Jadranka Vujčić - Određjivanje površinske napetosti - "Split 3" Split

Učenici:
Luka Luketin (8 razr.)
Zvonimir Boban (7 razr.)
OŠ “Dobri“
Kliška 25
21000 Split
Mentor:
Jadranka Vujčić

1. Uvod
�Zašto neki insekti uspijevaju klizati na vodi umjesto da potonu?
�Zašto šivaća igla ili lagani metalni novčić ostanu na površini vode?
�Zašto možemo praviti mjehure sa sapunicom, a ne s vodom iz slavine?
�Zašto se voda penje u tankoj cijevi?
2

�Površina tvari ima posebna svojstva. Ta svojstva dopuštaju
ove neobične fenomene koje smo spomenuli.
�Ne samo to, površina je također mjesto dodira različitih
tvari.
�Svojstva površine su tako posebna i važna da postoji i
grana znanosti, FIZIKA POVRŠINA, posvećena
proučavanju fenomena površine.
3

2. Teorija
�Slobodna se površina vode a isto tako i mnogih drugih
tekućina, ponaša kao da se na njoj nalazi napeta elastična
opna, koja sprečava da teška tijela potonu.
�Na molekulu u tekućini djeluju privlačne sile susjednih
molekula. One djeluju sa svih strana pa je rezultantna sila
na dotičnu molekulu jednaka nuli.
�Na molekulu na površini tekućine djeluju samo privlačne
sile molekula u tekućini.
4

Objašnjenje te pojave daje ova shema privlačnih sila među
molekulama:
Sila na molekulu na površini tekućine:
1. Komponente paralelne s površinom tekućine se poništavaju
2. Komponente okomite na površinu tekućine imaju rezultantu prema
unutrašnjosti tekućine
5

DEFINICIJA:
Napetost površine odnosno koeficijent površinske napetosti
γ definiramo kao silu F koja djeluje okomito na rub
tekućine duljine l, tangencijalno površini tekućine.
γ
=
F
l
6

Kapilarnost
Rast ili spuštanje razine tekućine u tankoj cijevi zove se
kapilarnost.
�Tanke cijevi s unutrašnjim promjerom manjim od 4 mm,
zovemo kapilarnim cijevima.
� Uronimo li tanku cijev u vodu tekućina će se podići. Tu
pojavu zovemo kapilarna elevacija.
� Uronimo li je u živu, tekućina će se spustiti pa kažemo da
se radi o kapilarnoj depresiji.
7

Kapilarna elevacija
�Napetost površine određuje se promatranjem podizanja
tekućine u kapilari.
�Razina tekućine u kapilari razlikovat će se od razine izvan
kapilare.
�Visina stupca tekućine ovisi o:
• napetosti površine tekućine
• graničnom kutu između tekućine i stjenke
• radijusu kapilarne cjevčice
• gustoći tekućine
• ubrzanju sile teže
8

�Površinska napetost drži težinu stupca tekućine u kapilari
�Sila koja drži težinu stupca dana je izrazom:
F = γ ⋅
l
9

�Izjednačavanje težine tekućine u kapilari i sile nastale
zbog površinske napetosti:
F
γ ⋅ l
=
=
γ ⋅ 2rπ
=
G
m
g
ρ ⋅V
γ ⋅ 2rπ
= ρ ⋅ r
⋅
2
⋅
g
π ⋅
h
⋅
g
10

�Formula površinske napetosti:
�Ne smijemo potpuno zanemariti kut između tekućine i
kapilare. Točnija formula glasi:
γ =
1
γ = r ⋅ ρ ⋅ g ⋅
2
h
1 ⎛ r ⎞
r ⋅ ρ ⋅ g ⋅ h⋅
⎜1+
⎟
2 ⎝ 3h
⎠
11

3. Pokus
Cilj
o ovisnost visine tekućine u kapilari o polumjeru kapilare
o odrediti površinske napetosti danih tekućina
o usporediti njihove površinske napetosti
12

