Povrchové napětí KATEDRA EXPERIMENTÁLNÍ FYZIKY PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA UNIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI

Podobné dokumenty
Měření povrchového napětí

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

2 Jevy na rozhraní Kapilární tlak Kapilární jevy Objemová roztažnost kapalin 7

Struktura a vlastnosti kapalin

STRUKTURA A VLASTNOSTI KAPALIN

Měření povrchového napětí kapalin a kontaktních úhlů

LOGO. Struktura a vlastnosti kapalin

Vlastnosti kapalin. Povrchová vrstva kapaliny

Měření teplotní roztažnosti

Struktura a vlastnosti kapalin

Mezi krystalické látky nepatří: a) asfalt b) křemík c) pryskyřice d) polvinylchlorid

Laboratorní práce č. 2: Určení povrchového napětí kapaliny

Měření teplotní roztažnosti

Připravil: Roman Pavlačka, Markéta Sekaninová Hydrostatika

3. Měření viskozity, hustoty a povrchového napětí kapalin

Transportní jevy v plynech Reálné plyny Fázové přechody Kapaliny

KATEDRA FYZIKY VŠB-TU OSTRAVA

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

3.3 Částicová stavba látky

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

HUSTOTA PEVNÝCH LÁTEK

Měření povrchového napětí kapaliny z kapilární elevace

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

Kalorimetrická měření I

2.3 Tlak v kapalině vyvolaný tíhovou silou Tlak ve vzduchu vyvolaný tíhovou silou... 5

Měření měrného skupenského tepla tání ledu

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově. 06_5_ Struktura a vlastnosti kapalin

Fyzikální praktikum I

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

Mol. fyz. a termodynamika

Mechanika kapalin a plynů

Laboratorní práce č. 4: Určení hustoty látek

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

1. Určete závislost povrchového napětí σ na objemové koncentraci c roztoku etylalkoholu ve vodě odtrhávací metodou.

vzduchu FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE Datum měření: Jméno: František Batysta

MOLEKULOVÁ FYZIKA KAPALIN

VLASTNOSTI KAPALIN. Část 2. Literatura : Otakar Maštovský; HYDROMECHANIKA Jaromír Noskijevič; MECHANIKA TEKUTIN František Šob; HYDROMECHANIKA

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

DUM č. 12 v sadě. 10. Fy-1 Učební materiály do fyziky pro 2. ročník gymnázia

5. Stavy hmoty Kapaliny a kapalné krystaly

Úvod. K141 HYAR Úvod 0

LEE: Stanovení viskozity glycerolu pomocí dvou metod v kosmetickém produktu

Měření měrné telené kapacity pevných látek

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

JEVY NA ROZHRANÍ PEVNÉHO TĚLESA A KAPALINY

VI. STRUKTRURA A VLASTNOSTI KAPALIN

Úloha č.2 Vážení. Jméno: Datum provedení: TEORETICKÝ ÚVOD

Proudění viskózní tekutiny. Renata Holubova Viskózní tok, turbulentní proudění, Poiseuillův zákon, Reynoldsovo číslo.

Fyzikální učebna vybavená audiovizuální technikou, interaktivní tabule, fyzikální pomůcky

Kapka kapaliny na hladině kapaliny

STRUKTURA KAPALIN STRUKTURA KAPALIN

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

34_Mechanické vlastnosti kapalin... 2 Pascalův zákon _Tlak - příklady _Hydraulické stroje _PL: Hydraulické stroje - řešení...

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Studium teplotní závislosti povrchového napětí

1141 HYA (Hydraulika)

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 6: Měření povrchového napětí kapalin. Měření vnitřního tření kapalin. Měření vnitřního tření vzduchu

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

( r ) 2. Měření mechanické hysterezní smyčky a modulu pružnosti ve smyku

6. Stavy hmoty - Plyny

1. Molekulová stavba kapalin

Měření prostupu tepla

STRUKTURA PEVNÝCH LÁTEK A KAPALIN

Projekt z volitelné fyziky Výtok kapaliny otvorem ve stěně

4 STANOVENÍ KINEMATICKÉ A DYNAMICKÉ VISKOZITY OVOCNÉHO DŽUSU

Proč funguje Clemův motor

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM - Základní materiálové parametry

Základy fyziky + opakovaná výuka Fyziky I

VÝUKOVÝ MATERIÁL Ing. Yvona Bečičková Tematická oblast. Termika Číslo a název materiálu VY_32_INOVACE_0301_0214 Anotace

