Artur Bugajski	Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej	data oddania: 11.01.2013	Grupa: 1 Zespół:11	Ocena:
	Napięcie powierzchniowe w układzie faza ciekła – faza gazowa.	Numer ćwiczenia: 2

.

Wstęp:

Cząstka cieczy, znajdująca się na powierzchni fazowej ciecz-gaz, jest poddana oddziaływaniu sił między powierzchniowe obydwu ośrodków. Siła wypadkowa, skierowana prostopadle do powierzchni fazowej, dąży, do wciągnięcia cząstki w głąb cieczy. Objawia się to dążnością układu do zmniejszenia powierzchni fazowej. Zjawisko to nazywa się napięciem powierzchniowymi Miarą napięcia powierzchniowemu jest siła działająca na jednostkę długości na powierzchni fazowej ( siła styczna do tej powierzchni, dążąca do jej Zmniejszenia) lub praca potrzebna do zwiększenia powierzchni fazowej o jednostkę. Równoważnymi wymiarami napięcia powierzchniowemu są więc oraz .

Najmniejszą wartość stosunku wielkości powierzchni do objętością wykazuje kula. W wyniku działania napięcia powierzchniowemu dążącego do zmniejszenia powierzchni fazowej, ciecze zawieszone w fazie gazowej przyjmują kształt kulistych kropel itp. krople mgły. Zjawisko to staje się bardziej złożone w przypadku zetknięcia się trzech faz, itp. dwie fazy ciekłe i faza gazowa lub fazy ciekła, stała i gazowa itp. Na cząsteczkę cieczy znajdującą się na granicy zetknięcia się trzech faz oddziaływają siły międzycząsteczkowe trzech, ośrodków. W zależności od tego czy napięcia powierzchniowego na granicy faz ciekła-gazowa jest mniejsze czy większe niż na granicy faz ciekła-stała brak zwilżalności lub zwilżanie. . W obydwu przypadkach (powierzchni lub brak zwilżalności) zwiększa się ta powierzchnia, której rozbudowa jest związana z mniejszym nakładem energii.

Tematem ćwiczenia jest napięcie powierzchniowe na granicy faz ciekłej i gazowej. Napięcie powierzchniowe właściwe wyznacza się w układzie nie zawierającym obcych gazów (ciecz-para). powierzc obcych gazów, gdy nie reagują one z badaną cieczą, wpływa w powierzchniow małym stopniu na mierzoną wielkość.

Zależność napięcia powierzchniowemu cieczy od temperatury opisuje wyprowadzone przez Etövösa równanie (1):

gdzie: M oznacza ciężar cząsteczkowy, d – ciężar właściwy (stąd jest objętością jednego mola), T_K – temperatura krytyczna, K jest wartością stałą (w przypadku cieczy organicznych wynosi ona 2,12.).

Zależność napięcia powierzchniowemu od stężenia substancji rozpuszczonych posiada charakter złożony, zależny od rodzaju układu. Dla wodnych powierzch kwasów powierzchnio zależność tę ujmuje wyprowadzone przez Szyszkowskiego równanie (2):

gdzie: oznacza napięcie powierzchniowe czystego rozpuszczalnika, - roztworu, a oraz b są stałymi, c – stężeniem. Zależność napięcia powierzchniowemu od stężenia wiąże się w tym przypadku ze powierzchn adsorpcji substancji rozpuszczonej na granicy fazowej. Gdy mówimy o stopach metali brak jest ogólnego równania powierzchn zależność napięcia powierzchniowemu od stężenia, a dodatkowym czynnikiem komplikującym sytuację w tych układach jest powierzch powstawania różnych związków.

Z definicji napięcia powierzchniowego wiemy że, zmiana wielkości powierzchni fazowej wiąże się z efektami energetycznymi. Zmiana energii swobodnej związana ze wzrostem powierzchni o 1 cm² jest równa potrzebnej do tego pracy, stąd możemy wnioskować, że energia swobodna 1 cm² powierzchni fazowej jest równa napięciu powierzchniowemu:

Gdy uwzględnimy znane zależności :

i

możemy przedstawić U, czyli całkowita energię 1 cm² powierzchni fazowej w postaci:

Cel ćwiczenia:

1. Pomiar napięcia powierzchniowego alkoholu oraz roztworu wskazanego detergentu metodami stalagmometryczną i pęcherzykową. Wyznaczenie błędów względnych i ocena dokładności metod.

2. Pomiar napięcia powierzchniowego (metodą stalagmometryczną lub pęcherzykową) roztworów wodnych detergentu oraz alkoholu o różnych stężeniach. Ustalenie w oparciu o uzyskane wyniki zakresu stosowalności równania Szyszkowskiego oraz ewentualne wyznaczenie współczynników tego równania.

