Hvordan måle overflatespenning

Innhold

Trinn
Metode 1 av 3: Bruk en vippearm
Metode 2 av 3: Ved kapillær effekt
Metode 3 av 3: Hvordan bestemme relativ overflatespenning ved bruk av en mynt
Hva trenger du

Overflatespenning beskriver evnen til en væske til å motstå tyngdekraften. For eksempel danner vann på en bordplate dråper ettersom vannmolekyler tiltrekkes av hverandre, noe som motvirker tyngdekraften. Det er på grunn av overflatespenning at tyngre gjenstander, for eksempel insekter, kan holdes på overflaten av vannet. Overflatespenning måles i kraft (N) dividert med enhetslengde (m), eller energi per arealenhet. Kraften som vannmolekyler interagerer med (kohesjonskraft) skaper spenning, noe som resulterer i dråper vann (eller andre væsker). Overflatespenning kan måles med noen få enkle ting som finnes i nesten alle hjem og en kalkulator.

Trinn

Metode 1 av 3: Bruk en vippearm

1 Skriv ned ligningen for overflatespenning. I dette eksperimentet er ligningen for å bestemme overflatespenningen som følger: F = 2Sd, hvor F - kraft i newton (N), S - overflatespenning i newton per meter (N / m), d er lengden på nålen som ble brukt i forsøket. La oss uttrykke overflatespenningen fra denne ligningen: S = F / 2d.
- Kraften vil bli beregnet ved slutten av forsøket.
- Før du starter eksperimentet, må du bruke en linjal til å måle lengden på nålen i meter.
2 Bygg en liten vippearm. Dette eksperimentet bruker en vippearm og en liten nål som flyter på overflaten av vannet for å bestemme overflatespenningen.Det er nødvendig å nøye vurdere konstruksjonen av vippearmen, siden nøyaktigheten av resultatet avhenger av den. Du kan bruke forskjellige materialer, det viktigste er å lage en horisontal stang av noe hardt: tre, plast eller tykt papp.
- Bestem midten av stangen (for eksempel et sugerør eller en linjal) som du skal bruke som tverrstang, og bor eller slå et hull på dette stedet; dette vil være støttepunktet i tverrliggeren, der det vil rotere fritt. Hvis du bruker et sugerør av plast, trenger du bare å stikke det gjennom en stift eller spiker.
- Bor eller hull i endene av tverrbjelken slik at de er like langt fra midten. Før trådene gjennom hullene for å henge vektkoppen og nålen.
- Om nødvendig kan du støtte bjelken med bøker eller andre hardt nok gjenstander for å holde strålen horisontal. Det er nødvendig at tverrstangen roterer fritt rundt en spiker eller stang som sitter fast i midten.
3 Ta et stykke aluminiumsfolie og rull det sammen til en eske eller tallerkenform. Det er slett ikke nødvendig at denne tallerkenen har en vanlig firkantet eller rund form. Du vil fylle den med vann eller annen vekt, så sørg for at den tåler vekten.
- Heng en eske eller tallerken med folie fra den ene enden av stangen. Lag små hull langs kantene på fatet og tre gjennom dem slik at fatet henger fra stangen.
4 Heng en nål eller binders fra den andre enden av stangen slik at den er horisontal. Fest en nål eller binders horisontalt til tråden som henger fra den andre enden av stangen. For at forsøket skal lykkes, er det nødvendig å plassere nålen eller binderset nøyaktig horisontalt.