Adhezní síly v kompozitech

Stanovení hustoty pevných a kapalných látek

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

ZÁKLADNÍ ŠKOLA KOLÍN II., KMOCHOVA 943 škola s rozšířenou výukou matematiky a přírodovědných předmětů

Fyzikální praktikum 1

Výfučtení: Kapaliny aneb Hydročtení

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

Molekulové jevy Molekula Mezimolekulové síly Koheze a adheze Kapalina Povrchové napětí Povrchová energie Molekulový tlak Kapilární tlak

Míchání. P 0,t = Po ρ f 3 d 5 (2)

GEODÉZIE II. metody Trigonometrická metoda Hydrostatická nivelace Barometrická nivelace GNSS metoda. Trigonometricky určen. ení. Princip určen.

1. Měření hustoty látek. Úkol 1: Stanovte hustotu tělesa přímou metodou a pomocí Tabulek určete druh látky, z níž je těleso zhotoveno.

Řešení úloh krajského kola 60. ročníku fyzikální olympiády Kategorie A Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 3), V. Vícha (4)

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Vyřešením pohybových rovnic s těmito počátečními podmínkami dostáváme trajektorii. x = v 0 t cos α (1) y = h + v 0 t sin α 1 2 gt2 (2)

FYZIKA 6. ročník 2. část

Řešení úloh 1. kola 58. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 5, 6, 7), J. Jírů (3), L.

Skupenské stavy látek. Mezimolekulární síly

Stanovení kritické micelární koncentrace

Mechanické vlastnosti kapalin a plynů. opakování

Fyzikální praktikum 1

Interakce mezi kapalinou a vlákenným materiálem

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

PROJEKT ZPÍVAJÍCÍ SKLENIČKY

HYDROSTATICKÝ TLAK. 1. K počítači připojíme pomocí kabelu modul USB.

Mechanika tekutin je nauka o rovnováze a makroskopickém pohybu tekutin a o jejich působení na tělesa do ní ponořená či jí obtékaná.

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123MAIN - Základní materiálové parametry

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I. 4. Měření tlaků

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Regresní analýza. Ekonometrie. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FVL UO Brno kancelář 69a, tel

V i s k o z i t a N e w t o n s k ý c h k a p a l i n

Transkript:

KATEDRA EXPERIMETÁLÍ FYZIKY PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA UIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI Fyzikální praktikum z molekulové fyziky a termodynamiky Povrchové napětí

Úvod Molekuly kapaliny se vzájemně přitahují kohezními silami. O jejich existenci svědčí snaha kapalin zaujmout co nejmenší možný povrch při daném objemu. S kohezními silami souvisí smáčivost přilnavost a vzlínavost zde nejde o projev přitažlivých sil mezi molekulami kapaliny ale o projev přitažlivých sil mezi molekulami kapaliny a molekulami stěny kapiláry.závislostvzájemnépotenciálníenergie E p mezidvěmamolekulamikapalinynajejich vzdálenosti r je možno dobře vystihnout vztahem E p (r)= b r a r6. () První člen rovnice představuje odpudivou interakci a druhý člen přitažlivou van der Waalsovu interakci. Molekuly nakonec zaujmou takovou polohu při které je tato energie minimální.jsou-limolekulydalekoodsebe(r > r 0 )přitahujíseamajítendencivytvořitkondenzát.pokudsevšakpřílišpřiblíží(r < r 0 )začnousesilněodpuzovat.tímsevysvětluje malá stlačitelnost kapalin. Energie povrchových sil je přímo úměrná velikosti povrchu kapaliny zřejmě platí Zrovnice()lzenajít že minimum vazebné energie nastane pro r 0 0 0 m. E p = σs () kde σ je koeficient povrchového napětí(zkráceně povrchové napětí). yní najdeme velikost povrchových sil ze vztahu(). Vytvoříme-li kapalinovou blánu v drátěném rámečku a budeme-li ji napínat pohyblivým ramínkem délky l bude blána klást odpor.síluodporu F najdemezpodmínkyrovnostivykonanépráce W = F xpřiposunutíramínkao xapřírůstkukohezníenergie E p = σ S = σl x(uvažujmedvě stranykapalinovéblánytedy S=l x).zrovnosti W= E p dostanemeprovelikost povrchových sil F=σl. (3) Obecně na základě(3) tak lze povrchové napětí obecně definovat jako σ= df dl. (4) Každá molekula která se má odpařit z povrchu kapaliny musí překonat kohezní energii taodpovídáměrnémuskupenskémutepluvypařování l v.jelikožsrostoucíteplotouklesá energie potřebná k vypaření molekuly klesá i její povrchové napětí σ. Platí-li přibližná úměra σ (T kr T) jepřikritickéteplotě T kr povrchovénapětínulové. apříkladprovoduplatí σ=0073 m l v = 0 9 J m 3 T kr =374 C.Tabulka[] zobrazuje vlastnosti vybraných kapalin. kapalina hustota povrchové napětí dynamická viskozita [ kg m 3 ] [ m ] 0 [Pa s] voda 998 0073 065 rtuť 3530 049 057 líh 780 00 04 olivový olej 90 0033 8400 Tabulka:Tabulkavlastnostívybranýchkapalinpři0 C Pro měření povrchového napětí existuje řada metod odtrhávací kapková z výstupu v kapiláře stalagnometrem bublinková pomocí torzních vah.

