Folyadékok felületi feszültségének mérése
Folyadékok felületi feszültségének mérése
A mérés célja:
- megismerkedni a folyadékok felületi feszültségének néhány mérési módszerével;
- elmélyíteni a felületi feszültséggel kapcsolatos ismere-teket.
Ennek érdekében: - ismertetünk néhány a felületi feszültség mérésére al-kalmas módszert; - az ismertetett módszerek segítségével felületi feszült-séget mérünk; - vizsgáljuk a folyadék felületi feszültségének a hőmér-séklettől és a folyadék összetételétől való függését.
1. Elméleti összefoglaló
Tapasztalati tény, hogy a folyadékfelszín igyekszik a lehető legkisebbre összehúzódni. A folyadékfelszín visel-kedését egy olyan rugalmas hártya viselkedéséhez hason-líthatjuk, amelynek határvonalán erő hat. Ennek alapján a folyadék felszínét határoló görbe bármely l darabjára a felszín érintősíkjában a vonaldarabra merőlegesen
(1)
nagyságú erő hat. Ugyanekkora erő hat a felszín bármely belső, elemien keskeny l hosszúságú ún. vonalelemének mindkét oldalára. Az (1) kifejezésben szereplő arányos-sági tényezőt felületi feszültségnek nevezzük:
(2)
A felületi feszültség az egységnyi vonalhosszúságra ható erő. Mértékegysége Nm-1. A felületi feszültség a folyadék-felszín növeléséhez szükséges munkával is kapcsolatba hozható. A folyadék felszínének A-val való megnövelé-séhez szükséges munka arányos a felület növekedésével és a felületi szabadenergiával:
, (3)
ahol a felületi szabadenergia mértékegysége Jm-2. Be-látható, hogy folyadékok esetében a felületi feszültség egyenlő a felületi szabadenergiával. Ezért a két mennyisé-get gyakran nem különböztetik meg. Az egyenlőség azon-ban kizárólag folyadékok esetén igaz, hiszen a szabad-energia mindig skalár, míg a felületi feszültség általában tenzor (pl. szilárdtestek esetén).
Az, hogy a fenti két mennyiség folyadékok esetén va-lóban egyenlő, az 1. ábrán vázolt kísérlet elemzésével lát-ható be. Az (1) összefüggés szerint a hártya egyik oldalát alkotó l hosszúságú keretdarabra
(4)
nagyságú erő hat. (A 2-es szorzó azt veszi figyelembe, hogy a hártya első és hátsó felszínén is fellép a felületi feszültség.) Ha a keret k-val jelölt, l hosszúságú darabját x-szel elmozdítjuk, és így a hártya felszínét 2lx = A-val megnöveljük, akkor a végzett munka:
(5)
melyet a (3) egyenlettel összevetve az = kapcsolat közvetlenül adódik. A felületi feszültség (első közelítésben) független a felszín alakjától, értéke a folya-dék minőségétől, állapotától valamint attól függ, hogy a szabad felszínnel milyen közeg érintkezik. A táblázatokban található felületi feszültség értékek ál-talában a saját gőzével egyensúlyban lévő folyadékra vo-natkoznak. A felületi feszültség függ a hőmérséklettől, növekvő hőmérséklettel csökken és a kritikus ponton eltű-nik. Ez a viselkedés jól közelíthető az
(6)
Eötvös-formulával, ahol V a folyadék móltérfogata, K az Eötvös-állandó, míg Tc a kritikus hőmérséklet. Mivel a fe-lületi feszültség molekuláris erők következménye értékét erősen módosíthatja a határfelület szennyezettsége.
