Fyzikální praktikum 1 3. Měření viskozity, hustoty a povrchového napětí kapalin Jméno: Václav GLOS Datum: 12.3.2012 Obor: Astrofyzika Ročník: 1 Laboratorní podmínky: Teplota: 23,5 C Tlak: 1001,0 hpa Vlhkost: 45 % Úkol 1. Měření teplotní závislosti viskozity vody pomocí Ubbelohdeho viskozimetru Dle zadání provedeme tři měření kinematické viskozity pro různé teploty. Měřenou veličinou je čas, za který Ubbelohdeho viskozimetrem proteče dané množství vody. Čas změříme stopkami. Z výsledného času t a časové konstanty viskozimetru K získáme kinematickou viskozitu dle vztahu: ν = Kt (1) Měření závislosti viskozity vody na teplotě - tabulka č. 1: Měření Teplota vody [ C] Čas [s] Kinematická viskozita [mm 2 /s] 1 20.7 940 0,999 2 31.9 762 0,810 3 34.1 698 0,742 Z grafu změřené závislosti se na první pohledu může zdát, že tato závislost lineárně klesá. Kdybychom však provedli další měření při vyšších teplotách, tak bychom zjistili pokles exponenciální. 1
Úkol 2. Měření viskozity pomocí Mariottovy láhve Druhým úkolem je změřit viskozitu vody pomocí Mariottovy láhve. Měřenou veličinou bude hmotnost vody, výškový rozdíl ústí trubic h a čas t, za který dané množství vody vyteče. Čas změříme stopkami, výškový rozdíl trubic pomocí katetometru a hmotnost vody pomocí laboratorních vah s přesností na 0,001 g. Viskozitu η získáme ze vztahu: η = πr4 pt 8V L (2) kde R je poloměr trubice, p rozdíl tlaku mezi konci trubice, t čas průtoku kapaliny, V objem kapaliny a L délka trubice. Průměr a délka trubice jsou uvedeny na štítku lahve. Po úpravě, kdy rozdíl tlaku p získáme jako ρg h a objem V jako m ρ získáme vztah: η = πr4 ρ 2 g ht 8mL (3) Hmotnost kapaliny získáme jako rozdíl hmotností prázdné kádinky a kádinky s vodou. Výškový rozdíl získáme jako rozdíl výšek naměřených katetometrem. Nejistotu měření stanovíme podle zákona šíření chyby. m = m 2 m 1 = 107,005 58,383 = 48,622 ± 0,001g (4) h = h 2 h 1 = 178,9 69,5 = 109,4 ± 0,7mm (5) Za předpokladu, že hustota vody se za pokojové teploty rovná tabulkové hodnotě 998,2 kg/m 3 a tíhové zrychlení je pro naši polohu rovno 9,81 m/s 2 je výsledná viskozita určená pomocí vztahu (3) rovna 1,105x10 3 ± 1,102x10 5 Nm/s 2. Výsledná hodnota odpovídá tabulkové hodnotě viskozity vody při teplotě asi 17 C. Vzhledem k tomu, že měření probíhalo z rána začátkem března, je tato teplota kapaliny reálná. 2
Úkol 3. Měření hustoty lihu pomocí pyknometru V dalším úkolu měříme hustotu lihu pomocí pyknometru a znalosti hustoty vody. Měřené veličiny budou hmotnost prázdného pyknometru m, hmotnost pyknometru naplněného lihem m lih a hmotnost pyknometru naplněného vodou m H2 O). Hustotu lihu určíme pomocí vztahu: ρ lih = (ρ H2 O ρ vzduch ) m lih m m H2 O m Změříme jednotlivé hmotnosti a pomocí zákona šíření nejistoty stanovíme nejistotu měření. Rozdíly hmotností: m lih m = 38,486 19,657 = 18,829 ± 0,001g (7) (6) m H2 O m = 43,154 19,657 = 23,497 ± 0,001g (8) ρ lih = 800,375 ± 0,077kg/m 3 (9) Výsledná hodnota hustoty odpovídá hustotě technického lihu, který byl použit. Úkol 4. Měření hustoty metodou ponorného tělíska Ve čtvrtém úkolu měříme hustotu lihu pomocí ponorného tělíska (v našem případě teploměru) pověšeného na závěs digitálních vah. Měřenou veličinou bude hmotnost. Z poměru hmotností získáme hustotu lihu pomocí vztahu: ρ lih = ρ voda m lih m voda (10) Změříme jednotlivé hmotnosti a pomocí zákona šíření nejistoty stanovíme nejistotu měření. ρ lih = 810,591 ± 2,906kg/m 3 (11) 3