Zadatak
o Pokusom provjeriti kako visina tekućine u kapilari ovisi o
polumjeru kapilarne cjevčice. Isti pokus ponoviti za 3
različite tekućine (voda, ulje, alkohol).
o Iz dobivenih rezultata i koristeći formulu iz teorijskog
dijela izračunati površinske napetosti danih tekućina.
o Na kraju napraviti usporedbu površinskih napetosti vode,
ulja i alkohola.
13

Pribor:
� kapilarne cijevi (5)
� menzura (3)
� staklena posuda (3)
� laboratorijski stalak (1)
� milimetarska skala (1)
14

Postupak
� Staklenu posudu napunimo otprilike do polovice tekućinom
čiju kapilarnost ispitujemo
� Dobro očišćenu kapilarnu cijev uronimo u menzuru u kojoj
se nalazi tekućina
� Gornji kraj kapilare začepim prstom te izvadim iz menzure
� Uronim kapilarnu cijev u tekućinu u staklenoj posudi koju
učvrstim za stalak te prst otpustim
� Visinu stupca tekućine mjerimo pomoću milimetarske skale
ugrađene na stalku
� Izračunati površinske napetosti iz dobivenih visina
(izračunati srednju vrijednost i odstupanje za svaku
tekućinu s obzirom na 5 kapilarnih cjevčica)
15

Mjerenja i račun
Mjerni uređaj za metodu
kapilarne elevacije
Destilirana voda, alkohol,
ulje
16

�Tablica mjerenih podataka za visinu stupca tekućine i
polumjera kapilare
r = 1.1 mm r = 1.2 mm r = 1.4 mm r = 1.6 mm r = 1.7 mm
Voda 12 mm 11 mm 9 mm 8 mm 7.5 mm
Alkohol 5.5 mm 4.5 mm 4 mm 3.5 mm 3 mm
Ulje 6.5 mm 5.5 mm 4.5 mm 4mm 4 mm
17

�Ovisnost visine stupca tekućine o polumjeru kapilare
(h-r graf)
h (mm)
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8
r (mm)
Voda
Alkohol
Ulje
18

Gustoće tekućina:
ρ
ρ
ρ
VODA
=
ALKOHOL
ULJE
=
998
=
918
kg
m
760
kg
m
3
3
kg
m
3
19

� Tablica izračunatih podataka za koeficijent površinske
napetosti
r = 1.1 mm r = 1.2 mm r = 1.4 mm r = 1.6 mm r = 1.7 mm
Voda 0.066 N/m 0.067 N/m 0.065 N/m 0.066 N/m 0.067 N/m
Alkohol 0.024 N/m 0.022 N/m 0.023 N/m 0.024 N/m 0.023 N/m
Ulje 0.034 N/m 0.031 N/m 0.031 N/m 0.032 N/m 0.035 N/m
20

�Ovisnost površinske napetosti o polumjeru kapilare
(γ-r graf)
y (N/m)
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8
r (mm)
Voda
Alkohol
Ulje
21

�Tablica podataka dobivenih izračunavanjem srednjih
vrijednosti i odstupanja
TEKUĆINA: POVRŠINSKA NAPETOST:
VODA (0.0662 ± 0.0012) N/m
ALKOHOL (0.0232 ± 0.0012) N/m
ULJE (0.0326 ± 0.0024) N/m
22

Analiza
1. Povećavajući polumjer kapilare visina stupca u kapilari se
smanjuje
2. Površinska napetost vode je najveća dok je kod alkohola
najmanja
23

4. Zaključak
� Rezultati pokazuju da glavni faktor koji određuje površinsku
napetost su međumolekulske sile unutar tekućine
� Površinska napetost je vrlo važna prirodna pojava i njezino
proučavanje je važno, a ujedno i zanimljivo.
� Pokazali smo da se i uz pomoć jednostavnih pomagala i
pokusa može puno toga zaključiti o jednoj složenoj pojavi.
24

Literatura:
1. Nikola Cindro: Fizika I
Mehanika – Valovi – Toplina
ŠK – Zagreb, 1975.
2. Rudolf Krsnik: Fizika za I. razred gimnazije
ŠK – Zagreb, 1994.
3. http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/surten.html
Surface Tension
25