Sprawozdanie C-2 - Pomiar NAPIĘCIA Powierzchniowego Cieczy MetodĄ Odrywania PDF

Preview

Summary

Sprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych "Fizyka C2". WZ PCz....

Description

INSTYTUT FIZYKI WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ, MATERIAŁOWEJ I FIZYKI STOSOWANEJ POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

PRACOWNIA FIZYKI CZĄSTECZKOWEJ I CIEPŁA

Ć W I C Z E N I E N R C-2

POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO CIECZY METODĄ ODRYWANIA

1. Wstęp teoretyczny Wyznaczanie napięcia powierzchniowego cieczy. Cząsteczki cieczy nie zajmują określonych, niezmiennych w przestrzeni położeń, jak to ma miejsce w ciele stałym, lecz mogą przesuwać się względem siebie. Mimo to oddziaływają one na siebie pewnymi siłami, zwanymi siłami międzycząsteczkowymi. Zasięg działania tych sił jest bardzo mały, rzędu 5*10 -6 cm, czyli około 50 średnic cząsteczki. Jednym ze zjawisk, które się tłumaczy występowaniem sił oddziaływań międzycząsteczkowych, jest napięcie powierzchniowe cieczy. Jak to wyjaśnia rysunek 1, siły przyciągania między cząsteczkami we wnętrzu cieczy znoszą się wzajemnie. Cząsteczki na powierzchni cieczy i tuż pod nią (w warstwie o grubości równej zasięgowi działania sił międzycząsteczkowych) poddane są działaniu nie zrównoważonej siły wypadkowej, prostopadłej do powierzchni cieczy i skierowanej do jej wnętrza.

Rys. 1. Schemat sił działających na cząsteczkę w cieczy.

Rys. 2. Schemat sił działających na kontur liniowy.

Wskutek tego powierzchniowa warstwa cieczy znajduje się w osobliwym stanie, podobnym do stanu napiętej błony gumowej rozpostartej na powierzchni. Jakkolwiek cząsteczki podlegające temu stanowi stale się wymieniają z innymi cząsteczkami z wnętrza cieczy, jest tu zachowana równowaga dynamiczna. Błona taka przejawia tendencję do zajmowania jak najmniejszej powierzchni i posiada pewien zasób energii potencjalnej Ep. Wartość tej energii przypadająca na 1 cm2 powierzchni nazywamy energią właściwą napięcia powierzchniowego. Jeśli oznaczymy ją przez ɛ, to Ep= ɛS. ɛ wyrażamy w erg/cm2. Tendencję błony powierzchniowej do kurczenia się można wytłumaczyć istnieniem sił stycznych do powierzchni błony i działających we wszystkich kierunkach. Jeśli na powierzchni cieczy (rys.2.) poprowadzimy jakąkolwiek linię MN, to po obu jej stronach działają w płaszczyźnie błonki równoważące się siły napięcia powierzchniowego. Niechaj na każdy cm długości linii MN działają po obu stronach siły α dyn/cm. Całkowita siła napięcia powierzchniowego po jednej stronie linii MN jest F = αl, gdzie l oznacza długość linii MN.

