Ćwiczenie 412

Siły spójności- przyciągające siły działające między cząsteczkami cieczy. W głębi cieczy cząsteczki znoszą się wzajemnie, ale przy powierzchni (również tuż pod nią) działa siła (wypadkowa siła spójności wywierana przez inne cząsteczki z głębi) wciągająca cząstki do środka cieczy (jest to dążenie do zmniejszenia jej powierzchni).

Ciśnienie wewnętrzne cieczy- jest to ciśnienie wywierane przez warstwę powierzchniową.

Siły napięcia powierzchniowego- są to siły cząsteczkowe występujące w warswie powierzchniowej.

Napięcie powierzchniowe- siła działająca na jednostkę długości z jednej strony konturu. Oznacza się ją jako σ. Wyraża się ją w N/m. Napięcie powierzchniowe zależy od rodzaju cieczy i jej temperatury. Może być również wyrażone jako J/m².

σ = F / l

gdzie:

σ- napięcie powierzchniowe

F- siła działająca na powierzchnie cieszy

l- długość konturu

lub

σ= ∆E / ∆S

gdzie:

∆S- wartość zwiększonego pola powierzchni

∆E- swobodna energia powierzchniowa

Jeśli zachodzi zwilżenie doskonałe (kąt między powierzchnia cieczy a ciała stałego jest liski zeru)

σ= (hρgr)/2

gdzie

h- wzniesienie słupa

ρ- gęstość cieczy

g- przyspieszenie ziemskie

r- promień kapilary

Praca wykonana wbrew siłom spójności- jest ona potrzebna do zwiększenia swobodnej powierzchni cieczy.

W = σ · ∆S

Gdzie:

W- praca

σ-napięcie powierzchniowe

S- wartość zwiększonego pola

Swobodna energia powierzchniowa- zmagazynowana praca zużyta na zwiększenie powierzchni cieczy.

∆E= W = σ · ∆S

Menisk- zjawisko tworzące się w skutek siły przyciągania lub odpychania pomiędzy cząsteczkami cieczy i naczynia.

Menisk wklęsły- następuje gdy ciecz zwilża naczynie i |F_przylegania|>|F_spójności| a kąt między powierzchniami jest mniejszy od 90⁰. Dodatkowo pod powierzchnią panuje podciśnienie.

Menisk wypukły- następuje gdy ciecz nie zwilża naczynia i |F_przylegania|<|F_spójności| a kąt między powierzchniami jest większy od 90⁰. Dodatkowo pod powierzchnią panuje nadciśnienie.

Zjawisko włoskowatośći- związane z meniskiem; polega na podnoszeniu się lub obniżaniu powierzchni płynu w wąskiej rurce (kapilarze)

Kąt zwilżania- jest to kąt (teta) utrzowony pomiędzy powierzchnią ciaczy stykającej się z powierznią ciała stałego. Zależy od wzajemnego stosunku sił przyciągania i siły spójnośći.

Kroplowy wypływ cieczy- kropla odrywa się od rurki, zw względu na siły napięcia powierzchniowego. Warunek odrywania się cieczy:

σ_i=(m_i /m) σ

gdzie:

σ_i- nieznane napięcie powierzchnowe

m_i- masa kropli cieczy

σ- napięcie powierzchniowe znane

m- masa kropli innej czeci o znanym napięciu powierzchniowym.

Wykonanie ćwiczenia:

Cel 1.: wyznaczenie napięcia powierzchniowego za pomocą rurki włoskowatej

1. określenie promienia kapilary

2. nalanie wody destylowanej do czystego czerokiego naczynia

3. włożenie do wody czystej i drożnej kapilary.