OPRACOWANIE WYNIKÓW:

Metoda stalagmometryczna

Substancja	Ciężar właściwy d	Ilość kropel w kolejnych pomiarach n	Głębokość zanurzenia kapilary h[mm]
H2O	1,00	68	20	1,00	72,583
		65
		67
		66,66
Alkohol etylowy 96%	0,807	124	20	0,43	31,32
		127
		123
		124,66
0,1% roztwór mydła	1,00	120	20	0,552	40,066
		121
		121
		120,66

OBLICZENIA

(metoda stalagmometryczna):

$$\frac{\sigma_{\text{alkohol}}}{\sigma_{H_{2}O}} = \frac{d_{1}n_{2}}{d_{2}n_{1}} = \frac{0,807*66,66}{1*124,66} = \mathbf{0,43}$$

$$\frac{\sigma_{\text{myd}la}}{\sigma_{H_{2}O}} = \frac{d_{1}n_{2}}{d_{2}n_{1}} = \frac{1*66,66}{1*120,66} = \mathbf{0,552}$$

BŁĘDY POMIAROWE

(metoda stalagmometryczna):

$\frac{\Delta\sigma_{\text{alkohol}}}{\sigma_{\text{alkohol}}}\mathbf{=}$3,5%$\mathbf{\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }}\frac{\text{Δσ}_{\text{myd}lo}}{\sigma_{\text{myd}lo}} =$3,53%

Metoda pęcherzykowa

Substancja	Ciężar właściwy d	Manometryczna różnica poziomów h’[mm]	Głębokość zanurzenia kapilary h[mm]
H2O	1,00	25	20	1,00	72,583
		27
		30
		27,33
Alkohol etylowy 96%	0,502	20	20	0,36	26,14
		19
		19
		19,33
0,1% roztwór mydła	1,00	30	20	1,38	100,31
		30
		29
		29,66

OBLICZENIA

(metoda pęcherzykowa):

$$\frac{\sigma_{\text{alkohol}}}{\sigma_{H_{2}O}} = \frac{h_{1}^{'}d_{m} - h_{1}d_{1}}{h_{2}^{'}d_{m} - h_{2}d_{2}} = \frac{19,33*1 - 21,23*0,807}{27,33*1 - 21,23*1} = \mathbf{0,36}$$

$$\frac{\sigma_{\text{myd}la}}{\sigma_{H_{2}O}} = \frac{29,66*1 - 21,23*1}{27,33*1 - 21,23*1} = \mathbf{1,38}$$

BŁĘDY POMIAROWE

(metoda pęcherzykowa):

$\frac{\Delta\sigma_{\text{alkohol}}}{\sigma_{\text{alkohol}}} =$61,9%$\mathbf{\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }}\frac{\text{Δσ}_{\text{myd}lo}}{\sigma_{\text{myd}lo}} =$28,28%

Zależność napięcia powierzchniowego wody i szeregu metali od temperatury

H2O	Sn	Pb	Al	Zn	Cu
t^0		t^0		t^0
[^oC]		[^oC]		[^oC]
0	75.626	232	578.8	327	469.9
5	74.860	250	575.8	370	465.9
10	74.113	300	566.0	425	447.3
15	73.350	350	556.2	472	443.4
20	72.583	400	545.4	507	440.5
25	71.810	450	535.6	557	430.7
30	71.035	500	525.8	610	421.8
35	70.230	550	516.0	657	415.9
40	69.416	600	506.2
45	68.592
50	67.799
55	66.894
60	66.040
65	65.167
70	64.274
75	63.393
80	62.500
85	61.587
90	60.684
95	59.763

$$U = \sigma - T(\frac{\text{dσ}}{\text{dT}})$$

Uwody	U Al	USn	UPb	UZn	UCu
121,22	631,94	679,19	569,38	909,73	251,33

Pomiary napięcia powierzchniowego roztworu wody z detergentem o różnych stężeniach. Doświadczenie wykonane metodą pęcherzykową:

Stężenie	Ciężar właściwy dX	Ciśnienie manometryczne lub ilość kropel hx^′[mm]	Głębokość zanurzenia kapilary h [mm]	Napięcie powierzchniowe	Błąd względny
0,49	1	26,66	20	33,04	4,3	67,58	0,015
0,99		32,67		59,75	1,85	60.43	0,017
1,96		33,33		62,66	2,3	31,23	0,032
2,91		32,00		56,78	1,25	19,26	0,052
3,85		32,33		58,28	8,59	14,45	0,069
3,85		32,33		58,28	1,24	11,46	0,087

Wykres zależności stężenia roztworu mydła od odwrotności pochodnej:

Wnioski:

Moim zdaniem metoda stalagmometryczna jest dokładniejsza od metody pęcherzykowej, co można zauważyć w powyższych tabelach. Wyliczone błędy pomiaru dla obu tych metod, wyraźnie wskazują, iż w metodzie stalagmometrycznej są mniejsze błędy pomiarowe.

W tabeli zależność napięcia powierzchniowego wody i szeregu metali od temperatury wyznaczyłem 1 cm² powierzchni gazowej. Cynk: U=909,73 posiada największą energię powierzchniową.

Następnym „krokiem” było wykonanie metoda pęcherzykową pomiaru napięcia powierzchniowego roztworu detergentu w wodzie. Sporządziłem wykres który przedstawia zależność od stężenia na podstawie danych zamieszczonych w tabeli.