1.      Wstęp teoretyczny.

Między cząsteczkami cieczy występują siły wzajemnego oddziaływania. Siły te działają wokół każdej cząsteczki w pewnym obszarze, zwanym sferą działania. Średnie odległości cząsteczek w cieczach są znacznie mniejsze niż w gazach i dlatego siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy są o wiele większe niż gazu. Na cząsteczkę znajdującą się wewnątrz cieczy działają siły przyciągania pochodzące od otaczających ją cząsteczek. Ze względu na symetrię sferyczną siły te kompensują się tak, że ich wypadkowa równa się zeru. Rozkład sił działających na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni cieczy jest inny. Siły przyciągania pochodzące od cząsteczek cieczy tworzą wypadkową, która jest skierowana do wnętrza cieczy. Wypadkowa siła działająca na cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy jest skierowana w głąb cieczy. Na skutek tego powierzchnia cieczy kurczy się. Gdy na ciecz nie działają siły zewnętrzne, przyjmuje kształt kuli, tzn. kształt, dla którego stosunek powierzchni do objętości jest najmniejszy. Przeniesienie cząsteczek z wnętrza na powierzchnię cieczy związane jest z wykonaniem pracy przeciw wypadkowej sił międzycząsteczkowych.

Napięciem powierzchniowym s danej cieczy na granicy z inną fazą nazywamy pracę potrzebną do izotermicznego zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę. Napięciem powierzchniowym s nazywamy także siłę styczną do powierzchni cieczy, działającą na jednostkę długości obrzeża powierzchni cieczy.

W układzie SI wymiarem napięcia powierzchniowego s  jest J/m2 lub N/m.

Na granicy cieczy oraz gazu lub ciała stałego obserwuje się zakrzywienie powierzchni cieczy, zwane meniskiem. Menisk jest wynikiem rozkładu sił, które działają na cząsteczki cieczy znajdujące się w pobliżu granic trzech faz: cieczy, gazu i ciała stałego. Siłami kohezji nazywamy siły działające między cząsteczkami tego samego ciała. Siłą adhezji nazywamy siłę działającą między cząsteczkami różnych ciał. Na przykład na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni cieczy i w pobliżu ścianki naczynia (ciała stałego) będą działały siły pochodzące od innych cząsteczek cieczy, cząsteczek ciała stałego i cząsteczek gazu.

Oznaczmy kąt pomiędzy ścianką naczynia a powierzchnią cieczy na styku z ciałem stałym przez g. Jeżeli napięcie powierzchniowe na powierzchni granicznej ciecz-gaz oznaczymy przez s12, na powierzchni granicznej ciecz - ciało stałe s13 oraz na powierzchni granicznej gaz - ciało stałe przez s23, możemy ustalić związek między tymi wielkościami, który przedstawia się następująco:

Jeżeli napięcie s23 > s13, to ,wtedy menisk jest wklęsły i zachodzi przypadek zwilżania ścianek naczynia. Jeżeli natomiast napięcie s23 < s13, to menisk jest wypukły i nie ma zwilżania.

Dzięki istnieniu napięcia powierzchniowego pod zakrzywiona powierzchnią cieczy działa dodatkowe ciśnienie. Według Laplace'a to dodatkowe ciśnienie określa wzór:

gdzie: R1 i R2 - promienie krzywizny prostopadłych względem siebie przekrojów normalnych, dla których promienie krzywizny przyjmują wartości ekstremalne. Promienie R1 i R2uważamy za dodatnie, gdy środki krzywizn przekrojów normalnych znajdują się po stronie cieczy, za ujemne zaś, gdy są po stronie przeciwnej. W związku z tym dla menisku wklęsłego Dp<0, a dla menisku wypukłego Dp>0. Dodatkowe ciśnienie jest zawsze skierowane w kierunku środka krzywizny menisku. Gdy R1 = R2 = R (wycinek powierzchni kuli), wtedy  . Takie jest dodatkowe ciśnienie wewnątrz pęcherzyka gazu o promieniu R, gdy znajduje się on tuż pod powierzchnią cieczy. W cienkich kapilarach dodatkowe ciśnienie pod zakrzywioną powierzchnią powoduje wznoszenie się cieczy, gdy menisk jest wklęsły (zwilżanie) i opadanie cieczy, gdy menisk jest wypukły (brak zwilżania).

2.              Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z prostymi metodami pomiaru napięcia powierzchniowego cieczy i ocena dokładności tego pomiaru.

Pomiarów dokonaliśmy dwoma sposobami:

1.       Metodą odrywania

2. Metodą pęcherzykową

3.              Przebieg ćwiczenia:

3.1.1        Wyznaczanie napięcia powierzchniowego metodą odrywania.

Do pomiaru napięcia powierzchniowego metodą odrywania użyłyśmy płytek metalowych, które są dobrze zwilżane przez ciecz Pomiar napięcia powierzchniowego metodą odrywania polega na pomiarze siły potrzebnej na wyciągnięcie metalowej płytki z cieczy. Po między płytką, która jest dobrze zwilżana przez badaną ciecz a ta cieczą występują dostatecznie duże siły adhezji, aby można było je zmierzyć. Związek miedzy siłą pochodzącą od napięcia powierzchniowego Fn a ciężarem płytki Q i siłą odrywania jest następujący: Fn=F-Q

gdzie:

σ - napięcie powierzchniowe

l  - długość zanurzonej części płytki w momencie odrywania

d - grubość płytki

γ -  kąt miedzy powierzchnią płytki i płaszczyzną styczną do                 powierzchni cieczy.

W przypadku cieczy zwilżającej metal, na skutek działania sił adhezji, cząsteczki przylegają do metalu i kąt jest w przybliżeniu równy zero, a cos=1. Zatem mamy:

Do pomiaru siły Q i F użyjemy wagi torsyjnej, która pozwala w dokładny pomiar siły oderwania płytki od powierzchni cieczy. Wagę taką przed przystąpienie do pomiaru należy wypoziomować oraz wyzerować. Doświadczenie przeprowadzimy dla dwóch różnych płytek: mosiężnej i aluminiowej, oraz dla dwóch różnych cieczy: wody destylowanej i denaturatu.

a)           Badanie płytki mosiężnej:

d = (0,220,05)mm;                            l = (19,20,1)mm.

-          Wyznaczanie ciężaru płytki.