Pomiar czynnika napiecia powierzchniowego metoda rurek wloskowatych.doc

13.10.2009r.

Pomiar współczynnika napięcia powierzchniowego metodą rurek włoskowatych.

Spoiwem wiążącym ze sobą cząsteczki, z których zbudowana jest materia są siły międzycząsteczkowe. Mają one naturę elektromagnetyczną, a ich podstawową cechą jest to, że ich oddziaływanie jest znaczące tylko na bardzo niewielkich odległościach, porównywalnych z wymiarami cząsteczek (to jest rzędu 10-10 m ). Siły oddziaływania międzycząsteczkowego występują w dwóch postaciach : jako siły przyciągania Fp i siły odpychania Fo.
Oddziaływania te prowadzą do szeregu tzw. zjawisk cząsteczkowych, z których najbardziej znane to zjawiska dyfuzji, osmozy, włoskowatości, napięcia powierzchniowego.
W opisywanym doświadczeniu decydującą rolę odgrywają napięcie powierzchniowe i włoskowatość. Zjawisko napięcia powierzchniowego przejawia się w istnieniu na powierzchni cieczy cienkiej błonki, która posiada, w zakresie działania niewielkich sił, własność sprężystości postaci (charakterystyczna dla ciał stałych).
Istotą występowania tego zjawiska jest to, że na cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy działają siły pochodzące od otaczających je wokół innych cząsteczek. Ze względu na symetrię, oddziaływania te wzajemnie równoważą się. Tej symetrii nie doznają natomiast cząsteczki znajdujące się w warstwie powierzchniowej, gdyż od góry stykają się one co najwyżej z cząsteczkami powietrza, których jest względnie mało i z którymi oddziaływanie jest dużo słabsze. Tak więc wypadkowa siła działającą na takie cząsteczki jest różna od zera i skierowana jest do wnętrza cieczy.
Do określenia wielkości napięcia powierzchniowego służy współczynnik napięcia powierzchniowego.
Do zilustrowania tego pojęcia można posłużyć się prostokątną ramką z drutu, na której rozpięta jest cienka błonka (np mydlana). Aby ruchomy bok tej ramki o długości l nie przesuwał się pod wpływem kurczenia się błonki, musimy na nią podziałać pewną siłą Fn .
Wielkość

  ɣ=  Fl=WS

[ɣ]=Nm

Odrębnego omówienia wymaga oddziaływanie cząsteczek cieczy z cząsteczkami ścianek naczynia, w którym ciecz się znajduje. Tutaj mogą zaistnieć dwie różne sytuacje, w zależności od tego, czy większe są siły przyciągania między cząsteczkami cieczy i cząsteczkami naczynia niż wzajemne przyciąganie cząsteczek cieczy (zjawisko zwilżania), czy tez odwrotnie (ciecz nie zwilża ścianek naczynia). W pierwszym przypadku nastąpi zagięcie powierzchni cieczy w pobliżu ścianek naczynia ku górze, czyli powstanie menisk wklęsły. Gdy siły spójności są większe od sił przylegania, wypadkowa tych sił skierowana jest do wnętrza cieczy. Powoduje to zagięcie powierzchni ku dołowi i tworzy się menisk wypukły. Ze zjawiskiem napięcia powierzchniowego wiąże się ściśle zjawisko włoskowatości. Efekt ten jest widoczny wyraźnie w bardzo cienkich rurkach (tzw rurkach włoskowatych) zanurzonych jednym końcem w cieczy. Wypadkowa tych sił, skierowana jest ku górze i powoduje, iż poziom cieczy w rurce podniesie się w stosunku do poziomu cieczy w naczyniu. Jeżeli rurkę zanurzymy w cieczy, w której powstaje menisk wypukły (na przykład rurkę szklaną w rtęci), wypadkowa sił napięcia powierzchniowego skierowana będzie do dołu, więc poziom cieczy w rurce obniży się.
Łatwo wyliczyć średnicę rurki znając wysokość na jaką wzniesie się słupek cieczy w rurce. Wystarczy zauważyć, że siły napięcia powierzchniowego muszą zrównoważyć ciężar słupka cieczy o wysokości "h".
 

Ciężar słupka cieczy wynosi

gdzie:
m- masa cieczy
S- pole powierzchni przekroju rurki
h- wysokość słupka
d- średnica rurki
- gęstość cieczy

Natomiast siła napięcia powierzchniowego

Porównując te wzory

Otrzymujemy wzór na średnicę rurki

A znając już średnice rurki, możemy dla innej cieczy wyznaczyć współczynnik napięcia powierzchniowego.

- oznaczają odpowiednio napięcie powierzchniowe, gęstość i wysokość słupka nieznanej cieczy

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynnika napięcia powierzchniowego cieczy badanej poprzez pomiar wysokości wzniesienia tej cieczy w rurkach włoskowatych. Etapem wstępnym tego pomiaru jest wyznaczenie średnic wewnętrznych tych rurek. Przeprowadza się to mierząc wysokości słupków wody destylowanej w tych rurkach i znajomość współczynnika napięcia powierzchniowego dla wody.