Predloak za laboratorijske vjebe iz Fizike 1 Makroskopske pojave na granici dviju faza

1

Laboratorijska vjeba br. 3

Makroskopske pojave na granici dviju faza

1. Teorijski dio Ako se na povrinu vode oprezno poloi ivaa igla ili tanka metalna ploica, nee potonuti.

Takoer i neki kukci hodaju po povrini vode, a da pritom ne potonu. Razlog tome je to tekuina kao da na svojoj slobodnoj povrini ima koicu, opnu. Ta se prividna opna na povrini tekuine moe donekle i izobliiti, rastegnuti, a da se ne prekine, i kada prestane djelovati sila, opet se vrati u prijanje stanje. Povrinska opna tekuine ponaa se, dakle, kao nategnuta gumena opna. U vrstom tijelu atomi su poredani u kristalnoj reetci i ne mogu se slobodno translacijski gibati, ve samo titrati oko poloaja ravnotee. Suprotno tome, u plinovima atomi (molekule) nisu vezani jedan za drugog i gibaju se kaotino u posudi u kojoj se nalazi plin. U tekuem stanju molekule nisu vezane kao u vrstom stanju, ali ni slobodne kao u plinu. U tekuini su molekule relativno blizu jedna drugoj, te su privlane meumolekularne sile dosta jake sve do odreene udaljenosti, koja se naziva polumjer molekularnog djelovanja, a zatim naglo padnu na nulu. Moe se, dakle smatrati da svaka molekula djeluje na sve ostale koje se nalaze unutar kugle s polumjerom molekularnog djelovanja. Promjer takve kugle je desetak puta vei od udaljenosti izmeu molekula u tekuinama. Molekularne sile izmeu istih tvari esto se zovu kohezijske sile, a sile izmeu molekula razliitih tvari adhezijske sile.

U unutranjosti tekuine (Slika 1.a) molekula je sa svih strana okruena drugim molekulama, te je zbog simetrinog rasporeda rezultantna sila jednaka nuli. To znai da se molekule unutar tekuine ponaaju kao da na njih ne djeluje nikakva sila. Molekule koje se nalaze na povrini tekuine (Slika 2.b) nemaju sloja molekula iznad sebe, te rezultantna sila nije jednaka nuli. Prelaskom iz dubine tekuine u povrinski sloj molekula mora izvriti rad. Time se smanjuje kinetika energija molekule, a poveava potencijalna. Dakle, povrinski sloj ima veu potencijalnu energiju, a kako povrinski sloj mora biti u ravnotei (minimum potencijalne energije), tekuina nastoji smanjiti slobodnu povrinu i javlja se povrinska napetost.

a) b)

Slika 1. Uz objanjenje meumolekularnih sila u fluidu

Za objanjenje napetosti povrine, promotrite pokus s pravokutnim okvirom od ice na kojemu je opna od sapunice (sl.1). Jedna je stranica pravokutnika pomina, i opna e je, u svom nastojanju da se skupi, povui i tako smanjiti povrinu. Na stranicu AB djeluje sila napetosti povrine. Tu silu moe se uravnoteiti vanjskom silom F koja je po iznosu jednaka sili napetosti povrine.

Predloak za laboratorijske vjebe iz Fizike 1 Makroskopske pojave na granici dviju faza

2

Slika 2.

Kako bi se poveala povrina opne, pomini dio AB na sl. 2. polako, djelovanjem vanjske sile F, pomaknemo za x. Pri tom se izvri rad W=Fx. Budui da se opna sastoji od dvije povrine izmeu koje je tanak sloj tekuine, poveanje povrine je S=2lx. Konstanta povrinske napetosti odreena je relacijom :

S

W

= (1)

gdje je W rad potreban za poveanje povrine S. Uzimajui u obzir da je W=Fx i S=2lx, slijedi:

2

F

l = , (2)

gdje je F vanjska sila, l irina opne. Prema tome, sila povrinske napetosti ne ovisi o veliini povrine, te djeluje tangencijalno na povrinu tekuine. Konstanta povrinske napetosti ovisi o vrsti tekuine, temperaturi, te sredstvu s kojim tekuina granii.

Mjerna jedinica za konstantu povrinske napetosti je N/m ili kg/s2. U tabl. 1. dane su vrijednosti konstante povrinske napetosti za nekoliko razliitih tekuina.

Tablica 1.

Tekuina [N/m]

Voda (20V) 0.073

Voda (100C) 0.060

iva (20C) 0.480

Alkohol (20C) 0.022

Petrolej (20C) 0.030 U tabl. 2. dane su vrijednosti za konstantu povrinske napetosti vode za nekoliko razliitih temperatura.

Tablica 2.

t [ C ] [N/m ]

0 0.07440

5 0.07475

10 0.07401

15 0.07376

20 0.07253

30 0.07105

Predloak za laboratorijske vjebe iz Fizike 1 Makroskopske pojave na granici dviju faza

3

Kapilarna elevacija i kapilarna depresija Kada se u neku tekuinu koja se nalazi u posudi uroni tanka cjevica (ili dvije ploice vrlo male udaljenosti), eksperimentalno se pokazuje da se kod nekih tekuina razina u cjevici podigne iznad razine tekuine u posudi, a kod nekih se razina smanji (spusti). Te pojave se nazivaju kapilarna elevacija dizanje, odnosno kapilarna depresija sputanje (sl. 3.)