5 Legg noe på stangen, for eksempel plasticine, for å balansere aluminiumsfoliebeholderen. Før du starter eksperimentet, er det nødvendig å sikre at tverrstangen er plassert horisontalt. Folietallerkenen er tyngre enn nålen, så stangen på siden av fatet vil falle ned. Fest nok plasticine til motsatt side av stangen slik at den er horisontal.
- Dette kalles balansering.
6 Legg nålen eller binderen i en beholder med vann. Dette trinnet vil kreve ytterligere innsats for å plassere nålen på overflaten av vannet. Pass på at nålen ikke synker ned i vannet. Fyll en beholder med vann (eller en annen væske med ukjent overflatespenning) og legg den under hengende nål slik at nålen er direkte på overflaten av væsken.
- Sørg for at tauet som holder nålen forblir på plass og er tilstrekkelig stramt.
7 Vei noen pinner eller en liten mengde målte vanndråper i liten skala. Du vil legge til en tapp eller en dråpe vann til aluminiumsskålen på vippen. I dette tilfellet er det nødvendig å vite den nøyaktige vekten som nålen kommer fra vannoverflaten.
- Tell antall pinner eller vanndråper og vei dem.
- Bestem vekten av en pinne eller en dråpe vann. For å gjøre dette, del totalvekten med antall pinner eller dråper.
- Anta at 30 pinner veier 15 gram, deretter 15/30 = 0,5, det vil si at en pinne veier 0,5 gram.
8 Legg pinner eller vanndråper en om gangen i en aluminiumsfolie -tallerken til nålen kommer av overflaten av vannet. Tilsett en pinne eller en dråpe vann gradvis. Se på nålen nøye for ikke å gå glipp av øyeblikket da den etter neste vektøkning kommer av vannet. Når nålen kommer av overflaten av væsken, slutter du å legge til pins eller vanndråper.
- Tell antall pinner eller vanndråper som forårsaket at nålen i motsatt ende av stangen kom ut av overflaten av vannet.
- Skriv ned resultatet.
- Gjenta eksperimentet flere (5 eller 6) ganger for å få mer nøyaktige resultater.
- Beregn gjennomsnittet av oppnådde resultater. For å gjøre dette, legg til antall pinner eller dråper i alle eksperimentene og del summen med antall eksperimenter.
9 Konverter antall pinner til styrke. For å gjøre dette, multipliser antall gram med 0,00981 N / g. For å beregne overflatespenningen må du kjenne kraften som kreves for å løfte nålen fra overflaten av vannet. Siden du teller vekten av pinnene i forrige trinn for å bestemme kraften, trenger du bare å multiplisere vekten med 0,00981 N / g.
- Multipliser antall pinner i fatet med vekten av en pinne. For eksempel, hvis du legger inn 5 pins hver som veier 0,5 gram, er totalvekten 0,5 gram / pin = 5 x 0,5 = 2,5 gram.
- Multipliser antall gram med en faktor på 0,00981 N / g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.
10 Koble disse verdiene til ligningen og finn verdien du leter etter. Resultatene oppnådd under eksperimentet kan brukes til å bestemme overflatespenningen. Bare koble til verdiene du finner og beregne resultatet.
- La oss si i eksemplet ovenfor at lengden på nålen er 0,025 meter. Ved å erstatte verdiene i ligningen får vi: S = F / 2d = 0,025 N / (2 x 0,025) = 0,05 N / m. Dermed er overflatespenningen til væsken 0,05 N / m.

