So messen Sie die Oberflächenspannung

Inhalt

Schritte
Methode 1 von 3: Verwenden eines Kipphebels
Methode 2 von 3: Durch Kapillarwirkung
Methode 3 von 3: So bestimmen Sie die relative Oberflächenspannung mit einer Münze
Was brauchst du

Die Oberflächenspannung beschreibt die Fähigkeit einer Flüssigkeit, der Schwerkraft zu widerstehen. Zum Beispiel bildet Wasser auf einer Tischplatte Tröpfchen, wenn sich Wassermoleküle anziehen, was der Schwerkraft entgegenwirkt. Aufgrund der Oberflächenspannung können schwerere Gegenstände wie Insekten auf der Wasseroberfläche gehalten werden. Die Oberflächenspannung wird in Kraft (N) geteilt durch Längeneinheit (m) oder Energie pro Flächeneinheit gemessen. Die Kraft, mit der Wassermoleküle interagieren (Kohäsionskraft), erzeugt Spannungen, was zu Wassertröpfchen (oder anderen Flüssigkeiten) führt. Die Oberflächenspannung kann mit ein paar einfachen Gegenständen, die in fast jedem Haushalt zu finden sind, und einem Taschenrechner gemessen werden.

Schritte

Methode 1 von 3: Verwenden eines Kipphebels

1 Schreiben Sie die Gleichung für die Oberflächenspannung auf. In diesem Experiment lautet die Gleichung zur Bestimmung der Oberflächenspannung wie folgt: F = 2Sd, wo F - Kraft in Newton (N), S - Oberflächenspannung in Newton pro Meter (N/m), D ist die Länge der im Experiment verwendeten Nadel. Lassen Sie uns die Oberflächenspannung aus dieser Gleichung ausdrücken: S = F / 2d.
- Die Kraft wird am Ende des Experiments berechnet.
- Bevor Sie mit dem Experiment beginnen, messen Sie mit einem Lineal die Länge der Nadel in Metern.
2 Baue einen kleinen Kipphebel. Dieses Experiment verwendet einen Kipphebel und eine kleine Nadel, die auf der Wasseroberfläche schwimmt, um die Oberflächenspannung zu bestimmen.Die Konstruktion des Kipphebels muss sorgfältig geprüft werden, da die Genauigkeit des Ergebnisses davon abhängt. Sie können verschiedene Materialien verwenden, die Hauptsache ist, eine horizontale Stange aus etwas Hartem herzustellen: Holz, Kunststoff oder dicker Pappe.
- Bestimmen Sie die Mitte der Stange (zum Beispiel ein Strohhalm oder ein Plastiklineal), die Sie als Querstange verwenden möchten, und bohren oder stanzen Sie an dieser Stelle ein Loch; Dies ist der Drehpunkt der Querstange, an dem sie sich frei drehen kann. Wenn Sie einen Plastikstrohhalm verwenden, durchstechen Sie ihn einfach mit einer Nadel oder einem Nagel.
- Bohren oder stanzen Sie Löcher in die Enden des Querträgers, damit sie gleichmäßig von der Mitte entfernt sind. Führen Sie die Fäden durch die Löcher, um den Gewichtsbecher und die Nadel aufzuhängen.
- Stützen Sie den Balken bei Bedarf mit Büchern oder anderen Gegenständen, die hart genug sind, um den Balken horizontal zu halten. Es ist notwendig, dass sich die Querstange frei um einen in der Mitte steckenden Nagel oder Stab dreht.
3 Nehmen Sie ein Stück Alufolie und rollen Sie es zu einer Schachtel oder Untertasse auf. Es ist überhaupt nicht notwendig, dass diese Untertasse eine regelmäßige quadratische oder runde Form hat. Sie werden es mit Wasser oder einem anderen Gewicht füllen, also stellen Sie sicher, dass es das Gewicht tragen kann.
- Hängen Sie eine Dose oder Untertasse aus Alufolie an ein Ende der Stange. Machen Sie kleine Löcher entlang der Ränder der Untertasse und fädeln Sie sie durch, sodass die Untertasse an der Stange hängt.
4 Hängen Sie eine Nadel oder Büroklammer an das andere Ende der Stange, sodass sie waagerecht ist. Binde eine Nadel oder Büroklammer waagerecht an den Faden, der am anderen Ende der Stange hängt. Für ein erfolgreiches Experiment ist es notwendig, die Nadel oder Büroklammer exakt waagerecht zu positionieren.