Výsledná hodnota se blíží tabulkové hodnotě hustoty technického lihu, který byl použit. Odchylka může být způsobena znečištěním lihu nebo nedokonalým provedením měření - ne úplně stejně ponořený teploměr do obou kapalin. Úkol 5. Měření povrchového napětí du Noüyho metodou Dle zadání úkolu provedeme 10 ponoření a vynoření platinového kroužku v destilované vodě a lihu. Zaznamenáme maximální sílu F max působící na kroužek o poloměru r. Výslednou hodnotu povrchového napětí získáme ze vtahu: σ = F max 2πr kouzku (12) Provedeme měření a dle vztahu (12) dopočítáme hodnoty povrchových napětí. Spočítáme statistickou chybu pro obě sady měření. Měření povrchového napětí destilované vody - Tabulka č. 1: Měření F max [mn] σ [N/m] 1 0,71 0,0226 2 0,72 0,0229 3 0,68 0,0216 4 0,69 0,0219 5 0,72 0,0229 6 0,70 0,0223 7 0,71 0,0226 8 0,67 0,0213 9 0,73 0,0230 10 0,72 0,0230 4
Měření povrchového napětí technického lihu - Tabulka č. 2: Výsledné hodnoty: σ vody = 0,0225 ± 0,0007 N/m σ lihu = 0,0731 ± 0,0001 N/m Měření F max [mn] σ [N/m] 1 2,31 0,0735 2 2,27 0,0722 3 2,30 0,0732 4 2,29 0,0723 5 2,31 0,0735 6 2,34 0,0745 7 2,28 0,0725 8 2,24 0,0713 9 2,26 0,0719 10 2,38 0,0757 Výsledné hodnoty povrchového napětí destilované vody a technického lihu se blíží k hodnotám tabulkovým. Rozdíly vznikly nedokonalým provedením měření - nepřesně kruhový platinový kroužek a vibrace způsobené manipulací s zařízením. Úkol 6. Měření složek povrchového napětí metodou kontaktního úhlu přisedlé kapky V posledním úkolu tohoto měření budeme pomocí CCD kamerky a programu See Software 6.0 měřit kontaktní úhel kapaliny v kontaktu s teflonem a vzduchem. Ze znalosti kontaktního úhlu kalibrační kapaliny Θ kal a vody Θ H2 O, tabulkové hodnoty celkové povrchové energii kalibrační tekutiny σ kal a vody σ H2 O zjistíme disperzní složku povrchové energie vody σh lw 2 O ze vztahu: σh lw 2 O = σ H 2 ( ) 2 O 1 + 2 cosθh2 O (13) σ kal 1 + cosθ kal Dále zjistíme polární složku povrchové energie vody jako rozdíl celkové povrchové energie vody a její disperzní složky. σh ab 2 O = σ H 2 O σh lw 2 O (14) 5
Jelikož du Noüyho metoda nebere v úvahu působení gravitačního pole je třeba na neznečištěný teflonový povrch nanést co nejmenší kapky přibližně stejných velikostí. Po nanesení kapek provedeme dle instrukcí v zadání měření kontaktního úhlu. Jako kalibrační kapalinu jsme použili Methyljodid. Výsledné hodnoty: Θ H2 O = 98,3 Θ kal = 52,1 σh lw 2 O = 29,3 mj/m2 σh ab 2 O = 43,5 mj/m2 Výsledné hodnoty se liší o 7,5 mj/m 2 od hodnot udávaných v tabulkách. Tento rozdíl mohl vzniknout kvůli stavu použitých látek - nedokonale čistý teflonový polotovar, znehodnocený methyljodid nebo voda. Další příčinou může být přílišná velikost kapek, které jsme byli schopni vytvořit. 6