Metode 2 av 3: Ved kapillær effekt

1 Lær om kapillæreffekten. For å forstå kapillærfenomener må man først bli kjent med kreftene ved vedheft og kohesjon. Adhesjon får væsken til å feste seg til en hard overflate, for eksempel glass. På grunn av kohesjonskraften tiltrekkes væskens molekyler til hverandre.Den kombinerte virkningen av vedheftskreftene og kohesjonen får væsken til å stige i tynne rør.
- Fra høyden på stigningen av væsken i røret, kan overflatespenningen til denne væsken beregnes.
- Sammenhengende krefter fører til dannelse av bobler og dråper på overflaten. Når en væske kommer i kontakt med luft, tiltrekkes væskens molekyler til hverandre, noe som resulterer i dannelse av en boble.
- Adhesjon fører til dannelse av en menisk, som er merkbar ved væskens berøringspunkter med glassets vegger. Meniskens konkave form er synlig for det blotte øye.
- Et eksempel på en kapillær effekt er heving av en væske i et sugerør som legges i et glass vann.
2 Skriv ned ligningen for å bestemme overflatespenningen. Overflatespenningen beregnes som følger: S = (ρhga / 2), hvor S - overflatespenning, ρ - tettheten av den undersøkte væsken, h - høyden på væsken stiger i røret, g - akselerasjon av tyngdekraften på grunn av tyngdekraften som virker på væsken (9,8 m / s), en er radiusen til kapillarrøret.
- Når du setter inn data i denne ligningen, må du kontrollere at de er uttrykt i metriske enheter: tetthet i kg / m, høyde og radius i meter, akselerasjon på grunn av tyngdekraften i m / s.
- Hvis tettheten til væsken ikke er gitt på forhånd, kan den finnes i håndboken eller beregnes ved hjelp av formeltetthet = masse / volum.
- Overflatespenning måles i newton per meter (N / m). Newton er lik 1 kg * m / s. For uavhengig å bestemme måleenhetene, bare erstatt dem bare i ligningen, uten numeriske verdier: S = kg / m * m * m / s * m.Hvis vi reduserer to meter i teller og nevner, får vi 1 kg * m / s / m, det vil si 1 N / m.
3 Hell væske med ukjent overflatespenning i beholderen. Ta en grunne tallerken eller bolle og hell væsken i den slik at den dekker bunnen med 2 til 3 centimeter. Mengden væske spiller ingen rolle, det viktigste er at det er godt synlig hvor mye den vil stige i kapillarrøret.
- Hvis du skal eksperimentere med forskjellige væsker, må du rengjøre og tørke tallerkenen grundig før du heller en annen væske i den, eller bruk en annen beholder hver gang.
4 Dypp et rent, tynt rør i væsken. Fra høyden på væskestigningen i dette røret, vil du bestemme overflatespenningen.Hold slangen fri, slik at du tydelig kan se hvor høyt væsken vil stige over nivået i fatet. I tillegg må røret ha en konstant radius.
- For å måle radius plasserer du bare en linjal mot toppen av røret og bestemmer diameteren. Del deretter diameteren med 2, så finner du radius.
5 Mål høyden væsken har steget over nivået i platen. Flytt kanten av linjalen til overflaten av væsken i brettet og bestemme hvor høyt væsken har steget i røret. Vannet i røret stiger fordi løftekraften til overflatespenningen overstiger tyngdekraften.
6 Koble disse verdiene til ligningen og gjør beregningene. Etter at du har bestemt alle nødvendige verdier, kobler du dem til ligningen og finner overflatespenningen. Sørg for å konvertere alle verdier til metriske enheter for å få riktig resultat.
- Anta at vi måler overflatespenningen til vann. Vanntettheten er omtrent 1 kg / m3 (i dette eksemplet bruker vi omtrentlige verdier). Akselerasjonen på grunn av tyngdekraften er 9,8 m / s. La rørets radius være 0,029 m, og vannet har steget til en høyde på 0,5 m. Hva er overflatespenningen til vannet?
- Sett inn de oppnådde verdiene 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 av 3: Hvordan bestemme relativ overflatespenning ved bruk av en mynt

1 Samle alt du trenger. For dette eksperimentet trenger du en pipette, en tørr mynt, vann, en liten bolle, oppvaskmiddel, vegetabilsk olje og et håndkle. Alle disse finnes hjemme eller kjøpes i din lokale butikk. Du kan klare deg uten oppvaskmiddel og vegetabilsk olje, men du trenger noen forskjellige væsker til sammenligning.
- Sørg for at mynten er ren og tørr før du starter eksperimentet. Hvis du bruker en våt mynt, får du unøyaktige resultater.
- Dette eksperimentet tillater ikke beregning av overflatespenningen; det kan bare brukes til å sammenligne overflatespenningen til forskjellige væsker.
2 Slipp en dråpe væske om gangen på myntens overflate. Legg mynten på et håndkle eller en annen overflate som er trygg å bli våt. Ta den første væsken inn i pipetten, og legg deretter sakte en dråpe på mynten. Når du gjør dette, teller du dråpene. Fortsett til væske søl utenfor mynten.
- Registrer hvor mange dråper det tok for væsken å søle utenfor mynten.
3 Gjenta denne prosedyren med forskjellige væsker. Rengjør og tørk mynten hver gang du skifter væske. Tørk også overflaten du legger mynten på. Bruk forskjellige pipetter eller rengjør pipetten før et nytt eksperiment.
- Prøv å legge litt oppvaskmiddel i vannet, drypp deretter vann på en mynt og se om overflatespenningen endres.
4 Sammenlign antall dråper som kreves for at forskjellige væsker skal fylle en mynt. Prøv å gjenta eksperimentet med den samme væsken flere ganger for å se om resultatene er nøyaktige. Gjennomsnitt resultatene: Legg til antall dråper i forskjellige eksperimenter og del summen med antall eksperimenter. Skriv ned hvor mange dråper det tok for de forskjellige væskene å fylle mynten.
- Jo flere dråper av en gitt væske som kreves for å fylle en mynt, jo høyere er overflatespenningen til denne væsken.
- Oppvaskmiddel reduserer overflatespenningen til vannet; det vil ta færre dråper å fylle mynten.