Wyznaczanie napięcia powierzchniowego metodą rurek włoskowatych

Wstęp teoretyczny

Napięciem powierzchniowym T nazywamy stosunek pracy ∆W potrzebnej do zwiększenia powierzchni swobodnej o ∆A, do wielkości ∆A.

Zgodnie z tą definicją:

T=
, a jednostką jest 1
=1

Napięcie powierzchniowe wyjaśnia wiele zjawisk w przyrodzie, takich jak np. powstanie piany, menisk, włoskowatość.

Molekuły cieczy znajdujące się tuż przy powierzchni swobodnej cieczy, w warstwie o grubości r, zachowują się inaczej niż molekuły w jej wnętrzu. Im bliżej swobodnej powierzchni cieczy będzie leżała wybrana molekuła, tym większa siła Fm będzie na nią działała. Siła ta jest równa wypadkowej sił przyciągania ze strony sąsiednich molekuł cieczy I otaczających wybraną molekułę oraz znacznie słabszych sił oddziaływania z cząsteczkami znajdującymi się nad cieczą, np. w powietrzu.

Kąt fi o wierzchołku w punkcie A między ścianką naczynia przylegającą do cieczy a styczną do powierzchni cieczy nazywa się kątem zwilżania. W zależności od wartości kąta zwilżania ciecz w pobliżu ścianek naczynia wznosi się lub opada.

Oznaczmy promień rurki przez Rw, zaś promień krzywizny wklęsłej powierzchni cieczy przez R- między Rw i R zachodzi związek: Rw =Rcosfi, gdzie fi jest kątem zwilżania.

Oznaczmy T - napięcie powierzchniowe cieczy a Tp - składową T równoległą do ścianki naczynia, w którym ciecz się znajduje. Zależność:

Tp =Tcosfi=T

Pomiaru napięcia powierzchniowego T za pomocą rurek włoskowatych dokonuje się najczęściej dla cieczy zwilżającej naczynie. Jeśli zanurzymy rurkę włoskowatą takiej cieczy, to ciecz wpełznie do rurki i utworzy wklęsły swobodny menisk. Z równowagi ciśnień na tym samym poziomie, np. w punktach A i B, korzystając z prawa Pascala, otrzymujemy:

pa = pa + hγ -

pa - ciśnienie atmosferyczne

h - wysokość wzniesienia cieczy w rurce

γ = ρg - ciężar właściwy cieczy

T - napięcie powierzchniowe cieczy

Rw - promień wewnętrzny rurki

Stąd otrzymujemy zależność:

T=
=
,

która pozwala wyznaczyć napięcie powierzchniowe T.

---