Ako merať povrchové napätie

Obsah

Kroky
Metóda 1 z 3: Použitie vahadla
Metóda 2 z 3: Kapilárnym efektom
Metóda 3 z 3: Ako určiť relatívne povrchové napätie pomocou mince
Čo potrebuješ

Povrchové napätie opisuje schopnosť tekutiny odolávať gravitácii. Voda na doske napríklad vytvára kvapôčky, pretože molekuly vody sú navzájom priťahované, čo pôsobí proti gravitácii. Je to kvôli povrchovému napätiu, ktoré môžu ťažšie predmety, ako napríklad hmyz, držať na hladine vody. Povrchové napätie sa meria v sile (N) delenej jednotkovou dĺžkou (m) alebo energiou na jednotku plochy. Sila, s ktorou molekuly vody interagujú (kohézna sila), vytvára napätie, čoho dôsledkom sú kvapôčky vody (alebo iných kvapalín). Povrchové napätie je možné zmerať niekoľkými jednoduchými položkami, ktoré nájdete takmer v každej domácnosti, a kalkulačkou.

Kroky

Metóda 1 z 3: Použitie vahadla

1 Napíšte rovnicu pre povrchové napätie. V tomto experimente je rovnica na určenie povrchového napätia nasledovná: F = 2Sd, kde F - sila v newtonoch (N), S - povrchové napätie v newtonoch na meter (N / m), d je dĺžka ihly použitej v experimente. Vyjadrime povrchové napätie z tejto rovnice: S = F / 2d.
- Sila sa vypočíta na konci experimentu.
- Pred začatím experimentu zmerajte pravítkom dĺžku ihly v metroch.
2 Postavte malé vahadlo. Tento experiment používa na určenie povrchového napätia vahadlo a malú ihlu, ktorá pláva na hladine vody.Je potrebné starostlivo zvážiť konštrukciu vahadla, pretože od toho závisí presnosť výsledku. Môžete použiť rôzne materiály, hlavnou vecou je vyrobiť vodorovnú lištu z niečoho tvrdého: z dreva, plastu alebo hrubej lepenky.
- Určte stred tyče (napríklad slamené alebo plastové pravítko), ktorú použijete ako priečku, a na tomto mieste vyvŕtajte alebo dierujte otvor; toto bude opora brvna, v ktorom sa bude voľne otáčať. Ak používate plastovú slamku, jednoducho ju prepichnite špendlíkom alebo klincom.
- Na koncoch priečnych nosníkov vyvŕtajte alebo vyrazte otvory tak, aby boli od stredu rovnako vzdialené. Nite prevlečte cez otvory, aby ste zavesili závažie a ihlu.
- V prípade potreby podložte lúč knihami alebo inými dostatočne tvrdými predmetmi, aby bol lúč horizontálny. Je potrebné, aby sa priečnik voľne otáčal okolo klinca alebo tyče zaseknutej v jeho strede.
3 Vezmite kúsok hliníkovej fólie a zrolujte ho do tvaru škatule alebo tanierika. Nie je vôbec potrebné, aby tento tanier mal pravidelný štvorcový alebo okrúhly tvar. Naplníte ju vodou alebo inou záťažou, takže sa uistite, že unesie váhu.
- Na jeden koniec tyče zaveste plechovú fóliu alebo tanier. Po okrajoch podšálky urobte malé otvory a prevlečte ich cez ne tak, aby podšálka visela z tyče.
4 Na druhý koniec tyče zaveste ihlu alebo kancelársku sponku tak, aby boli vodorovne. Ihlu alebo kancelársku sponku vodorovne uviažte na niť, ktorá visí z druhého konca tyče. Aby bol experiment úspešný, je potrebné umiestniť ihlu alebo kancelársku sponku presne vodorovne.
