plik


ÿþ w i c z e n i e 9 WYZNACZANIE NAPICIA POWIERZCHNIOWEGO ZA POMOC KAPILARY 9.1 Opis teoretyczny 9.1.1. Napicie powierzchniowe cieczy Zrednie odlegBo[ci czsteczek w cieczach s znacznie mniejsze ni| w gazach, dlatego siBy wzajem- nego ich oddziaBywania odgrywaj istotn rol. Zasig dziaBania tych siB jest bardzo maBy, rzdu -8 5 Å"10 m, a wic okoBo 50 [rednic czsteczki. Jak pokazuje rys.9.1 siBy van der Waalsa kompensuj si wówczas, gdy czsteczka znajdzie si gBboko wewntrz cieczy. Natomiast w jej powierzchnio- wej warstwie siBy midzyczsteczkowe nie kompensuj si. Na czsteczki cieczy znajdujce si w tej warstwie pozostaBa cz[ czsteczek wywiera siB przycigania skierowan w gBb cieczy i pro- stopadB do jej powierzchni. Dlatego powierzchniowa warstwa wywiera na ciecz wielkie ci[nienie wewntrzne dochodzce do dziesitków tysicy atmosfer ( dla wody ~1700 at.). Ci[nienia we- wntrznego nie mo|na zmierzy do[wiadczalnie, gdy| zawsze skierowane jest w gBb cieczy, a wic nie dziaBa na [cianki naczynia i na ciaBa w niej zanurzone. Zrednia energia kinetyczna czsteczek okre[lana jest wyBcznie przez temperatur. Dlatego w stanie równowagi energie czsteczek warstwy powierzchniowej i znajdujcych si wewntrz cie- czy s identyczne. Natomiast energia potencjalna uwarunkowana jest siBami wzajemnego oddziaBy- wania midzyczsteczkowego. Czsteczka przechodzc z wewntrznych cz[ci cieczy na jej po- wierzchni musi wykona prac przeciwko jej siBom przycigania skierowanym w gBb cieczy (rys.9.1). Dlatego czsteczki warstwy powierzchniowej maj wiksz energi potencjaln ni| cz- steczki wewntrz cieczy. Rys. 9.1. SiBy oddziaBywaD midzyczsteczkowych w cieczy WBa[ciwsze i precyzyjniejsze ni| pojcie energii potencjalnej jest pojcie energii swobodnej ciaBa, której ubytek okre[la maksymaln prac jak mógBby wykona ukBad w odwracalnym procesie izo- termicznym. W przybli|eniu mo|na je oczywi[cie uto|samia z energi potencjaln. Z termodynamiki wynika, |e w stanie równowagi staBej ukBad zachowuje si tak, |e posiada mini- maln warto[ energii swobodnej. Dlatego ka|da ciecz w stanie równowagi zachowuje si tak, aby mie najmniejsze pole powierzchni. Zwiadczy to o tym, |e warstwa powierzchniowa jest podobna do rozcignitej bBonki spr|ystej. DziaBaj w niej siBy molekularne le|ce w pBaszczyznie po- wierzchni cieczy i skierowane na wszystkie jej strony - s to siBy napicia powierzchniowego. Zilustrujemy to zjawisko do[wiadczeniem (rys.9.2.). A B A B a b a b dx F l C D C D a) b) Rys. 9.2.a. Równowa|ce si siBy napicia Rys. 9.2.b Mechanizm rozcigania powierzchniowego, bBony powierzchniowej. Pozioma prostoktna druciana ramka ABCD i ruchoma poprzeczka a b dzielca j na dwie cz[ci zacignite s caBkowicie bBonk wody mydlanej (rys.9.2a). SiBy dziaBajce na ramk po obu jej stronach równowa| si i poprzeczka pozostaje nieruchoma. Natomiast po rozerwaniu jednej z bBo- nek (rys.9.2b) zaczyna przesuwa si w kierunku pozostawionej bBonki. W celu zrównowa|enia dziaBania bBonki do poprzeczki nale|y przyBo|y siB F. Do[wiadczalnie stwierdzono, |e jest ona proporcjonalna do dBugo[ci l poprzeczki F = 2 ´ l (9.1) WspóBczynnik proporcjonalno[ci ´ nazywamy wspóBczynnikiem napicia powierzchniowego cie- czy. We wzorze pojawia si czynnik 2, gdy| bBonka mydlana ma dwie ograniczajce j warstwy powierzchniowe, z których ka|da dziaBa na poprzeczk a siB ´ l. Ze wzoru (9.1) wynika, |e warto[ liczbowa wspóBczynnika napicia powierzchniowego równa si sile dziaBajcej na jednostk dBugo[ci obwodu ograniczajcego