Siły napięcia – siły zmniejszające pole powierzchni cieczy; działają stycznie do powierzchni.

Napięcie powierzchniowe – definicje:

1. siłowa:

stosunek wypadkowej sił napięcia powierzchniowego F do długości odcinka l, wzdłuż którego są one zaczepione

σ$\mathbf{\ = \ }\frac{\mathbf{F}}{\mathbf{l}}$ [$\frac{\mathbf{N}}{\mathbf{m}}$]

1. energetyczna:

stosunek pracy ∆W wykonanej przy zwiększaniu powierzchni cieczy do przyrostu pola ∆S powierzchni rozciąganej błonki powierzchniowej

σ = $\frac{\mathbf{W}}{\mathbf{S}}$

Napięcie powierzchniowe względne – stosunek napięcia powierzchniowego danej cieczy σ_c do napięcia powierzchniowego cieczy wzorcowej σ_w , którą najczęściej jest woda.

σ_wzg = $\frac{\mathbf{\ }\mathbf{\sigma}\mathbf{c}}{\mathbf{\sigma}\mathbf{w}}$

Napięcie powierzchniowe zależy od:

- rodzaju cieczy,

- temperatury – wraz z jej wzrostem maleje, by osiągnąć zero w temperaturze krytycznej.

Menisk – zakrzywienie powierzchni swobodnej cieczy w pobliżu ścianek naczynia.

Jeżeli oddziaływania między cząsteczkami naczynia a cieczy są większe niż pomiędzy cząsteczkami cieczy to tworzy się menisk wklęsły (rys. B).

Jak oddziaływania pomiędzy cząsteczkami cieczy a ściankami naczynia są słabe, tworzy się menisk wypukły (rys. A).

Zjawisko włoskowatości - zjawisko wywołane siłami działającymi między drobinami ciał stałych i ciekłych, polegające na wznoszeniu się do różnej wysokości w naczyniach i rurkach o różnej średnicy cieczy znajdującej się w równowadze

Sposoby pomiaru napięcia powierzchniowego cieczy

1. metoda odrywania płytki od powierzchni cieczy

Metoda ta polega na zmierzeniu siły potrzebnej do oderwania cienkiej płytki od powierzchni cieczy. Całkowita siła P_c potrzebna do oderwania pytki jest równa sumie ciężaru płytki Q oraz siły napięcia powierzchniowego działającego wzdłuż obwodu płytki (b – długość obwodu).

σ = $\frac{\mathbf{P}\mathbf{c - Q}}{\mathbf{2}\mathbf{b}}$

1. metoda wzniesienia kapilarnego

Powierzchnia cieczy stykającej się z powierzchnią ciała stałego tworzy z nią pewien kąt α (kąt zwilżania). Wypadkowa sił działających ku górze wynosi:

F_σ = 2π*r*σ*cosα

r – promień przekroju rurki

Unoszenie cieczy w rurce trwa tak długo, aż zrównoważą się ciężar wyciągniętej cieczy i siła F_σ:

ρ*g*h*r²*π = 2π*r*σ*cosα

g – przyciąganie ziemski

h – wysokość na jaką wzniosła się ciecz

ρ – gęstość cieczy

Przekształcając wzór otrzymujemy:

σ = $\frac{\mathbf{h*\rho*g*r}}{\mathbf{2}\mathbf{\text{cosα}}}$

1. metoda stalagmometryczna:

Za pomocą stalagmometru wyznaczamy głównie względne napięcie powierzchniowe. Stalagmometr to naczynie zakończone kapilarą. Przepływająca powoli przez nią ciecz tworzy na końcu kapilary kroplę, która odrywa się, kiedy jej ciężar odrywa się w momencie, gdy przewyższy siły napięcia powierzchniowego. Aby wyznaczyć względny współczynnik napięcia powierzchniowego należy policzyć ilość kropli cieczy wzorcowej wypływającej z naczynia i ilość kropli cieczy badanej wypływającej z tej samej objętości naczynia.

$$\frac{\mathbf{\sigma}}{\mathbf{\sigma}}_{\mathbf{0}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{n}_{\mathbf{0}}\mathbf{*\rho}}{\mathbf{n*}\mathbf{\rho}_{\begin{matrix} \mathbf{0} \\ \\ \end{matrix}}}$$

σ – współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy badanej

σ₀ – współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy wzorcowej

n− ilość kropli cieczy badanej

n₀ – ilość kropli cieczy wzorcowej

ρ −  gęstość cieczy badanej

ρ₀ – gęstość cieczy wzorcowej

Po przekształceniu otrzymujemy następujący wzór:

σ = σ₀*$\frac{\mathbf{n}_{\mathbf{0}}\mathbf{*\rho}}{\mathbf{n*}\mathbf{\rho}_{\begin{matrix} \mathbf{0} \\ \\ \end{matrix}}}$

Badanie napięcia powierzchniowego gliceryny metodą stalagmometryczną

Przy obliczeniach pomijamy zmiany gęstości po dodaniu detergentu z powodu braku możliwości ich zmierzenia.

Nr pomiaru	Próba I	Próba II	Próba III	Próba IV
1	61	79	117	140
2	61	84	120	138
3	59	80	115	141
Średnia pomiarów	60,3	81	117,3	139,7

Próba I – 50% r-r gliceryny

Próba II – r-r gliceryny z 1 kroplą detergentu

Próba III – r-r gliceryny z 2 kroplami detergentu

Próba IV – r-r gliceryny z 3 kroplami detergentu

Średnie pomiarów zaokrąglone do części dziesiętnych.

$$\mathbf{\sigma = \ }\mathbf{\sigma}_{\mathbf{0}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{n}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{n}}$$

$$\backslash n{\mathbf{\sigma}_{\mathbf{0}}\mathbf{= 0,0699\ }\frac{\mathbf{N}}{\mathbf{m}}}$$

Próba II :

σ = 0,0699*(60,3/81) = 0,0521 $\frac{N}{m}$

Próba III :

σ = 0,0699*(60,3/117,3) = 0,0359$\ \frac{N}{m}$

Próba IV :

σ = 0,0699*(60,3/139,7) = 0,0302$\ \frac{N}{m}$

Wnioski

Wzrastająca liczba kropel w kolejnych pomiarach świadczy o tym, że detergent obniża napięcie powierzchniowe cieczy.