Ćwiczenie 12

Wyznaczanie napięcia powierzchniowego cieczy

I. Wprowadzenie

• Napięcie powierzchniowe cieczy:

Między cząsteczkami cieczy działają siły spójności, których zasięg oddziaływania jest rzędu kilkudziesięciu cząsteczek. W głębi cieczy, ze względu na równomierne rozłożenie cząsteczek, siły oddziaływań między cząsteczkami znoszą się wzajemnie. Inaczej jest na powierzchni cieczy i tuż pod nią. Ponieważ gęstość gazu ponad cieczą jest mała, na cząsteczki w warstwie powierzchniowej działa wypadkowa siła spójności wywierania przez inne cząsteczki leżące głębiej, która jest zwrócona do wewnątrz cieczy, prostopadle do jej powierzchni. Siła ta wciąga cząsteczki przypowierzchniowe w głąb cieczy, co przejawia się tym, że ciecz dąży do zmniejszenia swojej powierzchni. Ciśnienie wywierane przez warstwę powierzchniową nazywa się ciśnieniem wewnętrznym cieczy, Jednostką napięcia powierzchniowego jest F/l

• Zjawisko włoskowatości:

Powierzchnia cieczy stykająca się z powierzchnią ciała stałego tworzy pewien kąt teta. Ten kąt zwany kątem zwilżania, zależy od wzajemnego stosunku sił przylegania działających pomiędzy cząsteczkami cieczy i ciała stałego oraz sił spójności pomiędzy samymi cząsteczkami cieczy. Powierzchnia cieczy układa się prostopadle do siły wypadkowej. Gdyby tak ni było, to istniałaby składowa siły wypadkowej równoległa do powierzchni, powodująca przemieszczanie się cząsteczek cieczy.

- Kroplowy wypływ cieczy:

Przy powolnym wypływie cieczy kroplami z pionowej kapilary zauważamy, że pojawiają się początkowo wypukłe powierzchnie kuliste, potem tworzy się przewężenie i kulista kropla odrywa się od rurki. Taki kształt kropli jest wynikiem dążenia siły napięcia powierzchniowego do zamknięcia narastającej masy cieczy wewnątrz minimalnej powierzchni. Oderwanie się kropli następuje wskutek zerwania błonki powierzchniowej na obwodzie przewężenia, pod wpływem ciężaru kropli. Jeżeli obwód przewężenia wynosi 2Πr, to siła napięcia powierzchniowego w chwili odrywania wynosi F=2Πrσ , i jest skierowana pionowo w górę. Wprowadzając masę kropli mamy: mg=2Πrσ.

Wykonanie zadania:

• wyznaczanie napięcia powierzchniowego za pomocą kapilary:

1. Obliczamy promień kapilary

2. Do szerokiego naczynia nalewamy wodę destylowaną

3. Do wody wkładamy czystą kapilarę, zanurzamy głęboko a następnie częściowo wynurzamy ją

4. Mierzymy różnice poziomów wody w naczyniu i w kapilarze

5. Pomiar powtarzamy jeszcze 2 razy

• wyznaczanie napięcia powierzchniowego metodą wypływu kropel:

1. Ważymy czyste i suche naczynko z pokrywką - masa m_p

2. Do czystego lejka z kapilarą wlewamy wodę destylowaną. Odkręcamy kranik , wypuszczamy 50 kropel do naczynka wagowego po czym ważymy je wraz z zawartością. Obliczamy masę jednej kropli

3. Pomiary te powtarzamy dla 3 innych cieczy

Obliczenia:

• pomiar za pomocą kapilary:

V_k=0,082 cm³

h_k=9,8 cm

V=Πr²h_k =>
=0,0005m

H= 1,8 cm ( wysokość wody w naczyniu )

h₁=2,4 cm

h₂=2,4 cm h_śr.=2,43 cm=0,0243m

h₃=2,5 cm

6*10^-5 [N/m]

• pomiar metodą kroplową:

m_p=0,01079 kg - masa pojemnika wagowego wraz z pokrywką

m=0,01365 kg - 50 kropel wody destylowanej + m_p

m₁=0,01336 kg - 50 kropel wody destylowanej z denaturatem + m_p

m₂=0,01203 kg - 50 kropel wody destylowanej z detergentem + m_p

m₃=0,01375 kg - 50 kropel wody destylowanej z octem + m_p

mk=0,0000572 kg - waga jednej kropli wody destylowanej

mk₁=0,0000514 kg - waga jednej kropli wody destylowanej z denaturatem

mk₂=0,0000248 kg - waga jednej kropli wody destylowanej z detergentem

mk₃=0,0000592 kg - waga jednej kropli wody destylowanej z octem

[N/m]

σ₁= 5,4*10^-6 N/m σ₂= 2,6*10^-6 N/m σ₃=6,2*10^-6 N/m

Wnioski:

Napięcie powierzchniowe wody destylowanej jest bardzo niewielkie i wynosi zaledwie 6*10^-5. Co się tyczy napięć powierzchniowych pozostałych badanych substancji, to wyliczyliśmy, że najmniejsze posiada woda destylowana z detergentem, natomiast największe mieszanka wody destylowanej z octem.

Wszystkie wyniki powyższych pomiarów podane są z niedużą dokładnością, ponieważ są jedynie pomiarami dla celów szkolnych. Błędy pomiarów wynikają głównie z niedoskonałości wykonania pomiarów oraz niedokładności osób wykonujących to zadanie.

---