Napięcie powierzchniowe _kroplowa

1

POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO CIECZY

METODĄ KROPLOWĄ

Cel ćwiczenia:

Wyznaczenie wartości współczynnika napięcia powierzchniowego metodą
kroplową

.

Spis przyrządów:

Zestaw do wyznaczania napięcia powierzchniowego metodą kroplowa, stoper.

Zagadnienia :

1. Oddziaływania międzycząsteczkowe w cieczach

siły spójności;

promień sfery działania.

2. Napięcie powierzchniowe

definicja współczynnika napięcia powierzchniowego.

3. Ciecze zwilżające i niezwilżające.

4. Włoskowatość.

5. Warunek oderwania się kropi cieczy od kapilary.

6. Metody wyznaczanie współczynnika napięcia powierzchniowego.

Literatura:

1. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa, 1994

2. T. Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN, Warszawa, 1978

3. Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 2, PWN, Warszawa, 1980.

4. I Pracownia Fizyczna. pod red. Cz. Kajtocha, Wydawnictwo Naukowe AP,

Kraków 2007

Napięcie powierzchniowe _kroplowa

2

POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO CIECZY

METODĄ KROPLOWĄ

Tok postępowania podczas wykonywania ćwiczenia.

1. Przygotować odpowiednią biuretę, (zgodnie z opisem na płycie czołowej

zestawu) i napełnić ją badaną cieczą przy użyciu lejka.

2. Odliczyć 30 kropel badanej cieczy, odczytując z biurety objętość odliczonych

kropli (czas formowania się jednej kropli - około 3 5 sekund – ustawić

zaworem biurety). Pomiar powtórzyć trzykrotnie.

3. Wykonać pomiary dla innej ilości kropli.

4. Obliczyć wartość napięcia powierzchniowego na podstawie zależności:

nrf

2

g

V

gdzie:

V – objętość cieczy, która wyciekła z biurety,
g – przyspieszenie ziemskie,
r – promień kapilary (podano na płycie czołowej statywu),
f – wartość współczynnika poprawkowego.

– gęstość cieczy,

n – ilość kropli

WARTOŚĆ NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO

(N/m)

w temperaturze 20

o

C

woda

– 0,0728

gliceryna

– 0,065

nafta

– 0,027

aceton

– 0,0237

metanol

– 0,0226

etanol

– 0,0223

2-propanol – 0,0217

Napięcie powierzchniowe _kroplowa

3

Współczynniki poprawkowe dla metody kroplowej.

3

v

r

f

0,00

(1,0000)

0,30

0,7256

0,35

0,7011

0,40

0,6828

0,45

0,6669

0,50

0,6515

0,55

0,6362

0,60

0,6250

0,65

0,6171

0,70

0,6093

0,75

0,6032

0,80

0,6000

0,85

0,5992

0,90

0,5998

0,95

0,6034

1,00

0,6098

1,05

0,6179

1,10

0,6280

1,15

0,6407

1,20

0,6535

1,225

0,656*

1,25

0,652*

1,30

0,640*

1,35

0,623*

1,40

0,603*

1,45

0,583*

1,50

0,567*

1,55

0,551*

1,60

0,535*

* wartości f są mniej dokładne.
r - promień kapilary (podany na płycie czołowej zestawu pomiarowego)
v - objętość pojedynczej kropli

Napięcie powierzchniowe _kroplowa

4

POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO CIECZY

METODĄ KROPLOWĄ

Wstęp teoretyczny

Siła związana ze stanami powierzchniowymi substancji - siła napięcia

powierzchniowego cieczy, zwana krótko napięciem powierzchniowym jest

rezultatem oddziaływań międzycząsteczkowych.

Rys. Schemat rozkładu sił wzajemnego oddziaływania między cząsteczkami

znajdującymi się na powierzchni i w głębi cieczy.

