Napięcie powierzchniowe

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczenia nr 8 WŁAŚCIWOŚCI CIECZY 1. Cel ćwiczenia Zapoznanie się z wybranyi zagadnieniai dotyczącyi ikrostruktury aterii, w szczególności: zjawisk powierzchniowych cieczy - wyznaczenie współczynnika napięcia powierzchniowego ruchu w lepkich ośrodkach ciągłych - wyznaczenie współczynnika lepkości cieczy Wyznaczenie gęstości cieczy oraz 2. Zagadnienia do przygotowania Oddziaływania iędzycząsteczkowe (spójność, przyleganie enisk, włoskowatość) Mechanizy zjawisk powierzchniowych w cieczach: napięcie powierzchniowe, enisk, włoskowatość, prawo Laplace'a, ciśnienie pod zakrzywioną powierzchnią. Ciecze zwilżające i niezwilżające, oddziaływanie iędzycząsteczkowe (spójność, przyleganie). Zależność napięcia powierzchniowego od teperatury. Metody poiaru: napięcia powierzchniowego: stalagoetryczna, wzniesienia włoskowatego. lepkości - Stokesa Obsługa wagi analitycznej Napięcie powierzchniowe 3. Opis ćwiczenia i przyrządy poiarowe W ćwiczeniu wykorzystane zostaną: 1. Dwie badane ciecze- woda i gliceryna 2. Kapilary 3. Szalki Petriego 4. Stalagoetr - pionowa rurka z kulisty zbiornikie zakończona kapilarą 5. Waga (przed przystąpienie do ważenia należy obowiązkowo zapoznać się z załączoną instrukcja obsługi wagi!) Wypadkową siłę napięcia powierzchniowego ierzyy pośrednio, ierząc ciężar kropli cieczy odrywającej się od kapilary (etoda stalagoetryczna) lub wysokość słupka cieczy wypełniającej kapilarę (etoda wzniesienia włoskowatego). 4. Przebieg ćwiczenia 4.1. Delikatnie połóż spinacz na powierzchnię wody w zlewce. Co widzisz? Zapisz obserwacje i zastanów się jakie są przyczyny obserwowanego zjawiska Dokonaj poiaru napięcia powierzchniowego etodą wzniesienia włoskowatego. 1. Wodę i badane ciecze nalać do ałych szalek Petriego. 2. Zanurzyć kapilarę pionowo inialnie do wody (UWAGA: Jeśli kapilary są dłuższe niż 3 c przełaać je, do powierzchni dotykay gładki końce) głębokość zanurzenia powinna być w przybliżeniu równa 0, trzyać kapilarę w tej pozycji do oentu ustalenia się słupka wody w kapilarze. 3. Wyjąć kapilarę i zierzyć wysokość słupka (h). 4. Czynność 1-3 powtórzyć 5 razy. Te sae czynności powtórzyć z gliceryną. 5. Wyniki zebrać w tabeli Zakład Biofizyki Strona 1

2 Wysokość słupka cieczy [] Lp. Woda Gliceryna Woda + detergent 6. Zużyte kapilary należy składać do osobnego pojenika. 7. Zanotować wartość teperatury otoczenia Dokonaj poiaru napięcia powierzchniowego etodą stalagoetryczną. 1. Zważyć suche szalki Petriego - s. 2. Stalagoetr napełnić cieczą. Pod kapilarę stalagoetru podstawić kolbkę z badaną cieczą, zanurzyć w niej rurkę stalagoetru i za poocą strzykawki wciągnąć do niego ciecz do ok. 3/4 objętości bańki (strzykawki ożna wyjować z wężyków). 3. Pod kapilarę stalagoetru podstawić zważoną szalkę Petriego. Zdjąć strzykawkę z wężyka i zaciskając palcai wężyk regulować dopływ powietrza do układu tak, aby ożna było dokładnie liczyć spadające do szalki krople. Do szalki należy zebrać 30 kropli badanej cieczy. 4. Zważyć naczyńka z cieczą - c 5. Wykonać po cztery poiary dla wody i gliceryny, wyniki zapisać w tabelce wg wzoru poniżej. s c1 c4 Woda Gliceryna 6. Ciecze z szalek wlać z powrote do odpowiednich kolbek Poniżej podane są przykłady występowania napięcia powierzchniowego w naturze. Zapoznaj się z nii. 1. Mycie i pranie: aby woda ogła wnikać iędzy brud a przediot yty, obniżay jej napięcie powierzchniowe przy użyciu ydła lub detergentu. A wiec ydło nie yje, lecz ułatwia ycie wodzie! 2. Płoień świecy i lapki oliwnej jest zasilany paliwe dzięki zjawisku włoskowatości w knocie - zjawisko to zachodzi dzięki napięciu powierzchnioweu. 3. Bardzo czystą ciecz ożna przegrzać powyżej teperatury wrzenia, bo napięcie powierzchniowe ściska ałe pęcherzyki gazu, co utrudnia rozpoczęcie wrzenia. 4. Włosy pędzla zwilżonego cieczą zbierają się raze dzięki napięciu powierzchnioweu, co pozwala na przykład precyzyjnie kaligrafować chińskie piso. 5. Krople deszczu zawdzięczają swój kształt przede wszystki napięciu powierzchnioweu. 6. Drukarki atraentowe straciłyby na precyzji bez napięcia powierzchniowego, które zapobiega rozpryskiwaniu się aleńkich kropelek atraentu. 7. Tkaniny i ebrany wodoodporne nie działałyby bez napięcia powierzchniowego, które utrudnia wodzie przenikanie przez bardzo ałe pory w tych ateriałach. 8. Pająk topik nie ógłby żyć pod wodą nie ogąc groadzić powietrza w podwodny dzwonie z pajęczyny - bez napięcia powierzchniowego powietrze uciekłoby. Zakład Biofizyki Strona 2