Měření povrchového napětí kapkovou metodou echáme-li kapalinu volně vytékat z tlustostěnné zabroušené kapiláry zůstává kapalina lpět najejímspodnímokrajivetvarukapkykteráseodtrhnevokamžikukdytíhakapky Gje právěrovnasílepovrchovéhonapětí F.ZřejmětedybudeprojejichvelikostiplatitG=Fpo dosazení s využitím obecného předpisu ze(4) dostáváme mg = σπr kde m značí hmotnost kapkyarvnějšípoloměrkapiláry(l=πr). Takto určená hodnota povrchového napětí by však byla velmi nepřesná protože neodkápne celá kapka ale asi jen dvě třetiny jejího objemu zbytek zůstává lpět na spodním okraji kapiláry.předukápnutímsekapkazaškrtíatímseodtrhnenamenšímobvodunežje obvod kapiláry. Platí však že při použití stejné kapiláry je zúžení i poměrná část kapky která zůstane lpět na kapiláře u různých kapalin které smáčejí stěny kapiláry stejná. Kapkovou metodu používáme pouze jako metodu srovnávací. Obrázek : Průběh zaškrcení kapky na spodním okraji kapiláry Označíme-lipovrchovénapětíjednékapalinyσ ahmotnostodpovídajícíkapkym můžeme prodruhoukapalinuanalogickypsát σ m.vdoběodtrženíkapkyproprvníkapalinu platilarovnicem g= σ πrprodruhoum g=σ πr.porovnánímobourovnicdostáváme σ σ = m m. (5) Vzhledem k nemožnosti určit hmotnost jedné kapky necháváme vždy odkapat větší počet kapek(500000...).obecněprocelkovouhmotnostvyteklékapalinyplatí M= m kde mjehmotnostjednékapkyajepočetkapek.potévztah(5)přejdenatvar σ σ = M M n n Za σ dosazujeme hodnotu povrchového napětí látky z MFCh. odkudzískávámeproneznámépovrchovénapětí σ vztah σ = M M n n σ. (6). Pomůcky Tlustostěnná zabroušená kapilára gumový hadicový balónek dvě skleněné kádinky stojan s úchyty digitální váhy srovnávací kapalina(nejčastěji destilovaná voda) neznámá kapalina.. Postup měření adigitálníchvaháchzvážímeprázdnousuchoukádinkuurčímehmotnost M 0. Do laboratorního stojanu upevníme kapiláru do svislé polohy. S využitím gumového balónku nasajeme do kapiláry neznámou kapalinu(je nutné nasát dostatečné množství kapaliny pro odkapání většího počtu kapek).