5 Legen Sie etwas auf die Stange, z. B. Plastilin, um den Aluminiumfolienbehälter auszubalancieren. Vor Beginn des Experiments ist sicherzustellen, dass der Querbalken waagerecht steht. Die Folienuntertasse ist schwerer als die Nadel, sodass die Stange an der Seite der Untertasse nach unten fällt. Bringen Sie genügend Plastilin an der gegenüberliegenden Seite der Stange an, damit sie horizontal ist.
- Dies wird als Ausgleich bezeichnet.
6 Legen Sie die baumelnde Nadel oder Büroklammer in einen Behälter mit Wasser. Dieser Schritt erfordert zusätzliche Anstrengungen, um die Nadel auf der Wasseroberfläche zu positionieren. Achten Sie darauf, dass die Nadel nicht im Wasser versinkt. Füllen Sie einen Behälter mit Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit mit unbekannter Oberflächenspannung) und stellen Sie ihn unter die hängende Nadel, sodass die Nadel direkt auf der Oberfläche der Flüssigkeit liegt.
- Stellen Sie sicher, dass das Seil, das die Nadel hält, an Ort und Stelle bleibt und ausreichend straff ist.
7 Wiegen Sie ein paar Nadeln oder eine kleine Menge abgemessener Wassertropfen in einem kleinen Maßstab. Sie geben eine Nadel oder einen Tropfen Wasser in die Aluminiumuntertasse auf der Wippe. In diesem Fall ist es notwendig, das genaue Gewicht zu kennen, bei dem sich die Nadel von der Wasseroberfläche löst.
- Zählen Sie die Anzahl der Nadeln oder Wassertropfen und wiegen Sie sie.
- Bestimmen Sie das Gewicht einer Nadel oder eines Wassertropfens. Teilen Sie dazu das Gesamtgewicht durch die Anzahl der Pins oder Drops.
- Angenommen, 30 Pins wiegen 15 Gramm, dann ist 15/30 = 0,5, dh ein Pin wiegt 0,5 Gramm.
8 Fügen Sie Nadeln oder Wassertropfen nacheinander in eine Untertasse aus Aluminiumfolie hinzu, bis sich die Nadel von der Wasseroberfläche löst. Fügen Sie nach und nach eine Nadel oder einen Tropfen Wasser hinzu. Beobachten Sie die Nadel genau, um nicht den Moment zu verpassen, in dem sie nach der nächsten Gewichtszunahme aus dem Wasser kommt. Sobald sich die Nadel von der Oberfläche der Flüssigkeit löst, hören Sie auf, Nadeln oder Wassertröpfchen hinzuzufügen.
- Zählen Sie die Anzahl der Nadeln oder Wassertropfen, die dazu geführt haben, dass die Nadel am gegenüberliegenden Ende der Stange von der Wasseroberfläche abgelöst wurde.
- Schreiben Sie das Ergebnis auf.
- Wiederholen Sie das Experiment mehrmals (5 oder 6) um genauere Ergebnisse zu erhalten.
- Berechnen Sie den Durchschnitt der erhaltenen Ergebnisse. Addiere dazu in allen Experimenten die Anzahl der Nadeln oder Tropfen und dividiere die Summe durch die Anzahl der Experimente.
9 Wandle die Anzahl der Pins in Stärke um. Multiplizieren Sie dazu die Grammzahl mit 0,00981 N / g. Um die Oberflächenspannung zu berechnen, müssen Sie die Kraft kennen, die erforderlich ist, um die Nadel von der Wasseroberfläche abzuheben. Da Sie im vorherigen Schritt das Gewicht der Stifte gezählt haben, um die Kraft zu bestimmen, müssen Sie dieses Gewicht nur mit 0,00981 N / g multiplizieren.
- Multiplizieren Sie die Anzahl der Stifte in der Untertasse mit dem Gewicht eines Stifts. Wenn Sie beispielsweise 5 Pins mit einem Gewicht von jeweils 0,5 Gramm einsetzen, beträgt ihr Gesamtgewicht 0,5 Gramm / Pin = 5 x 0,5 = 2,5 Gramm.
- Multiplizieren Sie die Grammzahl mit einem Faktor von 0,00981 N / g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.
10 Setze diese Werte in die Gleichung ein und finde den gesuchten Wert. Die während des Experiments gewonnenen Ergebnisse können verwendet werden, um die Oberflächenspannung zu bestimmen. Geben Sie einfach die gefundenen Werte ein und berechnen Sie das Ergebnis.
- Nehmen wir im obigen Beispiel an, die Länge der Nadel beträgt 0,025 Meter. Einsetzen der Werte in die Gleichung und wir erhalten: S = F / 2d = 0,025 N / (2 x 0,025) = 0,05 N / m. Somit beträgt die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 0,05 N/m.