3 5. Opracowanie wyników 5.1. Metoda wzniesienia włoskowatego 1. Obliczyć średnią wysokość słupka wody i średnią wysokość słupka gliceryny w kapilarze; 2. Otrzyane wartości podstawić do wzoru (Wyprowadzić jednostkę!): 1 = 2 r gh ρ wody = kg/ 3, ρ cieczy = 1260 kg/ 3 w tep. = 20 o C, proień rurki = 0.7, g - przyspieszenie zieskie, h - średnia wysokość słupka cieczy 5.2. Metoda stalagoetryczna 1. Obliczyć asę jednej kropli badanej cieczy korzystając ze wzorów: i = Uzupełnić tabelę: c s i s [g] c1 [g] c4 [g] [g] Woda Gliceryna 3. Obliczyć napięcie powierzchniowe wody i gliceryny podstawiając do wzoru uzyskane dane (Wyprowadzić jednostkę!): gk R dla H 2 O - R = 3 ; dla gliceryny - R = 2.8, k - odczytać z tablicy (lub wykresu) dla odpowiedniego V/R 3 V Dla obu etod poiarowych wyliczyć wartość napięcia powierzchniowego badanych cieczy i porównać otrzyane wyniki z danyi tablicowyi. Jeśli występują różnice należy podać ich przypuszczalne przyczyny. Porównać dokładność obu etod. Ocenić niepewności poiarów. Wyniki przedstawić w tabeli (±): Wartość napięcia powierzchniowego Tabelaryczna Metodą wzniesienia włoskowatego Metodą stalagoetryczną Woda destylowana Gliceryna Woda + detergent Zakład Biofizyki Strona 3

4 Lepkość cieczy 1. Opis doświadczenia i przyrządów. Układ poiarowy składa się ze szklanej rury wypełnionej badaną cieczą (wodą, gliceryna). Rury zaocowane są na statywach. Na każdy cylindrze uieszczone są wskaźniki odniesienia dla poiaru drogi l, jaką przebywa spadająca kulka. Mierząc prędkość ruchu jednostajnego ożey wyznaczyć współczynnik lepkości. Wzór, z którego należy skorzystać a postać: gdzie: gęstość kulki : k V 2 r g 2 k c, 4 3 r 3 9 v 3 4 r - asa kulki - średnia wartość podana jest na pojeniczku c - gęstość cieczy wyznaczana jest w dalszej części ćwiczenia. v = l/t - prędkość opadania kulki g - przyspieszenie zieskie r proień kulki 2. Poiary. 1. Zierzyć drogę l (iędzy zaznaczonyi pozioai), jaką przebywa kulka. 2. Wykonać poiar średnicy (2r) kulki przy użyciu śruby ikroetrycznej. Poiar wykonać kilka razy i wyznaczyć średnia wartość r i ocenić błąd r Używay jednej kulki dla danej cieczy. 3. Uzupełnić tabelę (opisz sybole, wstaw wartości liczbowe oraz odpowiednią jednostkę w nawiasach kwadratowych): 3 WIELKOŚĆ FIZYCZNA Sybol [jednostka] H2O GLICERYNA r [] r [ ] r [ ] l [ ] l [ ] 4. Wrzucić kulkę do cylindra z cieczą. Zadbać o to, żeby kulka wpadła do cieczy w środku przekroju cylindra tak, aby ruch kulki odbywał się w ożliwie jak największej odległości od ścian cylindra. 5. Zierzyć czas jej opadania kulki iędzy zaznaczonyi pozioai (poiar powtórzyć co najniej 6 razy). Uwaga: Ze względu na zawirowania cieczy powstające podczas ruchu łapy do wyjowania kulki (szczególnie w glicerynie) poiary wykonywać naprzeiennie w wodzie i glicerynie. Kulkę wyjąć z cylindra bezpośrednio po odczytaniu czasu opadania. Następny poiar ożna wykonać po ustaniu zawirowań cieczy. 3. Opracowanie wyników. 1. Na podstawie zierzonych wartości czasu opadania kulki i długości przebytej drogi wyznaczay prędkość kulki (NIE UŚREDNIAMY CZASU!!! Dla każdego czasu liczyy prędkość i współczynnik lepkości. Uśrednienie wartości współczynnika lepkości wykonujey na końcu). 2. Jako błąd poiaru wartości l przyjąć błąd systeatyczny (dokładność przyrządu). Za wartość przyspieszenia zieskiego przyjąć wartość literaturową dla Torunia. Błąd współczynnika lepkości obliczay korzystając ze wzoru na odchylenie standardowe. Zakład Biofizyki Strona 4