Zarówno współczynnik ɛ jak i γ charakteryzują napięcie powierzchniowe cieczy. Aby znaleźć związek między nimi, rozpatrzmy pewien przykład. Na prostokątnej ramce, której jeden bok może być przesuwany rozpięta jest warstewka cieczy. Grubość jej dla prostoty rozumowania zakładamy równą grubości 2 błonek powierzchniowych, górnej i dolnej. Do ruchomego boku o długości l przytwierdzona jest nić poddana działaniu siły F, przeciwdziałającej kurczeniu się obu błonek powierzchniowych. Gdy ruchomy bok ramki zostanie przesunięty na odcinku α, wówczas praca sił zewnętrznych jest L= 2γlα. Do równania wchodzi współczynnik 2, bo rozciągane są dwie błonki powierzchniowe, górna i dolna. Wykonana praca znajduje swój ekwiwalent we wzroście energii potencjalnej błonki, zatem Ep=2γlα i zgodnie z równaniem Ep Ep 2 γ l α = = , ɛ= S 2 lα 2 lα stąd ɛ erg/cm2= γ dyn/cm. Wnioskujemy więc, iż przypadająca na 1 cm długości błonki siła napięcia powierzchniowego jest liczbowo równa pracy sił międzycząsteczkowych przy powiększaniu (względnie zmniejszaniu) powierzchni błonki o 1 cm 2. W praktyce przyjęte jest najczęściej określanie napięcia błonki powierzchniowej przez podawanie współczynnika γ i przyjmowanie go za miarę napięcia powierzchniowego cieczy. Należy zauważyć, że siła napięcia powierzchniowego jest niezależna od wielkości przesunięcia, inaczej niż np. w przypadku błony kauczukowej. Współczynnik γ przybiera różną wartość dla różnych cieczy. Ponieważ siły oddziaływania międzycząsteczkowego zależą w wysokim stopniu od temperatury, więc i współczynnik γ zmienia się przy zmianach temperatury; na ogół przy wzroście t maleje. Poza tym silny wpływ na wartość γ mają bardzo nawet nieznaczne zanieczyszczenia cieczy; obce cząsteczki zmniejszają siły wzajemnych oddziaływań, co znajduje swój wyraz w zmniejszaniu liczbowej wartości γ. Kolejność wykonywanych czynności:  Otworzyć osłonę z przodu wagi, zawiesić strzemiączko, ustawić naczynie z badaną cieczą i zanurzyć strzemiączko tuż pod powierzchnią swobodną cieczy.  Odblokować wagę (przekręcić o 180° śrubę oznaczoną czerwoną kropką).  Kręcić powoli lewą gałką do zrównoważenia ciężaru strzemiączka (wskazówka wagi podniesie się i zatrzyma), odczytać wartość siły Fʹ.  Kręcić dalej lewą gałką aż do momentu zerwania warstwy (gwałtowny podskok wskazówki wagi), odczytać wartość siły Fʺ.  Pomiary przeprowadzić dziesięciokrotnie dla każdej z badanych cieczy.  Wyniki pomiarów umieścić w tabeli.

2. Tabela

500,8

506

744,2

729,4

669

L [m]

F = F''śr - F'śr [mG]

251,5

228,6

163

σ ∆σ [N/m] [N/m]

9,81 *10-6 N

2467,21 5 *10-6 N

2242,56 6 *10-6 N

1599,03 *10-6 N

3 cm = 0,03m

3 cm = 0,03m

F 1 +F2 + F 3+F 4 +F 5 +F6 + F 7 + F 8+F 9 +F 10 10

woda destylowana: F 'śr=

−6

10

−6

3cm = 0,03m

3. Opracowanie uzyskanych wyników Fśr=

10

468 + 480+ 482 + 518 + 504 + 480 + 490 + 499 +504 + 502 =492,7 mG 10

10−6

10−6 4638,3642

790 766 750 758 738 742 700 732 726 740 748 738 728 728 730 724 722 730 722 724 668 670 664 664 664 674 666 674 674 672

F''śr [mG]

10−6 2586,42612

492,7

F'' [mG]

10−6 2358,56925

468 480 482 518 504 480 490 499 504 502 474 492 502 494 514 508 492 516 510 506 516 500 504 506 498 520 506 502 504 504

F'śr [mG]

41120,25

F' [mG]

37376,1

Nr pom . i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

26650,5

denaturat

gliceryna

destylowanawoda

Rodzaj cieczy

F ' 'śr=

790 + 766 + 750 + 758 + 738 + 742 + 700 + 732 + 726 + 740 =744,2 mG 10

gliceryna: 474 + 492 + 502+ 494 + 514 + 508 + 492+ 516 + 510 + 506 =500,8 mG 10 748 + 738 + 728 + 728 + 730 + 724 + 722+ 730 + 722+ 724 F ' 'śr= =729,4 mG 10 F 'śr=

denaturat: 516 + 500 +504 + 506 + 498 + 520 + 506 + 502 + 504 + 504 =506 mG 10 668 + 670 + 664 + 664 +664 +674+ 666 +674+ 674 +672 F ' 'śr= =669 mG 10 F' ś r=

F=F ' ' śr − F ' śr

woda destylowana: F=744,2− 792,7=251,5 mG=2467,215 ∗10 −6 N gliceryna: −6

F=729,4 −500,8 =228,6 mG=2242,566 ∗ 10 N

denaturat: F=669 −506=163 mG=1599,03 ∗ 10−6 N ''

