Sådan måles overfladespænding

Indhold

Trin
Metode 1 af 3: Brug af en vippearm
Metode 2 af 3: Ved kapillær effekt
Metode 3 af 3: Sådan bestemmes relativ overfladespænding ved hjælp af en mønt
Hvad har du brug for

Overfladespænding beskriver en væskes evne til at modstå tyngdekraften. For eksempel danner vand på en bordplade dråber, da vandmolekyler tiltrækkes af hinanden, hvilket modvirker tyngdekraften. Det skyldes overfladespænding, at tungere genstande, såsom insekter, kan holdes på vandoverfladen. Overfladespænding måles i kraft (N) divideret med længdenhed (m) eller energi pr. Arealenhed. Kraften, hvormed vandmolekyler interagerer (kohesionskraft) skaber spændinger, hvilket resulterer i vanddråber (eller andre væsker). Overfladespænding kan måles med et par enkle ting, der findes i næsten alle hjem og en lommeregner.

Trin

Metode 1 af 3: Brug af en vippearm

1 Skriv ligningen for overfladespænding ned. I dette eksperiment er ligningen til bestemmelse af overfladespændingen som følger: F = 2Sd, hvor F - kraft i newton (N), S - overfladespænding i newton pr. meter (N / m) d er længden af nålen, der blev brugt i forsøget. Lad os udtrykke overfladespændingen fra denne ligning: S = F / 2d.
- Kraften beregnes ved afslutningen af forsøget.
- Inden eksperimentet startes, skal du bruge en lineal til at måle nålens længde i meter.
2 Byg en lille vippearm. Dette eksperiment bruger en vippearm og en lille nål, der flyder på overfladen af vandet for at bestemme overfladespændingen.Det er nødvendigt omhyggeligt at overveje konstruktionen af vippearmen, da nøjagtigheden af resultatet afhænger af det. Du kan bruge forskellige materialer, det vigtigste er at lave en vandret stang af noget hårdt: træ, plast eller tykt pap.
- Bestem midten af stangen (f.eks. En halm- eller plastlineal), som du skal bruge som en tværstang, og bor eller stans et hul på dette sted; dette vil være støttepunktet i tværstangen, hvor det vil rotere frit. Hvis du bruger et plastikstrå, skal du blot gennembore det med en nål eller søm.
- Bor eller stans huller i enderne af tværbjælken, så de er lige langt fra midten. Før trådene gennem hullerne for at hænge vægtskålen og nålen.
- Støt strålen om nødvendigt med bøger eller andre hårdt nok genstande til at holde strålen vandret. Det er nødvendigt, at tværstangen roterer frit omkring et søm eller en stang, der sidder fast i midten.
3 Tag et stykke aluminiumsfolie og rul det sammen til en æske eller underkopform. Det er slet ikke nødvendigt, at denne underkop har en regelmæssig firkantet eller rund form. Du vil fylde den med vand eller en anden vægt, så sørg for at den kan bære vægten.
- Hæng en kasse eller tallerken af folie fra den ene ende af stangen. Lav små huller langs kanterne af underkoppen og træk igennem dem, så underkanten hænger fra stangen.
4 Hæng en nål eller papirclips fra den anden ende af stangen, så den er vandret. Bind en nål eller papirclips vandret til tråden, der hænger i den anden ende af stangen. For at forsøget skal lykkes, er det nødvendigt at placere nålen eller papirclippet nøjagtigt vandret.