powierzchni cieczy. SiBa ta jest spowodowana wzajemnym przyciganiem midzy czsteczkami warstwy powierzchniowej i jest skierowana wzdBu| stycznej do powierzchni oraz prostopadle do obwodu. W ukBadzie SI jednostk napicia powierzchniowego jest wic N/m. WspóBczynnik napicia powierzchniowego zale|y od skBadu chemicznego cieczy i od temperatury. Znajdzmy wyra|enie swobodn energi warstwy powierzchniowej cieczy równej pracy wykonanej nad ukBadem przez siBy zewntrzne w odwracalnym procesie izotermicznym. Przy przesuniciu granicy bBonki a b na odlegBo[ dx (rys.9.2b) siBa zewntrzna F wykonuje prac dL: dL = F dx = 2 ´ l dx (9.2) Iloczyn 2 l dx oznacza powikszenie pola powierzchni cieczy dS. (dS = 2 l dx), a wic dL = ´ dS. (9.3) CaBkowita praca wykonana przez siBy zewntrzne przy zmianie pola powierzchni bBonki od S1 do S2 bdzie wynosiBa S2 L = Å" dS = ´(S2 - S1) = ´ Å" "S (9.4) +"´ S1 Zmiana swobodnej energii warstwy powierzchniowej cieczy równa si wic iloczynowi wspóB- czynnika ´ i zmiany pola powierzchni "S . Wobec tego warto[ liczbowa wspóBczynnika napicia powierzchniowego równa si równie| swobodnej energii warstwy powierzchniowej, której pole jest równe jedno[ci, a jego jednostka w ukBadzie SI jest J/m2. Reasumujc mo|emy powiedzie, |e napicie powierzchniowe ma podwójne znaczenie: siBowe i energetyczne. Warto zauwa|y, |e analogie midzy zachowaniem bBonki powierzchniowej cieczy i bBonki spr|ystej s przybli|one. Napicie bBonki spr|ystej jest wprost proporcjonalne do jej od- ksztaBcenia (rozcignicia) i jest równe zeru dla pewnego skoDczonego pola powierzchni bBonki. Natomiast napicie powierzchniowe w cieczach nie zale|y od rozmiarów powierzchni swobodnej - usiBuje ono zmniejszy jej wielko[ do zera. Dzieje si tak, gdy| siBy oddziaBywania midzycz- steczkowego nie ulegaj zmianie. Wyznaczanie napicia powierzchniowego cieczy przeprowadzane jest trzema metodami: 1) przez rozrywanie bBonki powierzchniowej wskutek jej rozcignicia; 2) przez pomiar wzniesienia wBoskowatego w rurkach wBoskowatych (kapilarach); 3) na podstawie wypBywu kroplowego. W naszym wiczeniu korzystamy z drugiej metody. 9.1.2. Zwil|anie i zjawisko wBoskowato[ci Do[wiadczenie pokazuje, |e swobodna powierzchnia cieczy przy [ciankach naczynia na ogóB jest zakrzywiona i ma ksztaBt przedstawiony na rys.9.3. Zakrzywiona swobodna powierzchnia cieczy nazywa si meniskiem. W celu jego scharakteryzowania wprowadza si pojcie kta granicznego ¸ midzy zwil|on powierzchni [cianki i meniskiem w punktach ich przecicia si. Je|eli ¸ < 900 (rys.9.3a) mówimy, |e ciecz zwil|a [ciank, je|eli ¸ > 900 (rys.9.3b) mówimy, |e ciecz nie zwil|a [cianki. Wystpowanie menisku jest spowodowane tym, |e czsteczki cieczy znajdujce si w pobli|u [cianki ciaBa staBego oddziaBuj z jego czsteczkami. Rozpatrzmy czsteczk A warstwy powierzchniowej cieczy znajdujc si w pobli|u [cianki na- czynia (rys.9.3). Zakres jej czsteczkowego dziaBania jest zaznaczony na rysunku konturem K. DziaBaj na nie dwie siBy: r 1. F1, która jest wypadkow siB przycigania czsteczki A przez wszystkie pozostaBe cz- steczki cieczy. Jej kierunek zale|y od ksztaBtu menisku i poBo|enia czsteczki A wzgldem [cianki. r 2. F2 z jak jest przycigana przez czsteczki [cianki. Ze wzgldu na symetri siBa ta jest pro- stopadle skierowana do [cianki naczynia. r r Ci|ar czsteczki w porównaniu z siBami F1 i F2 jest tak maBy, |e mo|na go pomin. SiB wypad- r kowa F (gdy czsteczka A znajduje si w równowadze), jest skierowana prostopadle do