Po odpojení balónku necháme kapalinu z kapiláry volně vytékat do kádinky a počítáme předem stanovený počet kapek(30 40 50...). ásledně kádinku zvážíme(hmotnost M )aurčímehmotnostkapaliny M = M M 0. Měření několikrát opakujeme nebo měříme postupnou metodou: opakované měření měření opakujeme alespoň pětkrát vždy znovu zvážíme prázdnou a suchou kádinku; postupnámetoda kádinkuvážímevždypopřidánístejnéhopočtu n kapek nejčastějivolíme n 050. kapalina M 0 M M M ( M ) n 0 3 [kg] 0 3 [kg] 0 3 [kg] 0 3 [kg] 0 [ 6 kg ]... M M ( M ) Tabulka : Ukázka tabulky pro zápis dat při opakovaných měření ( ) kapalina M a M b n M = M b M a n M n M n 0 3 [kg] n 0 3 [kg] 0 3 [kg] 0 3 [kg] 0 [ 6 kg ] + +...... n M nm ( n M ) Tabulka3:Ukázkatabulkyprozápisdatpřipostupnémetoděpro měření Po skončení měření kapiláru a kádinku důkladně propláchneme destilovanou vodou a stejný postup provádíme u destilované vody(případně u jiné srovnávací kapaliny). Hodnotukoeficientupovrchovéhonapětí σ srovnávacíkapalinyvyhledámevmfch tabulkách pro danou teplotu při měření. Využijeme-livztah(6)zapředpokladu n = n prourčenínejistotyměření σ nazákladě zákona šíření nejistot v odmocninném tvaru dostáváme (ua ) (M ) u(σ )=σ + M ( ) ua (M ) kde σ značí průměrnou hodnotu povrchovéhonapětí u A (M ) a u A (M ) nejistoty typuapříslušnýchhmotností(průměrysměrodatnýchodchylek).apříkladpro u A (M ) platí n ( ) Mi M i=0 u A (M )=. ( ) Zapíšemevýsledekměření σ snejistotou u(σ ). a základě hodnot z MFCh tabulek odhadneme o jakou látku se jedná. Výsledek a přesnost měření diskutujeme v závěru úlohy. M Viz příklad[]. 3

Měření povrchového napětí kapilární elevací Vzlínavost je projevem adhezních sil v tenkých kapilárách. Ponoříme-li tenkou kapiláru do kapaliny smáčivá kapalina v ní vystoupí o něco výše než je výška okolní hladiny(kapilární elevace). aopak v případě nesmáčivých kapalin klesne výška hladiny pod okolní úroveň (kapilární deprese). V další části se budeme věnovat pouze smáčivým kapalinám. Pro kapilární elevaci je možné odvodit vztah pro výšku sloupce kapaliny v kapiláře na základě rovnosti tlaků. U smáčivé stěny bude povrch kapaliny konvexní s poloměrem křivosti R takže v kapalině vzniká podtlak který nasává kapalinu vzhůru do kapiláry. Bude zřejmě platit p h = p k Typickým příkladem nesmáčivé kapaliny je rtuť. Většina kapalin stěny nádoby smáčí. kde p h = ρghjehydrostatickýtlaknasátéhosloupcekapalinyap k =σ/rkapilárnítlak. Pro výšku kapalinového sloupce dostáváme h= σ ρgr (7) Kapilární jev je možné využít k pohodlnému měření koeficientu povrchového napětí nebo adheze(přilnavosti) α. Obě konstanty jsou vzájemně svázány podmínkou α=σcosθ. Obrázek : Geometrie menisku kapaliny v kapiláře ZObr.[]jezřejméžeplatí R=r/cosθkde rjepoloměrkapiláry.ovšemměření Rje problematické. Proto se měří prohnutí menisku y odkud se R dopočte. Pro malé kapiláry je meniskus sférický. S využitím Pythagorovy věty dostáváme Dosadíme-li(8) do(7) máme vzorec pro praktické měření R= ( r +y ) /y. (8) σ= ρgh 4y ( r +y ). (9) Budeme-li ale měřit koeficient povrchového napětí neznámé kapaliny srovnávací metodou není nutné určovat vnitřní poloměr kapiláry R. Označme koeficient povrchového napětí neznámékapaliny σ aprosrovnávacíkapalinu σ (nejčastějidestilovanouvodu).podle(7) můžemepsát h =σ /(ρ gr)proneznámoukapalinuaprosrovnávací h =σ /(ρ gr). Porovnáním obou vztahů máme σ = h ρ h ρ σ. (0) Při měření povrchového napětí u metody využívající kapilární elevaci s výhodou používáme srovnávací metodu. ezjišťujeme tak například vnitřní poloměr použité kapiláry.. Pomůcky Kapilára skleněná kádinka stojan s úchyty katetometr(zařízení na přesné odečítání vertikálních vzdáleností) srovnávací kapalina(nejčastěji destilovaná voda) neznámá kapalina. 4