5 Læg noget på stangen, såsom plasticine, for at balancere aluminiumsfoliebeholderen. Inden eksperimentet startes, er det nødvendigt at sikre, at tværstangen er placeret vandret. Folietallerkenen er tungere end nålen, så stangen på siden af underkoppen falder ned. Fastgør nok plasticine til den modsatte side af stangen, så den er vandret.
- Dette kaldes balancering.
6 Læg den dinglende nål eller papirclips i en beholder med vand. Dette trin vil kræve yderligere indsats for at placere nålen på overfladen af vandet. Sørg for, at nålen ikke synker ned i vandet. Fyld en beholder med vand (eller en anden væske med ukendt overfladespænding) og læg den under hængende nål, så nålen er direkte på væskens overflade.
- Sørg for, at rebet, der holder nålen, forbliver på plads og er tilstrækkeligt stramt.
7 Afvej et par stifter eller en lille mængde målte vanddråber i lille skala. Du tilføjer en nål eller en dråbe vand til aluminiumskålen på vippekassen. I dette tilfælde er det nødvendigt at kende den nøjagtige vægt, hvor nålen kommer fra overfladen af vandet.
- Tæl antallet af stifter eller vanddråber og vej dem.
- Bestem vægten af en nål eller en dråbe vand. For at gøre dette skal du dividere den samlede vægt med antallet af stifter eller dråber.
- Antag, at 30 stifter vejer 15 gram, derefter 15/30 = 0,5, det vil sige, at en nål vejer 0,5 gram.
8 Tilsæt nåle eller vanddråber en ad gangen i en aluminiumsfolie -tallerken, indtil nålen kommer ud af overfladen af vandet. Tilsæt en nål eller en dråbe vand gradvist. Se nålen omhyggeligt for ikke at gå glip af det øjeblik, hvor den efter den næste vægtforøgelse kommer af vandet. Når nålen kommer ud af væskens overflade, skal du stoppe med at tilføje stifter eller vanddråber.
- Tæl antallet af stifter eller vanddråber, der fik nålen i den modsatte ende af baren til at komme ud af overfladen af vandet.
- Skriv resultatet ned.
- Gentag eksperimentet flere (5 eller 6) gange for at få mere præcise resultater.
- Beregn gennemsnittet af de opnåede resultater. For at gøre dette skal du tilføje antallet af stifter eller dråber i alle eksperimenter og dividere det totale med antallet af eksperimenter.
9 Konverter antallet af stifter til styrke. For at gøre dette skal du gange antallet af gram med 0,00981 N / g. For at beregne overfladespændingen skal du kende den kraft, der kræves for at løfte nålen fra vandoverfladen. Da du tællede vægten af stifterne i det foregående trin for at bestemme kraften, skal du blot gange denne vægt med 0,00981 N / g.
- Gang antallet af stifter i underkoppen med vægten af en nål. For eksempel, hvis du lægger i 5 pins hver vejer 0,5 gram, er deres samlede vægt 0,5 gram / pin = 5 x 0,5 = 2,5 gram.
- Gang antallet af gram med en faktor på 0,00981 N / g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.
10 Sæt disse værdier i ligningen og find den værdi, du leder efter. Resultaterne opnået under forsøget kan bruges til at bestemme overfladespændingen. Du skal bare tilslutte de værdier, du finder, og beregne resultatet.
- Lad os sige i eksemplet ovenfor, nålens længde er 0,025 meter. Ved at substituere værdierne i ligningen får vi: S = F / 2d = 0,025 N / (2 x 0,025) = 0,05 N / m. Således er væskens overfladespænding 0,05 N / m.