5 3. Wykorzystując uzyskane wartości uzupełniay tabelę dla każdej z badanych cieczy: WIELKOSĆ FIZYCZNA SYMBOL r l t v bezwzgl wzgl JEDNOSTKA [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] WARTOŚĆ LICZBOWA 2. WYZNACZANIE GĘSTOŚCI CIECZY 1. Opis doświadczenia i przyrządów. W drugiej części zadania należy wyznaczyć gęstość bezwzględną wody, roztworu NaCl i gliceryny za poocą areoetru oraz gęstość względną roztworu NaCl za poocą piknoetru. Areoetr jest to szklana rurka odpowiednio obciążona w dolnej części. Górna jej część jest zwężona i zaopatrzona w skalę. Piknoetr to szklane naczynie zaykane dokładnie dopasowany korkie, w który uieszczony jest teroetr do ierzenia w czasie poiarów teperatury cieczy. Z boku piknoetru jest raię, przez które przy zaykaniu go wypływa nadiar cieczy. W ćwiczeniu zaiast piknoetru wykorzystuje się kolbkę ze szlifowany korkie, stąd konieczne jest, aby woda i badana ciecz, któryi wypełniane są kolbki iały jednakową teperaturę. Zasada poiaru polega na wyznaczeniu asy wody i asy badanej cieczy o objętości równej objętości wewnętrznej piknoetru w jednakowej teperaturze. Do obliczenia gęstości względnej cieczy wykorzystujey wzór: gdzie 0 asa pustej kolbki c - asa kolbki z badaną cieczą w - asa kolbki z wodą ~ c o, w - - o 2. Poiary. 1. W celu poiaru gęstości bezwzględnej cieczy areoetr uieszcza się w cylindrze z badaną cieczą i odczytuje wartość gęstości w iejscu gdzie pozio cieczy przecina skalę areoetru. (Areoetr przed włożenie do naczynia służącego do jego przechowywania należy osuszyć.) 2. Do poiaru gęstości względnej roztworu NaCl wykorzystujey kolbki ze szlifowany korkie. Ciecze do poiaru bierzey za poocą strzykawki z cylindrów do poiaru lepkości. Po poiarze wleway je ta z powrote 3. Należy wyznaczyć asę o pustej, suchej kolbki wraz z korkie. Następnie napełnić ją po brzegi wodą i wkładać ostrożnie korek tak by nadiar wody wypłynął w czasie jego wkładania. Jeżeli w okolicy korka są pęcherzyki powietrza czynność należy powtórzyć. Wyznaczyć asę kolbki z wodą w. To sao wykonać z badaną cieczą, wyznaczając C, czyli asę kolbki z cieczą. 3. Opracowanie wyników. 1. Porównać gęstości bezwzględne wody, roztworu i gliceryny 2. Obliczyć na podstawie podanego wzoru gęstość względną roztworu NaCl 3. Uzyskane wyniki porównać z odpowiednii danyi zaieszczonyi w tablicach fizycznych. Jeśli występują znaczące różnice iędzy wielkościai uzyskanyi w wyniku poiarów a wielkościai tablicowyi, podać ich przypuszczalne przyczyny. Zakład Biofizyki Strona 5

6 3. PRAWO ARCHIMEDESA 1. Opis doświadczenia i przyrządów. Cele ćwiczenia jest zaobserwowanie w praktyce działania prawa Archiedesa. Układ doświadczalny składa się ze statywu ze skalą, etalowego cylindra zawieszonego na sprężynie ze wskazówką, walca zawieszonego pod cylindre, którego objętość jest równa pojeności cylindra oraz zlewki z wodą. 2. Poiary. Zaznaczy czarną strzałką położenie wskazówki na skali statywu, Zanurzay walec w wodzie destylowanej i czerwoną strzałką zaznaczay na skali statywu nowe położenie wskazówki. Napełniay cylinder wodą i obserwujey zianę położenia wskazówki. 3. Opracowanie wyników. W opracowaniu należy uzasadnić wynik obserwacji. Zakład Biofizyki Strona 6