Npr. ako se uska cjevica (kapilara) uroni u posudu s vodom, voda e ui u kapilaru i podii se do neke visine, te e meniskus vode u kapilari biti konkavan (Sl. 3. a).

a)Kapilarna elevacija b) Kapilarna depresija Slika 3. Objanjenje kapilarnosti

Naprotiv, ako se kapilara uroni u posudu sa ivom (Sl. 3.b), razina ive u kapilari e biti nia od

razine ive u posudi, te e meniskus ive biti konveksan. Obje pojave, koje se zovu kapilarna elevacija i kapilarna depresija, posljedica su napetosti povrine. Ako su adhezivne sile vee od kohezivnih, povrina tekuine poprima konkavni oblik (sl. 4.).

Slika 4. Objanjenje kapilarne elevacije

Pri kapilarnoj elevaciji stupac tekuine u kapilari proizvodi hidrostatski tlak p:

p g h = , (3) gdje je gustoa tekuine, g ubrzanje sile tee, h dubina tekuine na kojoj se odreuje hidrostatski tlak.

Kako je S

Fp = gdje je cos2rF = slijedi:

2 cos

pr

= (4)

Predloak za laboratorijske vjebe iz Fizike 1 Makroskopske pojave na granici dviju faza

4

gdje je r polumjer kapilare, a je okrajni kut, tj. kut koji stijenka posude zatvara s tangentom na povrinu tekuine (za sustav voda-staklo jednak je nuli). Iz gornja dva izraza slijedi da je visina stupca tekuine u kapilari jednaka:

2 cosh

g r

=

, (5)

gdje je konstanta povrinske napetosti tekuine, je okrajni kut, gustoa tekuine, g ubrzanje sile tee, r polumjer kapilare. U sluaju uronjene staklene kapilare u posudu s vodom konstanta povrinske napetost tekuine rauna se prema relaciji:

1

2r g h =

m

N, (6)

gdje je r unutranji polumjer kapilare, gustoa tekuine, g ubrzanje sile tee, h razlika visina stupca tekuine u posudi i kapilari. U sluaju bliskih ploica razmaknutih za d vrijedi:

2

2

hd gd

g

= = , (7)

gdje je konstanta povrinske napetosti tekuine, gustoa tekuine, g ubrzanje sile tee, d udaljenost izmeu ploica.

2. Eksperimentalni dio

Odreivanje konstante povrinske napetosti vode

pomou kapilarne elevacije

Visina stupca tekuine u kapilari odreuje se pomou kapilarne elevacije koja nastaje uranjanjem staklene kapilare u menzuru s vodom.. Prije poetka mjerenja potrebno je izraunati polumjer kapilare r. Polumjer kapilare r izraunat e se pomou relacije:

H

Vr

=

, (8)

gdje je V volumen kapilare, H visina onog dijela kapilare koji odgovara volumenu kapilare V, a konstanta.

U menzuru s vodom se uroni kapilara poznatog volumena i mjeri razlika visine stupca u kapilari i menzuri - h. Konstanta povrinske napetosti tekuine odreuje se pomou relacije (7). U eksperimentu e biti koriteno nekoliko kapilara razliitih volumena.

Predloak za laboratorijske vjebe iz Fizike 1 Makroskopske pojave na granici dviju faza

5

Slika 5. Eksperimentalni postav

Eksperimentalna postava:

Menzura ispunjena destiliranom vodom, kapilara poznatog obujma, ravnalo, termometar.

Postupak pri mjerenju sastoji se od nekoliko koraka:

1. korak: Provjerite eksperimentalni postav. 2. korak: Izmjerite temperaturu destilirane vode. 3. korak: Izmjerite visinu H onog dijela kapilare koji odgovara volumenu V kapilare. 4. korak: Iz priloenog grafikog prikaza oitajte gustou destilirane vode ( ) na toj temperaturi. 5. korak: Izraunajte unutarnji polumjer kapilare r. 6. korak: Uronite kapilaru u menzuru s destiliranom vodom i paljivo oitajte razliku visina

stupca vode u kapilari i menzuri - h. 7. korak: Postupak ponovite za sve raspoloive kapilare.

Napomena:

1. Mjerenje visine stupca vode u kapilari potrebno je obaviti tako da je pri oitavanju razina

vode u kapilari u razini oiju i mjerne skale kako bi se izbjegla sistemska pogreka uslijed

paralakse. 2. Prije mjerenja potrebno je stijenke kapilare ovlaiti vodom nekoliko puta kako pojava

kapilarne elevacije bila to vidljivija. Na grafu 1. dana je ovisnost gustoe vode o temperaturi.

Sveuilite J.J.Strossmayera u Osijeku ELEKTROTEHNIKI FAKULTET

Laboratorijske vjebe iz FIZIKE 1 Makroskopske pojave na granici dviju faza

6

Ime i prezime: Matini broj: Grupa: Datum:

3. Rad u laboratoriju Zadatak 1:

Izmjerite temperaturu destilirane vode _________ Ct = i oitajte sa grafa 1. gustou destilirane vode

na toj temperaturi 3__________ kg/m = . Zadatak 2:

a) Oitajte volumen kapilare V i izmjerite visinu H onog dijela kapilare koji odgovara volumenu V kapilare. Popunite tabl. 4.

Tablica 4.

n 3mV [ ]mH [ ] mr [ ]mh [ ]N/m 1

2

3

4

5

b) Izraunajte unutarnji polumjer kapilare r prema izrazu (8) i upiite dobivenu vrijednost u tabl. 4. c) Uronite kapilaru u menzuru s destiliranom vodom i izmjerite razliku visina stupca vode u kapilari i menzuri - h. Popunite tabl. 4. Zadatak 3:

Prema relaciji (6) izraunajte - vrijednost konstante povrinske napetosti vode. Prikaite samo jedan izraun!