Metode 2 af 3: Ved kapillær effekt

1 Lær mere om kapillæreffekten. For at forstå kapillærfænomener skal man først blive fortrolig med vedhæftnings- og samhørighedskræfterne. Adhæsion får væsken til at klæbe til en hård overflade, f.eks. Glas. På grund af samhørighedskraften tiltrækkes væskens molekyler til hinanden.Den kombinerede virkning af vedhæftnings- og samhørighedskræfterne får væsken til at stige i tynde rør.
- Fra højden af væskens stigning i røret kan overfladespændingen af denne væske beregnes.
- Sammenhængende kræfter fører til dannelse af bobler og dråber på overfladen. Når en væske kommer i kontakt med luft, tiltrækkes væskens molekyler til hinanden, hvilket resulterer i dannelse af en boble.
- Adhæsion fører til dannelsen af en menisk, som er mærkbar ved væskens berøringspunkter med glasets vægge. Meniskens konkave form er synlig for det blotte øje.
- Et eksempel på en kapillær effekt er hævning af en væske i et sugerør, der lægges i et glas vand.
2 Skriv ligningen ned til bestemmelse af overfladespændingen. Overfladespændingen beregnes som følger: S = (ρhga / 2), hvor S - overfladespænding, ρ - densiteten af den undersøgte væske h - væskens højde i røret, g - acceleration af tyngdekraften på grund af tyngdekraften, der virker på væsken (9,8 m / s) -en er radius af kapillarrøret.
- Når data indsættes i denne ligning, skal du sørge for, at de udtrykkes i metriske enheder: tæthed i kg / m, højde og radius i meter, acceleration på grund af tyngdekraften i m / s.
- Hvis væskens densitet ikke er givet på forhånd, kan den findes i håndbogen eller beregnes ved hjælp af formeltætheden = masse / volumen.
- Overfladespænding måles i newton pr. Meter (N / m). Newton er lig med 1 kg * m / s. For uafhængigt at bestemme måleenhederne skal du blot erstatte dem i ligningen uden numeriske værdier: S = kg / m * m * m / s * m.Hvis vi reducerer to meter i tæller og nævner, får vi 1 kg * m / s / m, det vil sige 1 N / m.
3 Hæld væske med ukendt overfladespænding i beholderen. Tag en lav tallerken eller skål og hæld væsken i den, så den dækker bunden med 2 til 3 centimeter. Mængden af væske er ligegyldig, det vigtigste er, at det er tydeligt synligt, hvor meget det vil stige i kapillarrøret.
- Hvis du vil eksperimentere med forskellige væsker, skal du rengøre og tørre pladen grundigt, før du hælder en anden væske i den, eller brug en anden beholder hver gang.
4 Dyp et rent, tyndt rør i væsken. Fra højden af væskestigningen i dette rør bestemmer du overfladespændingen.Hold slangen fri, så du tydeligt kan se, hvor høj væsken stiger over dens niveau i fadet. Derudover skal røret have en konstant radius.
- For at måle radius skal du blot placere en lineal mod toppen af røret og bestemme diameteren. Derefter divideres diameteren med 2, og du finder radius.
5 Mål den højde, væsken er steget over niveauet i pladen. Flyt linealens kant til overfladen af væsken i bakken og bestem, hvor højt væsken er steget i røret. Vandet i røret stiger, fordi overfladespændingens løftekraft overstiger tyngdekraftens trækkraft.
6 Sæt disse værdier i ligningen og foretag beregningerne. Når du har bestemt alle de nødvendige værdier, skal du tilslutte dem til ligningen og finde overfladespændingen. Sørg for at konvertere alle værdier til metriske enheder for at få det korrekte resultat.
- Antag, at vi måler vandets overfladespænding. Vandets tæthed er ca. 1 kg / m3 (i dette eksempel bruger vi omtrentlige værdier). Accelerationen på grund af tyngdekraften er 9,8 m / s. Lad rørets radius være 0,029 m, og vandet er steget til en højde på 0,5 m. Hvad er vandets overfladespænding?
- Erstat de opnåede værdier i ligningen og få: S = (ρhga / 2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5) / 2 = 0,1421 / 2 = 0,071 J / m.

Metode 3 af 3: Sådan bestemmes relativ overfladespænding ved hjælp af en mønt

1 Saml alt hvad du har brug for. Til dette eksperiment skal du bruge en pipette, en tør mønt, vand, en lille skål, opvaskemiddel, vegetabilsk olie og et håndklæde. Alle disse kan findes hjemme eller købes i din lokale butik. Du kan undvære opvaskemiddel og vegetabilsk olie, men du skal bruge et par forskellige væsker til sammenligning.
- Sørg for, at mønten er ren og tør, inden du starter eksperimentet. Hvis du bruger en våd mønt, får du unøjagtige resultater.
- Dette eksperiment tillader ikke beregning af overfladespændingen; det kan kun bruges til at sammenligne overfladespændingen af forskellige væsker.
2 Drop en dråbe væske ad gangen på møntens overflade. Læg mønten på et håndklæde eller en anden overflade, der er sikker på at blive våd. Tag den første væske i pipetten, og påfør derefter langsomt en dråbe på mønten. Når du gør dette, skal du tælle dråberne. Fortsæt, indtil væske spildes uden for mønten.
- Registrer, hvor mange dråber det tog for væsken at spilde uden for mønten.
3 Gentag denne procedure med forskellige væsker. Rengør og tør mønten hver gang du skifter væske. Tør også overfladen, som du placerer mønten på. Brug forskellige pipetter eller rengør pipetten inden et nyt eksperiment.
- Prøv at tilføje lidt opvaskemiddel til vandet, dryp derefter vand på en mønt og se om overfladespændingen ændres.
4 Sammenlign antallet af dråber, der kræves for forskellige væsker til at fylde en mønt. Prøv at gentage forsøget med den samme væske flere gange for at se, om resultaterne er korrekte. Gennemsnit af resultaterne: Tilføj antallet af dråber i forskellige forsøg og divider det samlede med antallet af forsøg. Skriv ned, hvor mange dråber det tog for de forskellige væsker at fylde mønten.
- Jo flere dråber af en given væske der kræves for at fylde en mønt, jo højere er denne væskes overfladespænding.
- Opvaskemiddel sænker vandets overfladespænding; tilføjer det vil tage færre dråber at fylde mønten.