LABORATORNÍ PRÁCE Č. 3 MĚŘENÍ POVRCHOVÉHO NAPĚTÍ VODY TEORETICKÉ ZÁKLADY CO JE POVRCHOVÉ NAPĚTÍ Jednotlivé olekuly vody na sebe působí přitažlivýi silai, lepí se k sobě. Důsledke je například to, že se alé kapičky ochotně spojují ve velké kapky, nebo ožnost nalít do nádobky tolik vody, až vytvoří alý kopeček. V naprosté většině objeu kapaliny se přitažlivé síly, kterýi na nějakou olekulu působí její sousedky, v průěru vyrovnají, jak ilustruje obrázek vpravo. Stejný obrázek také ilustruje, jak se liší silové působení pro olekuly blízko povrchu kapaliny. Ta již k vyrovnání nedochází, výsledná síla proto není nulová a íří dovnitř kapaliny. Při přesouvání olekul z vnitřku kapaliny k povrchu tedy usíe překonávat určité síly. Molekuly blízko povrchu proto ají energii označovanou jako povrchová energie. Podobně těleso zdvižené ze zeě do výšky (zde působíe proti gravitaci) á potenciální gravitační energii. Povrchová energie je tí větší, čí více se k sobě olekuly v kapalině lepí a roste přío úěrně s nožství olekul na povrchu. Označíe-li povrch písene S a konstantu určující íru lepení v závislosti na druhu kapaliny jako řecké píseno siga, ůžee energii jednoduše ateaticky vyjádřit jako Paraetr označujee jako povrchové napětí. E.S
Nyní lze saovolné spojování alých kapiček do velkých kapek vysvětlit také poocí energie. Systé se snaží ít co nejnižší povrchovou energii, stejně jako se v gravitační poli příroda snaží uístit předěty tak, aby byla potenciální gravitační energie co nejenší předěty saovolně padají dolů. TEORETICKÝ ÚVOD K ZMĚŘENÍ PARAMETRU ODTRHÁVACÍ METODOU Na povrch hladiny položíe dřevěnou špejli a budee ěřit sílu potřebnou k odtrhnutí špejle z hladiny. Při vytahování špejle sěre vzhůru vytahujee spolu se špejlí také přilepenou vodu. Šířku špejle označíe a, délku l, výšku vytažené vodní stěny h. Pokud je špejle dostatečně tenká a dlouhá, ůžee obje vytažené kapaliny a s ní i tíhovou sílu zanedbat. Později zanedbáe i hodnotu šířky špejle a. Při vytažení špejle o h působíe silou F po dráze h, vykonáe tedy práci W F. h Tato práce je ovše rovna energii, kterou jse přidali povrchové vrstvě: Porovnáe část úplně vlevo s částí úplně vpravo F. h W E. S.2a l. h F. h.2a l. h Vydělíe rovnici h A nakonec vyjádříe povrchové napětí F. 2 a l 2. F a F l 2. l
MĚŘENÍ POVRCHOVÉHO NAPĚTÍ ODTRHOVÁ METODA Metodou, jak přío zjistit povrchové napětí například vody s iniálníi nároky na poůcky, je ěřit sílu potřebnou k odtržení předětu od povrchové vrstvy. Z několika špejlí, špendlíků a kancelářských svorek si vyrobíe jednoduché zařízení pro ěření povrchové síly. Jednu celou špejli propíchnee uprostřed kolo špendlíke. Z jiné špejle odříznee 5 c dlouhý kousek a také ho přesně uprostřed kolo propíchnee druhý špendlíke. Krátký kus špejle pak připíchnee k jednou konci dlouhé špejle tak, aby špejle byly k sobě kolé a krátký kus byl rovnoběžný se špendlíke zapíchnutý v dlouhé špejli viz foto. Vyrobili jse tak jednoduché vážky, které položíe špendlíke tvořící osu dlouhé špejle na dva nízké hrnky, krabičky, knihy apod. Špejle se bude překlápět na stranu s připíchnutý kouske, proto ji na druhé straně vyvážíe v potřebné vzdálenosti pevně přichycenou kancelářskou sponkou. Pod konec s připíchnutý kouske špejle postavíe isku s vodou. Dotknee-li se nyní krátký kouske špejle povrchu vody, zůstane k ní přichycen povrchovou silou a k jeho odtržení usíe na druhý konec špejle zavěsit do určité vzdálenosti několik (2-4) kancelářských sponek.