Methode 2 von 3: Durch Kapillarwirkung

1 Erfahren Sie mehr über den Kapillareffekt. Um Kapillarphänomene zu verstehen, muss man sich zunächst mit den Adhäsions- und Kohäsionskräften vertraut machen. Durch Adhäsion haftet die Flüssigkeit an einer harten Oberfläche wie Glas. Durch die Kohäsionskraft werden die Moleküle der Flüssigkeit angezogen und die kombinierte Wirkung der Adhäsions- und Kohäsionskräfte lässt die Flüssigkeit in dünnen Röhrchen aufsteigen.
- Aus der Steighöhe der Flüssigkeit im Rohr lässt sich die Oberflächenspannung dieser Flüssigkeit berechnen.
- Kohäsionskräfte führen zur Bildung von Blasen und Tröpfchen auf der Oberfläche. Wenn eine Flüssigkeit mit Luft in Kontakt kommt, werden die Moleküle der Flüssigkeit angezogen, wodurch sich eine Blase bildet.
- Die Anhaftung führt zur Bildung eines Meniskus, der sich an den Kontaktstellen der Flüssigkeit mit den Glaswänden bemerkbar macht. Die konkave Form des Meniskus ist mit bloßem Auge sichtbar.
- Ein Beispiel für einen Kapillareffekt ist das Aufsteigen einer Flüssigkeit in einem Strohhalm, der in ein Glas Wasser gelegt wird.
2 Schreiben Sie die Gleichung zur Bestimmung der Oberflächenspannung auf. Die Oberflächenspannung berechnet sich wie folgt: S = (ρhga / 2), wo S - Oberflächenspannung, ρ - Dichte der untersuchten Flüssigkeit, h - die Höhe des Flüssigkeitsanstiegs im Rohr, g - Erdbeschleunigung aufgrund der auf die Flüssigkeit einwirkenden Schwerkraft (9,8 m / s), ein ist der Radius des Kapillarröhrchens.
- Achten Sie beim Einsetzen von Daten in diese Gleichung darauf, dass sie in metrischen Einheiten ausgedrückt werden: Dichte in kg / m, Höhe und Radius in Metern, Erdbeschleunigung in m / s.
- Wenn die Dichte der Flüssigkeit nicht im Voraus angegeben ist, kann sie dem Handbuch entnommen oder mit der Formel Dichte = Masse / Volumen berechnet werden.
- Die Oberflächenspannung wird in Newton pro Meter (N/m) gemessen. Newton ist gleich 1 kg * m / s. Um die Maßeinheiten unabhängig zu bestimmen, setzen Sie einfach nur diese ohne Zahlenwerte in die Gleichung ein: S = kg / m * m * m / s * m. Wenn wir im Zähler und Nenner zwei Meter reduzieren, erhalten wir 1 kg * m / s / m, dh 1 N / m.
3 Gießen Sie Flüssigkeit mit unbekannter Oberflächenspannung in den Behälter. Nehmen Sie einen flachen Teller oder eine Schüssel und gießen Sie die Flüssigkeit hinein, sodass der Boden 2 bis 3 Zentimeter bedeckt ist. Die Flüssigkeitsmenge spielt keine Rolle, Hauptsache, es ist deutlich sichtbar, wie stark sie im Kapillarröhrchen aufsteigt.
- Wenn Sie mit verschiedenen Flüssigkeiten experimentieren, reinigen und trocknen Sie die Platte gründlich, bevor Sie eine andere Flüssigkeit hineingießen, oder verwenden Sie jedes Mal einen anderen Behälter.
4 Tauchen Sie ein sauberes, dünnes Röhrchen in die Flüssigkeit. Aus der Höhe des Flüssigkeitsanstiegs in diesem Rohr bestimmen Sie die Oberflächenspannung.Halten Sie den Schlauch frei, damit Sie deutlich sehen können, wie hoch die Flüssigkeit über ihren Füllstand in der Schüssel steigt. Außerdem muss das Rohr einen konstanten Radius haben.
- Um den Radius zu messen, legen Sie einfach ein Lineal oben auf das Rohr und bestimmen den Durchmesser. Dann dividiere den Durchmesser durch 2 und du findest den Radius.
5 Messen Sie die Höhe, die die Flüssigkeit in der Platte über ihr Niveau gestiegen ist. Bewegen Sie die Kante des Lineals zur Flüssigkeitsoberfläche in der Schale und stellen Sie fest, wie hoch die Flüssigkeit im Röhrchen angestiegen ist. Das Wasser im Rohr steigt auf, weil die Auftriebskraft der Oberflächenspannung die Zugkraft der Schwerkraft übersteigt.
6 Setze diese Werte in die Gleichung ein und führe die Berechnungen durch. Nachdem Sie alle erforderlichen Werte ermittelt haben, setzen Sie sie in die Gleichung ein und ermitteln Sie die Oberflächenspannung. Achten Sie darauf, alle Werte in metrische Einheiten umzurechnen, um das richtige Ergebnis zu erhalten.
- Angenommen, wir messen die Oberflächenspannung von Wasser. Die Dichte des Wassers beträgt ca. 1 kg / m3 (in diesem Beispiel verwenden wir Näherungswerte). Die Erdbeschleunigung beträgt 9,8 m/s. Der Radius der Röhre sei 0,029 m und das Wasser ist auf eine Höhe von 0,5 m angestiegen Wie groß ist die Oberflächenspannung des Wassers?
- Setzen Sie die erhaltenen Werte in die Gleichung ein und erhalten Sie: S = (ρhga / 2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5) / 2 = 0,1421 / 2 = 0,071 J / m.