. Postup měření Do kádinky s neznámou kapalinou vertikálně zasuneme skleněnou kapiláru a uchytíme ji do laboratorního stojanu. Při bližším pohledu je možné pozorovat kapilární elevaci. Do vhodné vzdálenosti(cca metry) umístíme katetometr vyrovnáme jej stavěcími šrouby do vodorovné polohy. V okuláru katetometru vždy pozorujeme převrácený obraz. V případě potřeby je možné okulár doostřit. Svyužitímstupnicekatetometruodečítámevýškuhladinykapalinyvnádoběh avýšku hladinyvkapiláře h K.Provýškukapilárníelevacebudeplatit h = h K h. Měření provádíme pětkrát. Před každým opakovaným měřením kapiláru z kapaliny vždy vyjmeme a znovu ponoříme. kapalina h h K h = h K h h ( h ) n 0 [m] 0 [m] 0 [m] 0 [m] 0 [ 4 m ]... h h ( h ) Tabulka 4: Ukázka tabulky pro zápis dat při opakovaných měřeních Po skončení měření kapiláru a kádinku důkladně propláchneme destilovanou vodou a stejný postup provádíme u destilované vody(případně u jiné srovnávací kapaliny). Hodnotukoeficientupovrchovéhonapětí σ srovnávacíkapalinyvyhledámevmfch tabulkách pro danou teplotu při měření. Prourčenínejistotyměření σ zapředpokladukonstantníhodnoty σ lzeodvoditpodobný vzorec jako v případě měření kapkovou metodou (ua ) (h ) u(σ )=σ + h ( ) ua (h ) h Vizpříklady[][]. kdeσ značíprůměrnouhodnotupovrchovéhonapětíu A (h )au A (h )nejistotytypuapříslušnýchvýšekelevací.apříkladpro u A (h )platí n ( ) hi h i=0 u A (h )=. ( ) Zapíšemevýsledekměření σ snejistotou u(σ ). a základě hodnot z MFCh tabulek odhadneme o jakou látku se jedná. Výsledek a přesnost měření diskutujeme v závěru úlohy. V závěru taktéž diskutujeme přesnost obou metod měření srovnávací kapkové a srovnávací elevační. 5

3 Příkladykúloze. Odvoďtevztahprovýpočetnejistotyměřeníkoeficientupovrchovéhonapětíσ nazákladě vztahu(6)měříme-likapkovousrovnávacímetodou.povrchovénapětí σ považujteza konstantníhodnotuapropočetkapek n = n. Ze vztahu vyplývá že nepřímo měřené povrchové napětí je funkcí dvou přímo měřených veličin σ = σ (M M ). σ jetabelovanáhodnotabudemejiprotopovažovatzakonstantu.budemepředpokládat odkapánístejnéhopočtukapektedy n = n σ = M M σ. () Jestliže uvážíme že zákon šíření nejistot v odmocninném tvaru lze vyjádřit ( ) ( ) ( ) f f f u(v)= u x (x )+ u x (x )+...+ u x (x n ) n pak v našem případě pro nejistotu měření dostáváme u(σ )= ( σ M Platí-li pro parciální derivace z rovnice() ) ( ) σ u (M )+ u M (M ). σ = σ M M σ = M σ M mámepronejistotuměření σ výslednývztah M (ua ) (M ) u(σ )=σ + M ( ) ua (M ) kde u A (M )au A (M )představujísměrodatnéodchylkyprůměrů M a M (nejistoty typua). M. Odvoďtevztahprovýpočetnejistotyměřeníkoeficientupovrchovéhonapětíσ nazákladě vztahu(0)měříme-lielevačnísrovnávacímetodou.povrchovénapětí σ hustotyobou kapalin ρ a ρ považujtezakonstantníhodnoty. 3. Smáčí-li kapalina stěny nádoby vzniká ve svisle ponořené kapiláře o vnitřním poloměru R dutý povrch který snižuje tlak v kapalině. Tento jev označujeme jako kapilární elevaci. Změnahydrostatickéhotlaku p h musívyrovnatkapilárnítlak p k způsobenýzakřivením povrchu. Pro výšku výstupu h kapaliny dokonale smáčející stěny nádoby v kapiláře od volné hladiny v nádobě platí? 4. Při měření povrchového napětí lze využít i tzv. kapkovou metodu. Je založena na odkapávání kapaliny z konce tlustostěnné zabroušené kapiláry do nádoby. Jak tuto metodu můžeme charakterizovat? 5. Kapalinavytékáznádobyúzkoukapilárouopoloměru08mm.Zajednusekunduodpadne jedna kapka. Jak dlouho bude trvat než z nádoby vyteče kapalina o hmotnosti 5g?Povrchovénapětíkapaliny 0 3 m. 6