5 Na vyváženie nádoby z hliníkovej fólie položte niečo na tyč, napríklad plastelínu. Pred začatím experimentu je potrebné zabezpečiť, aby bola priečka umiestnená vodorovne. Fóliový tanier je ťažší ako ihla, takže tyčinka na boku taniera spadne. Na opačnú stranu tyče pripevnite dostatok plastelíny tak, aby bola vodorovná.
- Toto sa nazýva vyváženie.
6 Visiacu ihlu alebo kancelársku sponku vložte do nádoby s vodou. Tento krok bude vyžadovať dodatočné úsilie na umiestnenie ihly na hladinu vody. Dbajte na to, aby sa ihla nepotopila do vody. Naplňte nádobu vodou (alebo inou tekutinou neznámeho povrchového napätia) a umiestnite ju pod závesnú ihlu tak, aby bola ihla priamo na povrchu tekutiny.
- Uistite sa, že lano držiace ihlu zostáva na svojom mieste a je dostatočne pevné.
7 V malom meradle odvážte niekoľko špendlíkov alebo malé množstvo odmeraných kvapiek vody. Do hliníkového taniera na vahadle pridáte jeden špendlík alebo jednu kvapku vody. V tomto prípade je potrebné poznať presnú hmotnosť, pri ktorej sa ihla dostane z povrchu vody.
- Spočítajte počet špendlíkov alebo kvapiek vody a odvážte ich.
- Určte hmotnosť jedného špendlíka alebo kvapky vody. Za týmto účelom vydelte celkovú hmotnosť počtom kolíkov alebo kvapiek.
- Predpokladajme, že 30 kolíkov váži 15 gramov, potom 15/30 = 0,5, to znamená, že jeden kolík váži 0,5 gramu.
8 Do podšálky z hliníkovej fólie postupne pridávajte špendlíky alebo kvapky vody, kým sa ihla nedostane z hladiny vody. Postupne pridajte jeden špendlík alebo kvapku vody. Starostlivo sledujte ihlu, aby ste nepremeškali okamih, keď sa po nasledujúcom zvýšení hmotnosti uvoľní z vody. Akonáhle sa ihla dostane z povrchu kvapaliny, prestaňte pridávať špendlíky alebo kvapky vody.
- Spočítajte počet špendlíkov alebo kvapiek vody, ktoré spôsobili, že sa ihla na opačnom konci tyče dostala z hladiny vody.
- Napíšte výsledok.
- Experiment zopakujte niekoľkokrát (5 alebo 6) krát, aby ste získali presnejšie výsledky.
- Vypočítajte priemer získaných výsledkov. Za týmto účelom spočítajte počet kolíkov alebo kvapiek vo všetkých experimentoch a celkový počet vydelte počtom experimentov.
9 Preveďte počet kolíkov na silu. Za týmto účelom vynásobte počet gramov hodnotou 0,00981 N / g. Na výpočet povrchového napätia potrebujete poznať silu potrebnú na zdvihnutie ihly z hladiny vody. Pretože ste v predchádzajúcom kroku spočítali hmotnosť kolíkov na určenie sily, stačí túto hmotnosť vynásobiť 0,00981 N / g.
- Vynásobte počet kolíkov v tanieri hmotnosťou jedného čapu. Ak napríklad vložíte 5 kolíkov, každý s hmotnosťou 0,5 gramu, ich celková hmotnosť je 0,5 gramu / špendlík = 5 x 0,5 = 2,5 gramu.
- Vynásobte počet gramov koeficientom 0,00981 N / g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.
10 Pripojte tieto hodnoty do rovnice a nájdite hodnotu, ktorú hľadáte. Výsledky získané počas experimentu je možné použiť na stanovenie povrchového napätia. Stačí pripojiť hodnoty, ktoré nájdete, a vypočítať výsledok.
- V uvedenom príklade povedzme, že dĺžka ihly je 0,025 metra. Nahradením hodnôt do rovnice dostaneme: S = F / 2d = 0,025 N / (2 x 0,025) = 0,05 N / m. Povrchové napätie kvapaliny je teda 0,05 N / m.