Sponky opatrně posunujee sěre k okraji, abycho našli axiální sílu, při které dojde k odtržení špejle od povrchu vody. Maxiální vzdálenost sponek od středu pak ještě překontrolujee opětovný sočení kousku špejle ve vodě. Znovu tedy trochu teorie: Jestliže á krátký kousek špejle délku l, délka okraje povrchové vrstvy, která je vytahována nahoru, á délku 2l (podél obou stran špejle) a velikost povrchové síly ůžee vyjádřit jako: F p. 2l kde σ je povrchové napětí. Tato síla je v okažiku odtržení vyrovnávána tíhou posouvaných sponek na druhé konci vážek a ze vztahu pro rovnováhu na páce dostáváe: r.2l r. g 1. 2 kde r 1 je vzdálenost krátkého kousku špejle od osy otáčení, r 2 je vzdálenost sponek od osy otáčení, je jejich hotnost a g je velikost tíhového zrychlení. Hotnost sponek určíe zvážení například padesáti kusů stejných sponek. Po zěření potřebných hodnot pak snadno vypočítáe velikost povrchového napětí vody: r2 g r12. l
POZNÁMKY Je potřeba dbát na to, aby krátký konec špejle dosedal k hladině celou svojí délkou najednou. V opačné případě by se jeden konec špejle odtrhával dříve a výsledek by byl zkreslený. Rovnoběžnosti odtrhávané špejle s hladinou dosáhnee írný podložení špendlíku tvořícího osu vážek na jedné nebo druhé straně. Při vyvažování vážek je vhodné nejdříve sočit krátký kousek špejle ve vodě, abycho eliinovali vliv hotnosti vody nasáklé do špejle. Popsaná etoda á v porovnání s jinýi jednoduchýi etodai poěrně vysokou přesnost. Na nepřesnostech se zřejě bude podílet určení délky okrajové vrstvy (ůžee diskutovat, je-li rovna přesně 2l, jaký vliv ají okraje apod.), ůžee také zkusit určit hotnost vody, kterou zvedáe "navíc" s povrchovou vrstvou.
LABORATORNÍ PRÁCE Č. 3 MĚŘENÍ POVRCHOVÉHO NAPĚTÍ VODY Úkol: Určete odtrhovou etodou povrchové napětí vody Poůcky: Špejle, špendlíky, voda, kancelářské sponky, kádinka,... Postup práce: viz předchozí text Měření provedee aspoň desetkrát, abycho vyloučili hrubou chybu pozorovatele. Tabulka naěřených hodnot: a) Určení hotnosti kancelářské sponky: b) Určení povrchového napětí vody: číslo ěření 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. r 1 r 2 l kg J. -2 J. -2 Zpracování výsledků: 2...... J. ;...% Závěr: vyhodnoťte naěřený výsledek, porovnejte hodnotu s hodnotai uvedenýi v MFCHT
Doplňující otázky (zodpovězte do protokolu) 1. Které kapaliny ají větší povrchové napětí než voda? 2. Jak se chová kapalina s vyšší povrchový napětí (např. voda) v prostoru, kde nepůsobí gravitační síla? 3. Jak působí teplota na povrchové napětí? 4. Jak působí detergenty ve vodě? 5. Jaký děj se uskuteční, pokud do systéu olej voda vnesete detergent? 6. Jak se nazývají látky používající se na ísení dvou vzájeně neísitelných kapalin (např. oleje a vody)?