po- r wierzchni cieczy. Gdyby siBa F nie byBa prostopadBa do powierzchni cieczy, wówczas czsteczka bdzie si przesuwa wzdBu| powierzchni. K F2 A K ¸ F2 A F F1 F F1 ¸ a) b) Rys.9.3. RozkBad siB dziaBajcych na czsteczk cieczy znajdujc si na powierzchni meni- sku wklsBego (a) i wypukBego (b). Mog zaistnie trzy nastpujce przypadki: r 1. SiBa F jest równolegBa do powierzchni [cianki, wówczas powierzchnia cieczy jest pBaska i ¸ = 900. r 2. SiBa F jest skierowana w stron [cianki, tzn. |e siBy przycigania czsteczki A przez cz- steczki [cianki przewa|aj nad siBami przycigania jej przez czsteczki cieczy. Wtedy ciecz ma menisk wklsBy i ¸ < 900, tzn., |e ciecz zwil|a [ciank (rys.9.3a). r 3. SiBa F jest skierowana w stron cieczy, tzn., |e siBy przycigania czsteczki A przez cz- steczki cieczy przewa|aj nad siBami przycigania jej przez czsteczki [cianki. Wtedy ciecz ma menisk wypukBy i ¸ > 900, tzn., |e ciecz nie zwil|a [cianki (rys.9.3b). Dziki dziaBaniu siB napicia powierzchniowego zakrzywiona warstwa powierzchniowa wywiera na ciecz pewne ci[nienie Pk , dodajce si do zewntrznego ci[nienia Patm. Analogicznie dziaBa rozci- gnita spr|ysta powBoka na zamknity wewntrz niej gaz. Gdy menisk jest wypukBy, ci[nienie to jest skierowane ku doBowi (wówczas Pk > 0) i dlatego po- ziom cieczy w kapilarze bdzie wtedy ni|szy ni| w naczyniu (rys.9.4a). Natomiast gdy menisk jest wklsBy, dodatkowe ci[nienie Pk jest skierowane ku górze (wówczas Pk < 0) i dlatego poziom cie- czy w kapilarze bdzie wtedy wy|szy ni| w naczyniu (rys.9.4b). Pierre Laplace wprowadziB nastpujc zale|no[ midzy ci[nieniem Pk a geometri powierzchni cieczy îø ùø 1 1 Pk = ´ + (9.5) ïø R1 R2 úø ðø ûø gdzie: R1 i R2 oznaczaj promienie krzywizn dwóch dowolnych, ale wzajemnie prostopadBych przekrojów normalnych w danym punkcie cieczy. SzkBo h>0 h<0 Rt Woda a) b) Rys.9.4. Zjawisko wBoskowato[ci: a) gdy ciecz nie zwil|a [cianek naczynia, b) gdy ciecz zwil|a [cianki naczynia. Przekrojem normalnym powierzchni w danym punkcie nazywamy krzyw otrzyman w przeciciu powierzchni pBaszczyzn przechodzc przez normaln (prostopadB) do powierzchni w tym punk- cie. R1 lub R2 przyjmuje si za dodatnie, gdy [rodek krzywizny przekroju le|y wewntrz cieczy. Rozwa|my kilka przypadków szczególnych: 1. Dla powierzchni pBaskiej R1 = R2 = " i wtedy Pk = 0. 2. Dla powierzchni cylindrycznej (np. dla cieczy midzy dwoma równolegBymi pionowymi szy- bami poBo|onymi bardzo blisko siebie) R1 =R. a R2 = " i wtedy ´ Pk = (9.6) R 3. Dla powierzchni kulistej R1 = R2 = R 2´ Pk = (9.7) R Takie jest ci[nienie wewntrz pcherzyka gazu o promieniu R, znajdujcego si wewntrz cieczy w pobli|u jej powierzchni. 4. Dla kapilary o maBym promieniu r powierzchnia cieczy jest kulista, przy czym jej promieD r R = (9.8) cos¸ Dla cieczy z meniskiem wklsBym ci[nienie Pk jest równowa|one ci[nieniem hydrostatycznym sBu- pa cieczy w kapilarze Pk = Á g h (9.9) gdzie: Á - gsto[ cieczy; h - wysoko[ sBupa cieczy w kapilarze mierzona od poziomu cieczy w naczyniu; g - przy[pieszenie ziemskie. Zestawiajc wzory (9.7), (9.8) i (9.9) otrzymujemy mo|liwo[ wyznaczenia wspóBczynnika napi- cia powierzchniowego cieczy badajc efekt kapilarny r h Á g ´ = (9.10) 2 cos¸ W przypadku czystych rurek szklanych zetknicie wielu cieczy z jej [ciankami cechuje tzw. zwil- |anie doskonaBe o kcie granicznym bardzo bliskim zeru ( ¸ = 0 ). W wiczeniu mamy wBa[nie tak sytuacj. 