Metóda 2 z 3: Kapilárnym efektom

1 Získajte informácie o kapilárnom efekte. Aby sme pochopili kapilárne javy, musíme sa najskôr zoznámiť so silami adhézie a súdržnosti. Priľnavosť spôsobuje, že sa kvapalina prilepí na tvrdý povrch, ako je sklo. Vďaka sile súdržnosti sú molekuly kvapaliny navzájom priťahované.Kombinované pôsobenie síl priľnavosti a súdržnosti spôsobuje, že kvapalina stúpa v tenkých rúrkach.
- Z výšky vzostupu kvapaliny v trubici sa dá vypočítať povrchové napätie tejto kvapaliny.
- Súdržné sily vedú k tvorbe bublín a kvapôčok na povrchu. Keď kvapalina príde do kontaktu so vzduchom, molekuly kvapaliny sa navzájom priťahujú, čo má za následok tvorbu bubliny.
- Priľnavosť vedie k tvorbe menisku, ktorý je viditeľný v miestach kontaktu kvapaliny so stenami skla. Konkávny tvar menisku je viditeľný voľným okom.
- Príkladom kapilárneho účinku je naberanie tekutiny do slamky, ktorá sa vloží do pohára vody.
2 Napíšte rovnicu na určenie povrchového napätia. Povrchové napätie sa vypočíta takto: S = (ρhga / 2), kde S - povrchové napätie, ρ - hustota skúmanej kvapaliny, h - výška vzostupu kvapaliny v trubici, g - gravitačné zrýchlenie pôsobením gravitácie na kvapalinu (9,8 m / s), a je polomer kapilárnej trubice.
- Pri dosadzovaní údajov do tejto rovnice sa uistite, že sú vyjadrené v metrických jednotkách: hustota v kg / m, výška a polomer v metroch, zrýchlenie spôsobené gravitáciou v m / s.
- Ak nie je hustota kvapaliny vopred daná, je možné ju nájsť v príručke alebo ju vypočítať podľa vzorca hustota = hmotnosť / objem.
- Povrchové napätie sa meria v newtonoch na meter (N / m). Newton sa rovná 1 kg * m / s. Ak chcete nezávisle určiť merné jednotky, jednoducho ich dosaďte do rovnice bez číselných hodnôt: S = kg / m * m * m / s * m. Ak v čitateľovi a menovateli zmenšíme dva metre, dostaneme 1 kg * m / s / m, to znamená 1 N / m.
3 Do nádoby nalejte kvapalinu neznámeho povrchového napätia. Vezmite plytký tanier alebo misku a nalejte do nej tekutinu tak, aby zakrývala dno o 2 až 3 centimetre. Na množstve kvapaliny nezáleží, hlavnou vecou je, že je jasne viditeľné, ako veľmi stúpne v kapilárnej trubici.
- Ak sa chystáte experimentovať s rôznymi tekutinami, dosku nalejte a vysušte, než do nej nalejete inú tekutinu, alebo zakaždým použite inú nádobu.
4 Ponorte čistú, tenkú trubičku do tekutiny. Z výšky vzostupu tekutiny v tejto trubici určíte povrchové napätie.Hadičku udržiavajte čistú, aby ste jasne videli, ako vysoko tekutina v miske vystúpi nad jej hladinu. Okrem toho musí mať rúrka konštantný polomer.
- Ak chcete zmerať polomer, jednoducho umiestnite pravítko na hornú časť trubice a určte priemer. Potom vydeľte priemer 2 a nájdete polomer.
5 Zmerajte výšku, v ktorej kvapalina stúpla nad tanier. Presuňte okraj pravítka na povrch tekutiny v zásobníku a určte, ako vysoko tekutina v trubici stúpla. Voda v trubici stúpa, pretože zdvíhacia sila povrchového napätia prevyšuje ťažnú silu gravitácie.
6 Zapíšte tieto hodnoty do rovnice a vykonajte výpočty. Potom, čo ste určili všetky požadované hodnoty, zapojte ich do rovnice a nájdite povrchové napätie. Na zaistenie správneho výsledku nezabudnite všetky hodnoty previesť na metrické jednotky.
- Predpokladajme, že meriame povrchové napätie vody. Hustota vody je asi 1 kg / m3 (v tomto prípade používame približné hodnoty). Gravitačné zrýchlenie je 9,8 m / s. Nech je polomer trubice 0,029 m a voda vystúpila do výšky 0,5 m. Aké je povrchové napätie vody?
- Získané hodnoty dosaďte do rovnice a získajte: S = (ρhga / 2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5) / 2 = 0,1421 / 2 = 0,071 J / m.

Metóda 3 z 3: Ako určiť relatívne povrchové napätie pomocou mince

1 Zbierajte všetko, čo potrebujete. Na tento experiment budete potrebovať kvapkadlo, suchú mincu, vodu, malú misku, tekutý prostriedok na umývanie riadu, rastlinný olej a uterák. Všetky tieto položky nájdete doma alebo si ich môžete kúpiť v miestnom obchode. Môžete sa zaobísť bez mydla a rastlinného oleja, ale na porovnanie budete potrebovať niekoľko rôznych tekutín.
- Pred začatím experimentu sa uistite, že je minca čistá a suchá. Ak použijete mokrú mincu, získate nepresné výsledky.
- Tento experiment neumožňuje vypočítať povrchové napätie; možno ho použiť iba na porovnanie povrchového napätia rôznych kvapalín.
2 Pokvapkajte jednu kvapku tekutiny naraz na povrch mince. Položte mincu na uterák alebo iný povrch, ktorý môže zvlhnúť. Do pipety nalejte prvú tekutinu a potom pomaly kvapnite jednu kvapku na mincu. Pri tom počítajte kvapky. Pokračujte, kým sa tekutina nerozleje mimo mincu.
- Zaznamenajte si, koľko kvapiek trvalo, kým sa tekutina vyliala mimo mincu.
3 Tento postup zopakujte s rôznymi tekutinami. Mince očistite a vysušte pri každej výmene tekutiny. Tiež vysušte povrch, na ktorý mincu položíte. Pred novým experimentom použite iné pipety alebo pipetu vyčistite.
- Skúste do vody pridať trochu mydla, potom kvapnite vodu na mincu a uvidíte, či sa zmení povrchové napätie.
4 Porovnajte počet kvapiek potrebných na naplnenie mince rôznymi tekutinami. Skúste experiment zopakovať s rovnakou kvapalinou niekoľkokrát, aby ste zistili, či sú výsledky presné. Priemer výsledkov: Pridajte počet kvapiek v rôznych experimentoch a celkový podiel vydelte počtom experimentov. Napíšte, koľko kvapiek bolo potrebných na naplnenie mince rôznymi tekutinami.
- Čím viac kvapiek danej tekutiny je potrebných na naplnenie mince, tým vyššie je povrchové napätie tejto kvapaliny.
- Prostriedok na umývanie riadu znižuje povrchové napätie vody; po pridaní mince minie menej kvapiek.