To dokument dla subskrybentów wersji Premium. Zostań subskrybentem wersji Premium, aby przeczytać cały dokument.
Więcej od:Fizyka laboratorium(M06-47ad)
- 4
Podstawowe Pomiaru Elektryczne - Sprawozdanie Ćwiczenia 100bFizyka laboratorium - 5
Ćwiczenie 44A: Zależność metali i półprzewodników od T - Rudno-RudzinskiFizyka laboratorium - 6
Wyznaczanie długości fali świetlnej - Sprawozdanie 84 - FizykaFizyka laboratorium - 13
Laboratorium 57c: Badanie Efektu Halla w FizyceFizyka laboratorium
Polecane dla Ciebie
Przejrzyj tekst
MŻ
Ćwiczenie nr 33
Pomiar napięcia powierzchniowego metodami: pęcherzykową i
odrywania.
Politechnika Wrocławska
16 listopada 2007
Streszczenie Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z prostymi metodami pomiaru napiecia powierzch- niowego cieczy i oceną dokładności tego pomiaru.
1. Wstęp teoretyczny
Między cząsteczkami gazów i cieczy wy- stępują siły wzajemnego oddziaływania ma- jące naturę elektromagnetyczną – siły Van der Waalsa (Rys. 1). To oddziaływanie można zapisać ogólnie jako siłę:
F = −
A
rm
+
B
rn
składająca się z siły przyciągającej F 1 = −A/rm oraz siły odpychającej F 2 = B/rn, gdzie r jest odległością między dwoma czą- steczkami, A, B są pewnymi stałymi, a m < n (przeważnie m = 7, a n = 13). Siły te działają wokół każdej cząsteczki w obszarze zwanym sferą oddziaływania czą- steczkowego (r ≈ 1 nm).
Rysunek 1. Oddziaływanie Van der Waalsa.
Na cząsteczkę znajdującą się wewnątrz cieczy działają siły przyciągania pochodzące
od otaczających je cząsteczek. Ze względu na symetrię sferyczną, wypadkowa tych sił równa się zero. Natomiast na powierzchni cieczy wypadkowa siła działająca na czą- steczki skierowana jest w głąb cieczy (rys. 2). Na skutek tego powierzchnia cieczy kurczy się 1.
Rysunek 2. Siły działające na cząsteczki znaj- dujące się na powierzchni i wewnątrz cieczy.
Napięciem powierzchniowym σ nazywa- my siłę F styczną do powierzchni cieczy, działającą na jednostkę długości l obrzeża powierzchni cieczy 2 :
σ =
F
∆l
Jednostką napięcia powierzchniowego w ukła- dzie SI jest 1 J/m 2 lub 1 N/m.
1 Dlatego, gdy na ciecz nie działają siły we- wnętrzne przyjmuje ona kształt kuli czyli kształt, dla którego stosunek powierzchni do objętości jest najmniejszy. 2 Napięcie powierzchniowe definiujemy rów- nież jako pracę W potrzebną do izotermicznego zwiększenia powierzchni S o jednostkę: σ = W/∆S.
- Układ pomiarowy 2
Na granicy cieczy, gazu i ciała stałego obserwuje się zakrzywienie pwierzchni cie- czy, zwane meniskiem. Powstaje w wyniku rozkładu sił działających na cząsteczki cie- czy znajdujące sie w pobliżu granic trzech faz: cieczy, gazu i ciała stałego.
Rysunek 3. Rozkład się działających na czą- steczkę cieczy znajdującej sie na powierzchni cieczy w pobliżu ścianki naczynia.
Na cząsteczkę znajdującą się na powierzch- ni cieczy i w pobliżu ścianek naczynia (cia- ło stałe) działają siły pochodzące od in- nych cząsteczek cieczy, ciała stałego i gazu (rys. 3). Jeżeli napięcie powierzchniowe na powierzchni granicznej gaz - ciało stałe jest większe od napięcia na powierzchni granicz- nej ciecz - ciało stałe, to kąt γ pomiędzy ścianką naczynia, a powierzchnią cieczy na styku z ciałem stałym jest mniejszy od π/2, wtedy menisk jest wklęsły i zachodzi zwil- żanie ścianek naczynia (rys. 4a). W prze- ciwnym przypadku menisk jest wypukły i ścianki naczynia nie sa zwilżane (rys. 4b).
Rysunek 4. Menisk cieczy: a – zwilżającej, b – niezwilżającej ścianki naczynia.
Dzięki istnieniu napięcia powierzchnio- wego pod zakrzywioną powierzchnią cieczy działa dodatkowe ciśnienie:
∆p = σ( 1 R 1
+
1
R 2
)
gdzie R 1 , R 2 to promienie krzywizny pro- stopadłych względem siebie przekrojów nor- malnych 3. Dla menisku wklęsłego ∆p < 0, dla wypukłego ∆p > 0. W pęcherzyku gazu o promieniu R = R 1 = R 2 , znajdującym się tuż pod powierzchnią cieczy:
∆p = 2
σ R
Rysunek 5. Waga torsyjna.
2. Układ pomiarowy
- Metoda odrywania Aby znaleźć napięcie powierzchniowe da- nej cieczy korzystamy z wagi torsyjnej (rys. 5). Siła ciężkości ważonego ciała wytwarza pier- wotny moment skręcający, który działa na jeden koniec pręta. Przez pokrecenie pokrę- tłem z bębnem skali, które działa na drugi koniec pręta, można wytworzyć moment kom- pensacyjny przeciwnie skierowany niż pier- wotny moment siły. Jeżeli moment kompen- sacyjny będzie równy co do wartości pier- wotnemu momentowi siły, to środkowa część pręta, do której przymocowana jest ruchoma wskazówka, nie ulegnie skręceniu (wskazuje zero). Wtedy siła kompensacyjna, pocho- dzaca od momentu sprężystości pręta 4 , bę- 3 Dodatnie, gdy środki krzywizn znajdują się po stronie cieczy. 4 Różna dla różnych kątów skręcenia i wypi- sana na bębnie.
Literatura 4
Z tab. 1 widać wyraźnie, że dodanie de- tergentu do wody znacznie obniża jej napię- cie powierzchniowe. Ma to duże znaczenie w życiu codziennym - dzięki zmiejszonemu napięciu powierzchniowemu tłuszcze łatwiej rozpuszczają się w wodzie.
Literatura
[1] praca zbiorowa pod red. R. Popraw- skiego Ćwiczeia laboratoryjne z fizyki, Ofi- cyna Wydawnicza Politechniki Wroclaw- skiej, Wrocław 1999 [2] praca zbiorowa pod red. W. Mizerskiego Tablice fizyczno-astronomiczne, wyd. Ada- mantan, Warszawa 2002