Methode 3 von 3: So bestimmen Sie die relative Oberflächenspannung mit einer Münze

1 Sammeln Sie alles, was Sie brauchen. Für dieses Experiment brauchst du eine Pipette, eine trockene Münze, Wasser, eine kleine Schüssel, Spülmittel, Pflanzenöl und ein Handtuch. All dies können Sie zu Hause finden oder in Ihrem lokalen Geschäft kaufen. Auf Spülmittel und Pflanzenöl können Sie verzichten, benötigen aber zum Vergleich ein paar verschiedene Flüssigkeiten.
- Stellen Sie sicher, dass die Münze sauber und trocken ist, bevor Sie mit dem Experiment beginnen. Wenn Sie eine nasse Münze verwenden, erhalten Sie ungenaue Ergebnisse.
- Dieser Versuch erlaubt keine Berechnung der Oberflächenspannung, sondern kann nur zum Vergleich der Oberflächenspannung verschiedener Flüssigkeiten verwendet werden.
2 Tropfen Sie jeweils einen Tropfen Flüssigkeit auf die Oberfläche der Münze. Lege die Münze auf ein Handtuch oder eine andere Oberfläche, die sicher nass werden kann. Nehmen Sie die erste Flüssigkeit in die Pipette und geben Sie dann langsam einen Tropfen auf die Münze. Zählen Sie dabei die Tropfen. Fahren Sie fort, bis Flüssigkeit außerhalb der Münze austritt.
- Notieren Sie, wie viele Tropfen es brauchten, bis die Flüssigkeit aus der Münze herausspritzte.
3 Wiederholen Sie diesen Vorgang mit verschiedenen Flüssigkeiten. Reinigen und trocknen Sie die Münze bei jedem Flüssigkeitswechsel. Trocknen Sie auch die Oberfläche, auf die Sie die Münze legen. Verwenden Sie andere Pipetten oder reinigen Sie die Pipette vor einem neuen Experiment.
- Versuchen Sie, etwas Spülmittel in das Wasser zu geben, tropfen Sie dann Wasser auf eine Münze und sehen Sie, ob sich die Oberflächenspannung ändert.
4 Vergleichen Sie die Anzahl der Tropfen, die verschiedene Flüssigkeiten benötigen, um eine Münze zu füllen. Versuchen Sie, das Experiment mit derselben Flüssigkeit mehrmals zu wiederholen, um zu sehen, ob die Ergebnisse korrekt sind. Mittelung der Ergebnisse: Addiere die Anzahl der Tropfen in verschiedenen Experimenten und dividiere die Summe durch die Anzahl der Experimente. Notieren Sie, wie viele Tropfen die verschiedenen Flüssigkeiten benötigt haben, um die Münze zu füllen.
- Je mehr Tropfen einer bestimmten Flüssigkeit benötigt werden, um eine Münze zu füllen, desto höher ist die Oberflächenspannung dieser Flüssigkeit.
- Geschirrspülmittel senkt die Oberflächenspannung des Wassers; Beim Hinzufügen werden weniger Tropfen benötigt, um die Münze zu füllen.