2. Mérési módszerek
2.1 Felületi feszültség mérése hajszálcső segítségével
Ha nagyobb szabad felületű folyadékba függőlegesen hajszálcsövet mártunk, akkor a cső belsejében a folyadék felszínének szintje a szabad felszín szintjéhez képest eltér. A csőben lévő folyadék szintje akkor magasabb, ha a fo-lyadék a cső falát nedvesíti, és akkor alacsonyabb, ha a fo-lyadék a cső falát nem nedvesíti. (2a ábra) A nedvesítő folyadékoknál a felületi feszültség hatásá-ra fellépő erő a felemelkedett folyadékoszlop súlyával tart egyensúlyt. Ebből levezethető, hogy:
, (7)
ahol h az emelkedés magassága, a folyadék sűrűsége, g a nehézségi gyorsulás, r a cső sugara és a nedvesítési szög. Ideálisan nedvesítő folyadék esetén ( = 0):
. (8)
A mérésnél a csőben lévő folyadékfelszín alsó pontjának magasságát mérjük meg (hm) és az emelkedés magasságát az alábbiak szerint számítjuk.(ld. 2b és 2c ábrák)
. (9)
A nedvesítési szög ismeretében tehát a felületi feszültség egy kapilláris, valamint a (7) és (9) kifejezések segítségé-vel határozható meg.
3.2 Felületi feszültség mérése csepegtetéssel
Ezen mérési módszer alapgondolata az, hogy egy folyadékcsepp lecseppenése akkor következik be, amikor a csepp súlya meghaladja a leszakadási felületnél a felületi feszültségből származó erőt. Ha vastag falú, függőleges, alul síkra csiszolt kapilláris csőből lassan csepegtetjük ki a csövet jól nedvesítő folyadékot, akkor a csepp felszíne az r külső sugarú csővel 2r hosszú darabon érintkezik. Ekkor a felületi feszültségből származó erő legfeljebb G = 2r súlyú cseppet tud megtartani. Valójában a leszakadó csepp súlya a 3. ábrán látható "befűződés" mi-att a fenti értéknél kisebb: G = kr, ahol a k állandó a fe-lületi fesztültségtől, a cső méretétől és a folyadék sűrűsé-gétől függő állandó, értéke 3,8 és 4,5 közötti.
Egy adott eszköz k értékét ismert felületi feszültségű anyagok segítségével határozhatjuk meg. Tájékozódó jel-legű összehasonlító méréseknél a k ismerete mellőzhető, mert ebben az esetben két folyadékra nézve
. (10)
A csepegtetéssel működő felületi feszültség mérő eszkö-zöket sztalagmométereknek nevezzük.
3.3 Felületi feszültség mérés szakításos módszerrel
Egy folyadékba mártott gyűrűt – amelynek anyagát a folyadék nedvesíti – lassan, függőlegesen kiemeljük a fo-lyadékból, és közben folyamatosan mérjük az erőt. (4. áb-ra). Az erő maximális értéke a gyűrű súlyával és a gyűrű-höz tapadó vékony folyadékhártya elszakításához szüksé-ges erővel egyenlő.
A 4a ábrán látható elrendezés esetén:
, (11)
a 4b ábrán látható elrendezés esetén pedig
. (12)
Mérési feladatok:
I. Víz-alkohol oldatok felületi feszültségének mérése csepegteté-ses módszerrel
1. Határozzuk meg a sztalagmométer k készülékállandóját desztillált víz segítségével! A sztalagmométer egy csapos tölcsér. Ne érintsük kézzel a kapilláris zsírtalanított alsó peremét ill. a tölcsér belsejét! A sztalagmométert függőleges helyzetbe rögzítjük, majd a csap elzárása után a tölcsér feléig megtöltjük desztillált vízzel. A csepegtetés megkezdése előtt mérjünk le táramérleggel egy üres műanyag edényt, majd csepegtessünk a pohárba mini-málisan 100 cseppet. A csap óvatos nyitásával a folyadék-áramlást úgy szabályozzuk be, hogy a cseppek kényelmesen számolhatóak legyenek. Az edény visszamérése után 1 csepp átlagtömege, m számolható. Az egyensúly feltételéből gm = kr, ami alapján a desztillált víz felületi feszültségé-nek ismeretében a k készülékállandó meghatározható.
2. Ismételjük meg az 1. feladatot 10 és 20 %-os alkohol oldat-tal! Az oldatcseréhez engedjük le a tölcséres csepegtetőből a folyadékot, töltsük fel a következő oldattal, majd azt is fo-lyassuk ki. Egy újabb (második) feltöltés után az új oldat már mérhető. Az alkoholos oldatok maradékait kérjük a gyűjtőedénybe önteni.
