POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

Instytut Fizyki

Ćwiczenie nr 9

TEMAT: Pomiar napięcia powierzchniowego metodą odrywania.

Borkiewicz Wojciech

Daniluk Łukasz

Wydz. Budowy Maszyn

Informatyka, rok II, gr.1

I. Wstęp teoretyczny

1. Założenia teorii kinetyczno - molekularnej.

• Ciała mają budowę nieciągłą, składają się z drobnych elementów w postaci atomów lub cząsteczek.

• Wymienione elementy budowy ciał są w ciągłym ruchu, wartości liczbowe i kierunki prędkości poszczególnych elementów są różne.

• Pomiędzy poszczególnymi elementami budowy ciał występują siły wzajemnego oddziaływania (siły te zależą od odległości między cząsteczkami i maleją ze wzrostem tych odległości)

2. Napięcie powierzchniowe.

Siły jednostronnego oddziaływania między cząsteczkowego na powierzchni cieczy powodują zjawisko napięcia powierzchniowego. Warstwa na powierzchni cieczy zachowuje się tak, jak napięta błona. Siła napięcia powierzchniowego cieczy jest proporcjonalna do długości krawędzi powierzchni:

F=χl

Współczynnik proporcjonalności χ nosi nazwę napięcia powierzchniowego. Jest on zależny od rodzaju cieczy i maleje wraz ze wzrostem temperatury. W temperaturze krytycznej przyjmuje wartość równą zeru.

Napięcie powierzchniowe jest przyczyną szeregu zjawisk:

• Ukształtowania kulistego kropli wypływającej przez niewielki otwór,

• Powstawania menisku,

• Zjawiska włoskowatości,

• Tworzenia się baniek mydlanych

• Powstawania piany

3. Metody pomiaru napięcia powierzchniowego.

Napięcie powierzchniowe można mierzyć na powierzchni zetknięcia się cieczy z gazem lub na powierzchni styku dwu różnych cieczy.

Metody pomiaru dzielimy na: statyczne i dynamiczne, przy czym pierwsze polegają na pomiarze kształtu powierzchni swobodnej w stanie równowagi sił molekularnych z siłami zewnętrznymi, a drugie na obserwacji tworzenia się warstewki powierzchniowej.

Następujące metody statyczne pomiaru napięcia powierzchniowego znalazły szersze zastosowanie:

• Metoda pomiaru krzywizny powierzchni cieczy

• Metoda pomiaru wysokości kropli

• Metoda rurek włoskowatych

• Metoda pomiaru ciężaru odrywającej się kropli

• Metoda tensometryczna.

4. Zasada działania wagi torsyjnej.

W wadze torsyjnej stosuje się elementy, które podczas ważenia odkształcają się. Wielkość tego odkształcenia jest proporcjonalna do siły odkształcającej, czyli do ciężaru ważonego ciała.

Rys. 4.1

W wagach torsyjnych (rys. 4.1) elementem odkształcającym się jest naciągnięta struna lub sprężyna spiralna S. Szalka o ciężarze G zawieszona jest na końcu pręta P, który jest przytwierdzony do osi O. Oś jest podtrzymywana przez łożyska Ł1 i Ł2. Po obciążeniu szalki oś obróci się o kąt ϕ. Moment siły, spowodowany obciążeniem szalki, jest kompensowany sprężyną S. Na skutek obrotu osi zmienia się długość ramienia szalki. W celu przywrócenia pierwotnego położenia szalki, obracamy bęben B do takiego położenia, któremu odpowiada pierwotne położenie szalki. Kąt o który obróciliśmy bęben, jest proporcjonalny do ciężaru ciała ważonego, a tym samym do jego masy. Na bębnie B znajduje się podziałka, na której można przeczytać masę ciała ważonego w mg. Zazwyczaj dopuszczalne obciążenie nie przekracza 1 g.

Rys 4.2 Schemat aparatury do wyznaczania napięcia powierzchniowego metodą rozrywania warstwy powierzchniowej.

W doświadczeniu mierzymy siłę potrzebną do rozerwania warstwy powierzchniowej między ramką R a powierzchnią cieczy w naczyniu N (rys. 4.2). Oczywiście ciecz musi zwilżać ramkę R. Siłę tę mierzymy wagą torsyjną (na rys. 4.2 pokazano tylko jej ramię W). Ramka jest wykonana ze sztywnego drutu o średnicy 2r<1mm. Długość boku b jest określona bardzo dokładnie. Statyw ma ramię P, zakończone płaskim stolikiem S, na którym stawiamy naczynie N z badaną cieczą. Statyw zaopatrzony jest w przesuw mechaniczny M., pozwalający na płynne przesuwanie ramienia w kierunku pionowym oraz podziałkę pozwalającą na odczytanie ramienia P.

II. Tabela pomiarowa

Rodzaj cieczy	F1		F2		ΔF	ΔF	L	Napięcie powierzchniowe
	[mG]	[N]	[mG]	[N]	[mG]	[N]	[m]	[N/m.]
Woda destylowana	181 182 183 183 182	0,00181 0,00182 0,00183 0,00183 0,00182	379 377 377 376 374	0,00379 0,00377 0,00377 0,00376 0,00374	198 195 194 193 192	0,00198 0,00195 0,00194 0,00193 0,00192	0,03 0,03 0,03 0,03 0,03	0,033 0,0325 0,0323 0,0321 0,032
Denaturat	176 175 176 176 176	0,00176 0,00175 0,00176 0,00176 0,00176	309 312 311 312 311	0,00309 0,00312 0,00311 0,00312 0,00311	133 137 135 136 135	0,00133 0,00137 0,00135 0,00136 0,00135	0,03 0,03 0,03 0,03 0,03	0,0221 0,0228 0,0225 0,0226 0,225
Gliceryna	177 175 179 177 177	0,00177 0,00175 0,00179 0,00177 0,00177	361 360 361 360 363	0,00361 0,00360 0,00361 0,00360 0,00363	184 185 182 183 186	0,00184 0,00185 0,00182 0,00183 0,00186	0,03 0,03 0,03 0,03 0,03	0,0306 0,0308 0,0303 0,0305 0,031

III. Opracowanie wyników

Średnie napięcie powierzchniowe:

F_śrW=0,00194

F_śrD=0,00135

F_śrG=0,00184

Wartości napięcia powierzchniowego cieczy wykorzystanych w ćwiczeniu wynoszą:

α_W=0,032

α_D=0,025

α_G=0,0306

Błędy pomiarów:

Długości

Siły

Niepewności współczynnika α

Bezwzględna niepewność pomiaru

Względna niepewność pomiaru

IV. Wnioski

Ćwiczenie to polegało na wyznaczeniu napięć powierzchniowych metodą odrywania dla różnych cieczy i porównaniu wyników z wartościami tablicowymi oraz wyznaczeniu błędów pomiarowych.

Badana ciecz	Wyniki teoretyczne	Wyniki uzyskane
Woda destylowana	73*10^-3	32*10^-3
Denaturat	43*10^-3	25*10^-3
Gliceryna	64*10^-3	30,6*10^-3

Uzyskane wyniki różnią się dość znacznie od wartości teoretycznych odczytanych z tablic. Różnice te są spowodowane:

1. Błędem odczytu (paralaksy)

2. Właściwościami cieczy odbiegającymi od idealnych

3. Zanieczyszczeniami badanych cieczy

4. Błędem przyrządu pomiarowego

5. Nieidealnymi warunkami zewnętrznymi (jak temperatura, ciśnienie)

1

4

---