000213 [N/m]
Metoda pęcherzykowa
W=Hi - h=0.212-0.206=0.006 [m]
σ=ρT g W r =0.5*997.993*9.81*0.006*0.000395=0.011602 [N/m]
σŚ=(σ1+σ2+σ3)/3=(0.011602+0.009668+0.009668)/3=0.010312 [N/m]
Δσ= [N/m]
ΔσŚ=(Δσ1+Δσ2+Δσ3)/3=(0.001986+0.001978+0.001978)/3=0.001981 [N/m]
Stałe
g=9.81 [m/s2]
Δg=0.01 [m/s2]
ρT=997.993 [kg/m3] w temp.21oC
Δρ=1 [kg/m3
Metoda odrywania
Metoda pęcherzykowa
Wnioski
Otrzymane wyniki są zbliżone do wartości podawanych w tablicach fizycznych z tym, że dla metody pęcherzykowej są obarczone mniejszym błędem pomiarowym. Aby wyniki były dokładniejsze należałoby zwiększyć liczbę pomiarów do dwudziestu lub więcej, ponieważ uzyskany wówczas błąd byłby jeszcze mniejszy.