4. Zanurzenie i czesiowe wyjęcie kapilary

5. Mierzenie różnicy poziomów wody w naczyniu i kapilarze.

6. 3 krotne wykonanie pomiaru i obliczenie σ wody

Obliczenia:

Wymiary kapilary	Wysokość słupa wody [mm]	Napięcie powierzchniowe[N/m]
Długość [mm]	Objętość [cm^3]	Promień [mm]
160	0,1	0,446

Napięcie powierzchniowe obliczamy ze wzoru

σ= (hρgr)/2

ρ= 998,2 (kg/m³) = 9,982 * 10 ^-4 (g/mm³)

σ= (17 * 9,982 * 10 ^-4 * 9,8 * 0,446) / 2 = 0,03708 [N/m]

Rachunek błędów

Obliczamy go metodą pochodnej logarytmicznej. Obliczamy ze wzoru:

(∆σ/ σ) = (∆h / h) + (∆ρ / ρ) + (∆g/g) + (∆r/r)

∆h= max|h – h_i| + 1mm = |17-15| + 1mm=3 mm

∆r= [(∆V/ V)+ ½ * (∆h_k/h_k)]0,446= 0,005853

(∆σ/ 0,03708)= (3/17) + 0 + 0 +(0,01 / 0,00583)

∆σ= 0,00701

σ= 0,03708 ± 0,00701 [N/m]

Błąd względny procentowy

(∆σ/σ) * 100%= 18,9%

Cel 2: Cel: wyznaczenie napięcia powierzchniowego cieczy metoda kropelkową:

1. Ważenie czystego i suchego naczynia wagowego

2. Do czystej birety wlewanie wody destylowanej i wybuszczenie z kapilary biurety 50 kropel wody do naczynka i zważenie.

3. Powtórzenie pomiarów dla trzech innych cieczy (woida destylowana z detergentem, roztwór wodny kwasu octowego i denaturat)

4. Obliczenie napięcia powierzchniowego cieczy.

Rodzaj cieczy	Masa naczynka z cieczą [g]	Masa kropel n = 50 [g]	Masa jednej kropli [g]	Napięcie powierzchniowe [N/m]
Woda destylowana	5,48	2,55	0,051	0,03708
Woda destylowana z detergętem	4,46	1,53	0,0306	0,054
Roztwór wodny kwasu octowego	5,29	2,36	0,0472	0,0343
Denaturat	3,93	1,00	0,02	0,0145

Masa naczynka wagowego: 2,93 g

Przykładowe Obliczenie masy kropli

Woda destylowana: 5,48 – 2,93 = 2,55

Przykładowe Obliczenie masy jednej kropli

2,55/ 50 = 0,051

Obliczenie napięcia powierzchniowego ze wzoru:

σ_i=(m_i /m) σ

gdzie :

σ= 0,03708 (woda destylowana)

m= 0,051 (woda destylowana)

woda destylowana: σ_i= 1 * 0,03708= 0,03708 [N/m]

Rachunek błędów:

Obliczamy go metodą pochodnej logarytmicznej. Ze wzoru:

(∆σ_i/ σ_i) = (∆m_i / m_i) + (∆m/m) + (∆σ/ σ)

∆σ_i=[ [(5,48-2,93)/50]2 + 0,00701] 0,03708

∆σ_i=0,004042

σ_i=0,03708 ± 0,004042

Błąd względny procentowy

(∆σ_i/ σ_i)* 100%= 10,9%

woda destylowana z detergentem: : σ_i= (0,0306/0,051)0,03708= 0,054 [N/m]

roztwór wodny kasu octowego:= : σ_i= (0,0472 / 0,051)0,03708= 0,0343 [N/m]

denaturat: : σ_i= (0,02/0,051)0,03708= 0,0145 [N/m]

Wnioski:

1. Roztwór wodny kwasu octowego oraz denaturat obniżają napięcię powierzchniowe wody

2. Najmniejsze napięcie powierzchniowe ma denaturat

3. Największe napięcie powierzchniowe ma woda destylowana z detegrentem

4. Metoda wyznaczenia napięcia powierzchniowego za pomocą kapilary jest mniej dokładne niż wyznaczenie go za pomocą metody wypływu kropel (błąd procentowy dla metody kapilary: 18,9%, błąd dla metody wypływu kropel: 10,9%)