Povrchové napětí je síla v povrchu kapaliny působící kolmo na jednotku délky. Na element délky dl v povrchu kapaliny působí z obou stran kolmo element síly dF a pro povrchové napětí obdržíme: s = dF / dl . Jednotka povrchového napětí je tedy [ s ] = 1 N / m . Povrchové napětí a kapilární jevy jsou vysvětlovány vzájemným působením přitažlivých kohézních sil molekul.

Z těchto metod je nejdokonalejší odtrhávací metoda, kterou můžeme při přesném provedení měřit povrchové napětí s chybou menší než 3%. Princip této metody spočívá v tom, že měříme sílu potřebnou k vytažení drátku ve tvaru obdélníčku z kapaliny. Je-li drátek tak tenký, že je možno jej zdvihnout celý nad hladinu kapaliny, aniž by se protrhla povrchová blanka kapaliny, pak pro sílu F, která drátek drží, platí: 2 F = 2 s L , kde L je délka části drátu rovnoběžné s hladinou kapaliny.

Povrchové napětí s tedy lze vypočítat ze vztahu: s = Fz / 2 L , kde Fz = 2F je síla, kterou působíme na drátek v okamžiku odtržení.

Při měření postupujeme tak, že nejprve vyvážíme drátek těsně pod hladinou. Hrubého vyvážení docílíme otáčením levým kotoučem na torzních vahách, jemného pak otáčením pravým. Zapíšeme si hodnotu síly F1 , která nám drátek vyvážila těsně pod hladinou. Dále otáčíme pravým kotoučem až se drátek odtrhne od hladiny. Zapíšeme si hodnotu síly F2, při které se drátek právě odtrhl od hladiny. Dále spočítáme rozdíl těchto sil. Dostaneme hodnotu Fz . Měření desetkrát opakujeme. Stupnice, na které odečítáme měřenou sílu, nám ji udává v miligramech, proto naměřenou hodnotu musíme vynásobit gravitačním tíhovým zrychlením ( g = 9,81 m/s˛ ). Výsledek Fz převedeme na newtony a nyní můžeme vypočítát povrchové napětí s , protože známe i délku drátku L , která byla uvedena na torzních vahách.

Dalším způsobem měření povrchového napětí kapalin je metoda stalagmometrická ( kapková ). Kapalinu necháme odkapávat z tlustostěnné, dole zabroušené kapiláry. Kapka se odtrhne, když se tíha kapky právě rovná síle povrchového napětí.

Nejprve si nakalibrujeme digitální váhy, na kterých můžeme měřit s přesností na setinu gramu. Uvedeme váhy do kalibračního modu, navolíme kalibrační závaží (v mém případě 200g ), vložíme kalibrační závaží a kalibraci uložíme. Při měření postupujeme tak, že napřed zvážíme prázdnou kádinku, a pak postupně kádinku s deseti, dvaceti, až stem kapek destilované vody. Naměřené hodnoty zapíšeme do tabulky a měření opakujeme pro líh. Z naměřených hodnot vypočítáme hmotnost jedné kapky vody a lihu. Označíme-li s povrchové napětí vody a m hmotnost jedné kapky vody a s ´ povrchové napětí lihu a m´ hmotnost jedné kapky lihu, z rovnováhy sil plyne rovnice s = ms ´/ m´ .

Při měření tedy vycházíme z této rovnice a metodu užíváme jen jako srovnávací. Měření provádíme pomocí stalagmometru. Je nutno naplnit stalagmometr tak, aby v něm nebyly vzduchové bubliny a nastavit ho tak, aby kapalina z trubice kapala. Před vlastním měřením je vhodné si nastavení vyzkoušet s destilovanou vodou.

Poslední metodou, kterou budeme používat k měření povrchového napětí kapaliny, je metoda kapilární elevace nebo deprese. Jestliže kapalina smáčí stěny skleněné kapiláry, můžeme určit povrchové napětí z výšky h do které vystoupí kapalina v kapiláře o poloměru r. Uvážíme-li, že povrchové napětí drží celý sloupec kapaliny v kapiláře, dostáváme vztah 2 p r s cosJ = p r˛ h r g .

V této rovnici je r měrná hmotnost ( hustota ) kapaliny a J je krajový úhel mezi tečnou k oblouku kapaliny vytvořenému elevací vedené jedním z krajních bodů oblouku a stěnou kapiláry. Přesné měření krajového úhlu je obtížné. Lze ho však určit tak, že kromě základního převýšení h měříme i výšku vrchlíku D h. Předpokládáme-li, že zbývající meniskus má kulový tvar, pak cosJ = 2r D h /( r˛ + h˛ )

Při měření je nejlepší nejprve zasunout kapiláru do nádoby a smočit její stěny. Po jejím povytažení se ustálí převýšení h , které měříme vhodným svislým měřítkem nebo katetometrem. Vnitřní poloměr kapiláry stanovíme nepřímo pomocí rtutˇového sloupce. Pro kapaliny, které místo vzestupu vykazují pokles hladiny, je možno postupovat obdobně.

Destilovaná voda:

Fz = ( 0,001786 ± 0,000004 ) N

d Fz = 0,23 %

L = ( 13,6 ± 0,2 ) mm

d L = 1,50 %

s = Fz / 2L

s = ( 0,0656 ± 0,0009 ) N/m

d s = 1,52 %

Absolutní chybu aritmetického průměru počítáme ze vzorce: S = √( å (xp-xi)˛ / n(n-1)), kde xp je aritmetický průměr měřených hodnot, xi je měřená hodnota a a je počet měření.

Laboratorní líh:

Fz = ( 0,000700 ± 0,000001) N

d Fz = 1,4 %

L = ( 13,6 ± 0,02 ) mm

d L = 1,50 %

s = Fz / 2L

s = ( 0,0257 ± 0,0004 ) N/m

d s = 2,1 %

_________________________

II. Měření povrchového napětí lihu kapkovou metodou

Voda:

Hmotnost jedné kapky destilované vody je: M = ( 0,133 ± 0,001 ) g

d M = 0,8 %

Líh:

Hmotnost jedné kapky lihu je: M´ = ( 0,047 ± 0,001 ) g

d M´= 2,1 %

Platí , že s = s ´M / M´. Z toho plyne, že povrchové napětí vody je 2,83 krát větší, než povrchové napětí lihu.

________________________________________________________

Líh:

• líh : s = 0,022 N/m
• voda : s = 0,073 N/m