II. Szakításos felületi feszültség mérő beállítása és kalibrálása
3. Állítsuk össze a szakításos felületi feszültség mérőt! Az in-duktív erőmérő elektronikája az erőhatással arányos -10 és +10 V közötti feszültségjelet generál, melynek a nulla szintje potméterrel szabályozható. Ezt a feszültségjelet kös-sük a HAMEG digitális multiméterre. A mért feszültséget számítógépes interfészen keresztül, a felfesz_meres.exe program segítségével rögzítjük. Ellenőrizzük a program működését, és állítsuk be az induktív erőmérő nullszintjét -6 V és -3 V közötti értékre. Figyelem! A mérőkeretet elő-zetesen zsírtalanítottuk, ezért azt kézzel érinteni tilos!
4. Kalibráljuk az induktív erőmérőt! Akasszunk növekvő számban felfüggeszthető súlyokat az erőmérőre, és a súlyok számának függvényében vegyük fel az erőmérő kimenő fe-szültségét, illesszünk egyenest a mért pontokra. (Megj.: a súlyokat ne a mérőkeretre, hanem a mérőkeret feletti mű-anyag lapon található lyukakba akasszuk. Ügyeljünk a keret egyenletes terhelésére, ha a súlyok egy oldalra húzzák a ke-retet, megnő az induktív erőmérőben a súrlódás, ami növeli a mérési hibát. A súlyok átlagos tömege: 0,47 g)
5. Vízszintezzük a mérőkeretet! Ehhez helyezzünk a keret alá egy állítható lábú plexi asztalkát. Az asztalra helyezett víz-szintmérő segítségével vízszintezzük az aszalt olyan ma-gasságban, hogy a mérőkeret éppen ne érjen hozzá. Ezután a mérőkeret feletti műanyag tárcsán található piros csava-rok segítségével állítsuk be a mérőkeretet az asztal síkjával párhuzamosan. A mérőkeret vízszintességét a mérés során többször is ellenőrizzük, és szükség esetén korrigáljuk.
III. Víz-alkohol oldatok felületi feszültségének mérése szakítá-sos módszerrel
6. Helyezzük a deszt. víz feliratú, leeresztő csappal ellátott edényt a mérőkeret alá. Töltsük fel az edényt desztillált víz-zel addig, hogy a vízszint pár mm magasan legyen a keret alsó éle felett. Gyors csepegtetéssel eresszük le az edényből a vizet a deszt. víz feliratú gyűjtőedénybe, közben vegyük fel az erő változását a gyűrű szakadásáig. Ekkor a csapot elzárva a pohárból töltsük vissza a vizet a keret közepébe (nem a keretre!) és a szakítási kísérletet ismételjük meg legalább kétszer! (Megj.: az erőt mindig az elszakadás előtti és a szakadás utáni feszültségszint különbségéből állapítsuk meg. A mérőkeret átmérője a szakítási élnél: 91 mm)
7. A 6. mérést ismételjük meg 10 %-os és 20 %-os alkoholol-dattal. Figyelem! Az oldatokat mindig a koncentrációnak megfelelő feliratú edénybe töltsük, majd a mérés végén ne öntsük ki, hanem töltsük vissza a megfelelő tároló edénybe. Ügyeljünk rá, hogy az oldatok ne keveredjenek.
IV. Desztillált víz felületi feszültségének hőmérséklet függése, Eötvös-féle szabály igazolása
8. A 6. mérést ismételjük meg desztillált vízzel 40 és 60 °C-os hőmérsékleten. Hőmérséklet méréséhez rögzítsük a higany-szálas hőmérőt a bunsen állványhoz. A víz melegítése köz-ben használjunk mágneses keverőt, de az erőmérés előtt kapcsoljuk ki a keverőt, és várjuk meg, míg a vízfelszín megnyugszik. Ábrázoljuk a felületi feszültséget a hőmérséklet függvényé-ben, és illesszünk egyenest a mérési pontokra! Az egyenes paramétereiből határozzuk meg az Eötvös-állandót és a kri-tikus hőmérsékletet.