F F −F' σ= = 2L 2L woda destylowana: σ=

N 2467,215 ∗ 10−6 =41120,25 ∗10− 6 m 2∗ 0,03

gliceryna: σ=

2242,566 ∗ 10−6 N =37376,1 ∗10− 6 m 2∗ 0,03

denaturat:

σ=

1599,03 ∗ 10−6 N =26650,5 ∗10 −6 m 2∗ 0,03

4. Rachunek błędu W tablicach fizycznych możemy znaleźć poniższe wartości napięcia powierzchniowego (σ*10-3 N/m): Substancja woda gliceryna alkohol etylowy

10 74,22

20 72,75 59,4

23,14

22,03

Temperatura [°C] 25 71,96

30 71,15 59,0

40 69,55 58,5

21,48

20,20

|∆ F ' śr|=F ' i − F ' śr ❑max |∆ F ' 'śr|=F ' ' i − F '' śr ❑max |∆ F|=|∆ F ' ' śr|− ∆ F ' śr ∨ woda destylowana:

|∆ F ' śr|=|518 − 492,7|=25,3 mG |∆ F ' 'śr|=|790 − 744,2|=45,9 mG |∆ F|=|45,9 −25,3|=20, mG=20 ∗ 9,81 ∗ 10 −6 N =196,2 ∗10− 6 N gliceryna:

|∆ F ' śr|=|474 − 500,8|=26,8 mG |∆ F ' 'śr|=|748 − 729,4|=18,6 mG |∆ F|=|18,6 − 26,8|=8,2 mG=8,2 ∗ 9,81 ∗ 10− 6 N =80,442 ∗ 10− 6 N denaturat:

|∆ F ' śr|=|520 − 506|=14 mG |∆ F ' 'śr|=|674 −669|=5 mG |∆ F|=|5− 14|=9 mG=9 ∗ 9,81 ∗ 10− 6 N =88,29 ∗ 10− 6 N ∆ L=1 mm =0,001 m

∆σ ∆ F ∆ L + = L F σ woda destylowana: ∆σ 196,2 ∗ 10− 6 0,001 + = −6 0,03 σ 2467,215 ∗ 10 ∆σ =0,0795 + 0,0333 σ ∆σ =0,1128 σ −6 ∆ σ =0,1128 ∗ 41120,25 ∗ 10 N ∆ σ =4638,3642 ∗10 −6 m gliceryna: 80,442 ∗10− 6 0,001 ∆σ = + σ 2242,566 ∗10− 6 0,03 ∆σ =0,0359 + 0,0333 σ ∆σ =0,0692 σ ∆ σ =0,0692 ∗37376,1 ∗10− 6 N ∆ σ =2586,42612 ∗ 10− 6 m denaturat: 88,29 ∗10− 6 0,001 ∆σ = + σ 1599,03 ∗ 10− 6 0,03 ∆σ =0,0552 + 0,0333 σ ∆σ =0,0885 σ −6 ∆ σ =0,0885 ∗26650,5 ∗ 10 N ∆ σ =2358,56925 ∗10− 6 m

5. Wnioski 

Porównanie naszych wyników z wynikami z tablic fizycznych:

woda gliceryna denaturat (alkohol etylowy)      

nasze wyniki *10-3 N/m 41,12 37,38 26,65

z tablic *10-3 N/m 72,75 59,4 22,03

Wartości napięcia powierzchniowego podane w tabelach fizycznych nie zgadzają się z naszymi wynikami pomiarów, wykonanych za pomocą metody odrywania. Może to być spowodowane obecnością zanieczyszczeń badanych substancji, ponieważ nawet niewielka ilość obcych substancji może być przyczyną zmiany wartości napięcia. Metoda odrywania nie zapewnia dokładnych pomiarów, ponieważ ciężko jest precyzyjnie określić moment przed samym oderwaniem się płytki od powierzchni cieczy. Różnica w wynikach spowodowana może być wartością temperatury cieczy i ciśnieniem panujących w pomieszczeniu. W naszym doświadczeniu nie była uwzględniana temperatura ani ciśnienie badanej cieczy. Napięcie powierzchniowe silnie zależy od jej temperatury. Zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury i spada do zera w temperaturze krytycznej. Na różnicę w wynikach może również wpływać rozmiar płytki, przy użyciu której dokonany został pomiar....