Laboratorium Podstaw Fizyki

Ćwiczenie 33A

Pomiar napięcia powierzchniowego metodą odrywania

1. Cele ćwiczenia:

- wyznaczenie współczynnika napięcia powierzchniowego kilku różnych cieczy metodą odrywania

2. Wstęp

Między cząsteczkami cieczy występują siły wzajemnego oddziaływania. Siły te działają wokół każdej cząsteczki w pewnym obszarze, zwanym sferą działania. Średnie odległości cząsteczek w cieczach są znacznie mniejsze niż w gazach i dlatego siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy są o wiele większe niż gazu. Na cząsteczkę znajdującą się wewnątrz cieczy działają siły przyciągania pochodzące od otaczających ją cząsteczek. Ze względu na symetrię sferyczną siły te kompensują się tak, że ich wypadkowa równa się zeru. Rozkład sił działających na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni cieczy jest inny. Siły przyciągania pochodzące od cząsteczek cieczy tworzą wypadkową, która jest skierowana do wnętrza cieczy. Wypadkowa siła działająca na cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy jest skierowana w głąb cieczy. Na skutek tego powierzchnia cieczy kurczy się. Gdy na ciecz nie działają siły zewnętrzne, przyjmuje kształt kuli, tzn. kształt, dla którego stosunek powierzchni do objętości jest najmniejszy. Przeniesienie cząsteczek z wnętrza na powierzchnię cieczy związane jest z wykonaniem pracy przeciw wypadkowej sił międzycząsteczkowych.

Napięciem powierzchniowym σ danej cieczy na granicy z inną fazą nazywamy pracę potrzebną do izotermicznego zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę. Napięciem powierzchniowym σ nazywamy także siłę styczną do powierzchni cieczy, działającą na jednostkę długości obrzeża powierzchni cieczy.

W układzie SI wymiarem napięcia powierzchniowego σ jest J/m2 lub N/m.

Na granicy cieczy oraz gazu lub ciała stałego obserwuje się zakrzywienie powierzchni cieczy, zwane meniskiem. Menisk jest wynikiem rozkładu sił, które działają na cząsteczki cieczy znajdujące się w pobliżu granic trzech faz: cieczy, gazu i ciała stałego. Siłami kohezji nazywamy siły działające między cząsteczkami tego samego ciała. Siłą adhezji nazywamy siłę działającą między cząsteczkami różnych ciał. Na przykład na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni cieczy i w pobliżu ścianki naczynia (ciała stałego) będą działały siły pochodzące od innych cząsteczek cieczy, cząsteczek ciała stałego i cząsteczek gazu.

3. Przyrządy i układ pomiarowy

Do dyspozycji mieliśmy następujące przyrządy:

- suwmiarka

- śruba mikrometryczna

- 2 płytki metalowe

- badane ciecze

- waga torsyjna delta
; poniżej schemat wagi torsyjnej

4. Obliczenia

1mG=9,807^.10^-6 N

Q[mG] = 2

d[mm] = 0,01

l [mm] = 0,05

1 płytka:

Długość l=26 mm

Grubość

Q = 320 mg

2 płytka:

l=26 mm

Q= 577 mg

Ciecze wykorzystane w ćwiczeniu:

I - wodny roztwór płynu do mycia naczyń

II - 4% C₂H₂OH+H₂O

III - denaturat

( dla 1 płytki )

( dla 2 płytki )

F = 482 mG *10^-6N=4727*10^-6N ( i odpowiednio dla kolejnych F )

Płytka 1						Płytka 2
Ciecz I		Ciecz II		Ciecz III		Ciecz I		Ciecz II		Ciecz III
F	F	F	F	F	F	F	F	F	F	F	F
mG	10^-6N	mG	10^-6N	mG	10^-6N	mG	10^-6N	mG	10^-6N	mG	10^-6N
1	482	4727	538	5276	487	4776	745	7306	778	7630	718	7041
2	480	4717	536	5257	487	4776	744	7296	778	7630	720	7061
3	481	4707	537	5266	485	4756	744	7296	779	7640	719	7051
4	480	4688	538	5276	486	4766	744	7296	777	7602	720	7061
5	482	4727	538	5276	487	4776	744	7296	778	7630	721	7071
6	478	4688	538	5276	487	4776	745	7306	778	7630	719	7051
7	478	4688	538	5276	488	4786	746	7316	778	7630	720	7061
8	479	4698	537	5266	487	4776	744	7296	777	7602	719	7051
9	478	4688	537	5266	488	4786	745	7306	778	7630	720	7061
10	479	4698	537	5266	488	4786	744	7296	779	7640	719	7051
Śr.	479	4703	537,4	5270	487	4777	744,5	7301	778,1	7626	719,5	7056

Obliczanie napięcia powierzchniowego

W przypadku cieczy zwilżającej metal, na skutek działania sił adhezji, cząsteczki cieczy przylegają do metalu i kąt γ jest w przybliżeniu równy zeru, a cosγ = 1, zatem

σ = (F-Q) / 2 (l+d).

Ponieważ grubość płytki jest bardzo mała w porównaniu z długością krawędzi l, więc grubość płytki d możemy pominąć. Stąd: σ = (F-Q) / 2l .

Płytka 1:

Ciecz I:

Ciecz II:

Ciecz III:

Płytka 2:

Ciecz I:

Ciecz II:

Ciecz III:

5. Wnioski

Powyższe doświadczenie miało na celu pomiar napięcia powierzchniowego metodą odrywania płytek od powierzchni cieczy. Oczywiście istnieją jeszcze inne metody pomiaru np.: za pomocą kapilary, stalagmometru lub metody pęcherzykowej. Porównując wyniki tego doświadczenia z danymi zawartymi w odpowiednich tabelach, stwierdzam że są to wyniki poprawne, choć nieco różniące się od danych zawartych w tabeli. Różnice te najprawdopodobniej wynikają z samej metody pomiaru.

---