Cząsteczka znajdująca się wewnątrz fazy ciekłej jest otoczona mniej więcej

równomiernie przez inne cząsteczki. Siły, z jakimi one na nią oddziaływają,

praktycznie kompensują się, a więc ich wypadkowa jest równa zeru. Natomiast

cząsteczki położone na powierzchni fazowej, ciecz – gaz ulegają oddziaływaniu

głównie cząstek z wnętrza cieczy gdyż oddziaływania cząstek powierzchniowych

z cząsteczkami gazu nad powierzchnią, są znikomo małe w porównaniu z siłami

oddziaływania między cząsteczkami cieczy. Wypadkowa tych ostatnich

praktycznie nie kompensowana ze strony przeciwnej, jest skierowana w głąb

cieczy i cząsteczki w warstwie powierzchniowej znajdują się pod działaniem sił

wciągających je do wnętrza.

Ciecz wykazuje więc dążność do zmniejszenia swej powierzchni (aby

osiągnąć minimum energii - "naturalne" dążenie wszelkiej materii). Wskutek tego

Napięcie powierzchniowe _kroplowa

5

warstwa cieczy przy powierzchni tzw. warstwa powierzchniowa wywiera

ciśnienie (siłę) na całą pozostałą masę cieczy. To ciśnienie (siła skierowana

prostopadle do powierzchni fazowej) nazwane jest ciśnieniem powierzchniowym.

Istnienie sił między cząsteczkami cieczy powoduje, że w warstwie

powierzchniowej, obok siły działającej prostopadle do powierzchni skierowanej

w głąb cieczy, występuje jeszcze siła działająca w kierunku stycznym

i przeciwdziałająca jej powiększaniu. Siła ta, przypadająca na jednostkę długości

(przekrój powierzchni jest linią) jest miarą tzw. napięcia powierzchniowego

oznaczanego literą .

Ponieważ ciecz dąży do zmniejszania swej powierzchni, więc żeby zwiększyć

powierzchnię cieczy o jednostkę musimy wykonać pracę przeciwko napięciu

powierzchniowemu, czyli dostarczyć cząsteczkom, które zajmują miejsce na nowo

utworzonej powierzchni pewnego nadmiaru energii w porównaniu ze średnią

energią cząstek, znajdujących się we wnętrzu cieczy:

Napięciem powierzchniowym danej cieczy na granicy z inną fazą

nazywamy pracę W potrzebną do izotermicznego zwiększenia powierzchni S

cieczy o jednostkę, co odpowiada przyrostowi energii związanej z utworzeniem

jednostki nowej powierzchni , lub inaczej napięciem powierzchniowym

nazywamy siłę styczną do powierzchni cieczy (dążąca do jej zmniejszenia),

działającą na jednostkę długości l obrzeża powierzchni cieczy.

S

W

2

m

J

lub

m

N

l

F

n

(1)

Istnieje wiele metod pomiaru napięcia powierzchniowego, najczęściej stosowane
to:

Napięcie powierzchniowe _kroplowa

6

1) metoda kapilarnego wzniesienia,

2) metoda kroplowa (stalagmometryczna),

3) metoda maksymalnego ciśnienia baniek,
4) metoda odrywania pierścienia (tensometryczna).

Metoda stalagmometryczna, opiera się na wyznaczaniu wielkości kropli (jej

masy albo objętości), wypływającej z rurki kapilarnej z oszlifowanym płasko

końcem.

Kropla cieczy o gęstości wypływająca z kapilarnej rurki o promieniu r odrywa

się gdy ciężar kropli o

objętości

v

:

P = mg = v g

(2)

zrównoważy siłę napięcia powierzchniowego:

G =

r

(3)

r

= v g

r

g

v

2

W rzeczywistości promień przewężenia, w którym odrywa się kropla jest

mniejszy od promienia kapilary. Po uwzględnieniu tego faktu wzór (4) przybiera

postać:

rf

g

v

2

gdzie

3

v

r

f

jest poprawką empiryczną, której wartość zależy od promienia

kapilary i objętości odrywającej się kropli.

Napięcie powierzchniowe _kroplowa

7

Przebieg procesu odrywania się kropli pokazuje poniższy rysunek wykonany

na podstawie migawkowego zdjęcia spadającej kropli.