POMIAR WSPOLCZYNNIKA NAPIECIA POWIERZCHNIOWEGO




Pomiar współczynnika napięcia powierzchniowego cieczy metodą rurek
włoskowatych.
(119)



OPIS TEORETYCZNYSpoiwem wiążącym ze sobą cząsteczki, z których
zbudowana jest materia są siły międzycząsteczkowe. Mają one naturę
elektromagnetyczną, a ich podstawową cechą jest to, że ich oddziaływanie jest
znaczące tylko na bardzo niewielkich odległościach, porównywalnych z wymiarami
cząsteczek (to jest rzędu 10-10 m ). Siły oddziaływania
międzycząsteczkowego wystepują w dwóch postaciach : jako siły przyciągania
Fp i siły odpychania Fo. Oddziaływania te prowadzą do
szeregu tzw zjawisk cząsteczkowych, z których najbardziej znane to zjawiska
dyfuzji, osmozy, włoskowatości, napięcia powierzchniowego.W opisywanym
doświadczeniu decydującą rolę odgrywają napięcie powierzchniowe i włoskowatość.
Zjawisko napięcia powierzchniowego przejawia się w istnieniu na
powierzchni cieczy cienkiej błonki, która posiada, w zakresie działania
niewielkich sił, własność sprężystości postaci (charakterystyczna dla ciał
stałych).Istotą występowania tego zjawiska jest to, że na cząsteczki
znajdujące się wewnątrz cieczy działają siły pochodzące od otacząjacych je wokół
innych cząsteczek. Ze względu na symetrię, oddziaływania te wzajemnie rownoważą
się. Tej symetrii nie doznają natomiast cząsteczki znajdujące się w warstwie
powierzchniowej, gdyż od góry stykają się one co najwyżej z cząsteczkami
powietrza, których jest względnie mało i z którymi oddziaływanie jest dużo
słabsze. Tak więc wypadkowa siła działajaca na takie cząsteczki jest różna od
zera i skierowana jest do wnętrza cieczy. Tym samym powierzchnia cieczy ma
własność sprężystej błonki, która dążąc do maksymalnego zmniejszenia powierzchni
cieczy nadaje na przykład kropli cieczy kształt kulisty.Do określenia
wielkości napięcia powierzchniowego służy współczynnik napięcia
powierzchniowego. Do zilustrowania tego pojęcia można posłużyć się
prostokątną ramką z drutu, na której rozpięta jest cienka błonka (np mydlana).
Aby
ruchomy bok tej ramki o długosci l nie przesuwał się pod wpływem kurczenia się
błonki, musimy na nią podziałać pewną siłą Fn .Wielkość
nazywać
będziemy właśnie współczynnikiem napięcia powierzchniowego. Do tej pory
omawiałem oddziaływanie cząsteczek cieczy między sobą. Odrębnego omówienia
wymaga oddziaływanie cząsteczek cieczy z cząsteczkami ścianek naczynia, w ktorym
ciecz się znajduje. Tutaj mogą zaistnieć dwie różne sytuacje, w zalezności od
tego, czy większe są siły przyciągania między cząsteczkami cieczy i cząsteczkami
naczynia niż wzajemne przyciąganie cząsteczek cieczy (zjawisko zwilżania), czy
tez odwrotnie (ciecz nie zwilża ścianek naczynia). W pierwszym przypadku nastąpi
zagięcie powierzchni cieczy w pobliżu scianek naczynia ku górze, czyli powstanie
menisk wklęsły. Ilustruje to rysunek, z którego widać, że gdy siły przylegania
(Fp) cząsteczek do scian naczynia są większe niż siły spójności
(Fs) między cząsteczkami cieczy, wypadkowa tych sił skierowana jest
ku sciankom naczynia.
Gdy
siły spójności są większe od sił przylegania, wypadkowa tych sił skierowana jest
do wnętrza cieczy. Powoduje to zagięcie powierzchni ku dołowi i tworzy się
menisk wypukły.
Ze
zjawiskiem napięcia powierzchniowego wiąże się ściśle zjawisko
włoskowatości. Efekt ten jest widoczny wyraźnie w bardzo cienkich
rurkach (tzw rurkach włoskowatych) zanurzonych jednym końcem w cieczy. Jeżeli
ciecz w takiej rurce tworzy menisk wklęsły (na przykład woda w rurce szklanej)
to siły napięcia powierzchniowego dążące do zmniejszenia powierzchni swobodnej
ułożą się tak, jak widać na rysunku Wypadkowa
tych sił, skierowana jest ku górze i powoduje, iż poziom cieczy w rurce
podniesie się w stosunku do poziomu cieczy w naczyniu. Jeżeli rurkę
zanurzymy w cieczy, w której powstaje menisk wypukły (na przykład rurkę szklaną
w rtęci), wypadkowa sił napięcia powierzchniowego skierowana będzie do dołu,
więc poziom cieczy w rurce obniży się. Łatwo
wyliczyć średnicę rurki znając wysokość na jaką wzniesie się słupek cieczy w
rurce. Wystarczy zauważyć, że siły napięcia powierzchniowego muszą zrownoważyć
ciężar słupka cieczy o wysokości "h".
A
znając już średnice rurki, możemy dla innej cieczy wyznaczyć współczynnik
napięcia powierzchniowego.

CEL ĆWICZENIACelem ćwiczenia jest wyznaczenie wsółczynnika napięcia
powierzchniowego cieczy badanej poprzez pomiar wysokości wzniesienia tej cieczy
w rurkach włoskowatych. Etapem wstępnym tego pomiaru jest wyznaczenie średnic
wewnętrznych tych rurek. Przeprowadza się to mierząc wysokości słupków wody
destylowanej w tych rurkach i znajomość współczynnika napięcia powierzchniowego
dla wody.
METODA POMIAROWA
Wyznaczanie średnicy wewnętrznej rurek

Czyste i przepłukane wodą destylowaną rurki włoskowate zanurzamy pionowowo
do wody.
Pzy pomocy pompki gumowej wciągamy do wnętrza rurek wodę i zdejmujemy
pompkę z rurki.
Linijką mierzymy wysokości słupkow wody w poszczególnych rurkach.
Pomiar dla każdej rurki powtarzamy dziesięciokrotnie, gdyż jest obarczony
dość dużym błędem.
Wyniki umieszczamy w tabeli :

Wyznaczanie współczynnika napięcia powierzchniowego cieczy badanej
Powtarzamy czynności opisane w punktach 1-4 używając badanej
cieczy zamiast wody.

OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓWNależy obliczyć współczynnik
napięcia powierzchniowego cieczy badanej dla każdej rurki osobno, a następnie
wyliczyc wartość srednią napięcia powierzchniowego i jej niepewność.
Wyznaczając niepewności pomiarowe, należy uwzględnić zarówno niepewności
systematyczne (odczytu z linijki) jak i przypadkowe (statystyczne). Jak to się
robi, opisano szczegółowo na stronie poświęconej niepewnościom pomiarowym