9.2. Opis ukBadu pomiarowego W skBad ukBadu pomiarowego wchodz trzy naczynia napeBnione badanymi cieczami. Do ka|dego z nich wstawiona jest pionowa kapilara. Naczynie z badan ciecz ustawia si na stoliczku z regulo- wan wysoko[ci. Do zmierzenia wysoko[ci sBupa cieczy sBu|y katetometr, tzn. przyrzd do wy- znaczania pionowych odlegBo[ci midzy punktami. SkBada si on z kilku podstawowych elemen- tów: - masywnego prta umocowanego na trójno|nej podstawie ze [rub regulujc pionowe ustawie- nie katetometru; na prcie naniesiona jest skala milimetrowa; - lunetki, w polu widzenia której znajduj si dwie skrzy|owane nici ( przy pomiarach punkt przecicia nici nale|y nastawi na wybrane poziomy - dolny menisk cieczy w kapilarze i na dolny menisk cieczy w naczyniu). Lunetka przymocowana jest do cylindra obejmujcego prt katetometru. Cylinder ten wraz z lunet- k mo|na z Batwo[ci przesuwa wzdBu| prta i zamocowa za pomoc odpowiedniej [ruby w wy- branym miejscu. W cylindrze zrobione jest prostoktne wycicie dla odczytu na skali milimetrowej poBo|enia lunetki. PoBo|enie to mo|e by okre[lone z dokBadno[ci do 0,05 milimetra, dziki skali noniusza umieszczonej wzdBu| wycicia. 9.3. Przebieg pomiarów 1. Zapozna si z budow katetometru. 2. Ustawi stoliczek w odlegBo[ci okoBo 2 m . Umie[ci na mim naczynie z badan ciecz. Dobra odpowiedni wysoko[ pozwalajc na swobodne dokonywanie odczytów poziomów cieczy na skali katetometru. 3. Zmierzy wysoko[ sBupa cieczy h w kapilarze. Wykona co najmniej 5 pomiarów. 4. Wykona pomiary wedBug punktów 2 i 3 dla dwóch pozostaBych cieczy. 5. Odczyta jaka jest temperatura w pomieszczeniu. 6. Zanotowa warto[ promienia kapilary r podan w instrukcji zaBczonej do ukBadu pomiarowe- go. 9.4. Opracowanie wyników pomiarów 1. Wyznaczy warto[ [redniej arytmetycznej h[r z wykonanych pomiarów. 2. Obliczy wspóBczynnik napicia powierzchniowego korzystajc ze wzoru (9.10), podstawiajc obliczon hSr. Warto[ci Á, g, przyj z tablic. ZakBadamy, |e kt graniczny ¸ = 0. 3. Przeprowadzi dyskusj bBdu, biorc pod uwag, |e jedynie wielko[ h[r jest obarczona bBdem i jest on przypadkowy. 4. Obliczy dla wspóBczynnika napicia powierzchniowego odchylenie standardowe oraz dla poda- nego przez prowadzcego zajcia poziomu ufno[ci p obliczy przedziaB ufno[ci. 5. Obliczenia wedBug punktów 1-4 wykona dla dwóch pozostaBych cieczy. L i t e r a t u r a ; [1] Bartnicki S, .Borys. W, , KostrzyDski T.: Fizyka ogólna  wiczenia laboratoryjna, skrypt WAT [2] DryDski T.: wiczenia laboratoryjne z fizyki. PWN, Warszawa, 1976 [3] Massalski J., Massalska M.: Fizyka dla in|ynierów, cz.I. WNT, Warszawa 1980.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Projekt wyznacenie przyśpieszenia ziemskiego za pomocą układu wahadla matematycznego
24 Wyznaczanie długości?li światła za pomocą siatki dyfrakcyjnej i spektrometru
75 Wyznaczanie współczynnika załamania za pomocą refraktometru
sprawozdanie wyznaczanie ogniskowej soczewki za pomoca lawy optycznej
fiz31u Wyznaczanie współczynnika załamania za pomocą refraktometru
II01 Wyznaczanie gestosci cial za pomoca areometru Nicholsona
2 Wyznaczanie gęstości ciała stałego i cieczy za pomocą piknometru
24 Wyznaczanie długości fali światła za pomocą siatki dyfrakcyjnej i spektrometru
28 Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą siatki dyfrakcyjnej
Wyznaczanie wspolczynnika zalamania swiatla za pomoca refraktrometru?bego
Wykonywanie przedmiotów za pomocą obróbki ręcznej skrawaniem(1)
Dane biometryczne – klucz do włamania i przeprogramowania osoby za pomocą czarnej magii

więcej podobnych podstron