e pinnasta. Koska molekyylien väliset vetovoimat pienenevät nopeasti etäisyyden

Transkriptio

1 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio 1 PINTAJÄNNITYS 1. Työn tavoitteet Nesteen ollessa levossa voi havaita sen pinnan muistuttavan jännitettyä, kimmoisaa kalvoa. Pinta pyrkii saavuttamaan mahdollisimman pienen pinta-alan ja estämään nestemolekyylien läpipääsyn. Tätä ilmiötä nimitetään pintajännitykseksi ja se on seurausta nesteen molekyylien välisistä vetovoimista, jotka ovat sähköistä alkuperää. Pintajännityksen ansiosta esineet, joiden tiheys on veden tiheyttä suurempi, voivat pysyä veden pinnalla. Kappaleista, joiden tilavuudet ovat yhtä suuret, pallon pinta-ala on pienin. Pintajännityksen vaikutuksesta esimerkiksi vesipisara onkin likimain pyöreä, ainoastaan ilman vastus aiheuttaa poikkeaman täydelliseen pallon muotoon. Pintajännitys selittää myös sen, miksi vaatteiden pesemiseen käytetään kuumaa vettä ja saippuaa. Sekä lämpötilan nostaminen että saippuan lisääminen veteen pienentävät pintajännitystä ja näin vesi pystyy paremmin tunkeutumaan vaatteen kuitujen välisiin tiloihin. Tässä työssä tutustut erilaisiin pintajännityksen mittausmenetelmiin. Määrität sekä puhtaan veden että saippualiuoksen pintajännitysvakiot torsiovaa an ja lasilevyn avulla. Lisäksi mittaat veden, erivahvuisten saippualiuosten sekä liuottimen pintajännitysvakiot rengasmenetelmää hyödyntävällä tensiometrillä.. Teoria.1 Molekyylien väliset voimat Kuvassa 1 tarkastellaan molekyyliin vaikuttavia voimia eri etäisyyksillä nesteen Ilma e pinnasta. Koska molekyylien väliset vetovoimat pienenevät nopeasti etäisyyden c d b kasvaessa, voidaan ympäristö, jonka kanssa molekyyli on vuorovaikutuksessa a ajatella pieneksi palloksi, jonka keskipisteessä on tarkasteltava molekyyli. Nesteen sisällä molekyyliin kohdistuu Neste yhtä suuria voimia kaikkiin suuntiin ja Kuva 1. Molekyyliin vaikuttavat voimat niin ympäristöä kuvaavaan palloon kohdistuva kokonaisvoima on nolla. Tätä ti- eri etäisyyksillä nesteen pinnasta. lannetta esittää kuvassa 1 tapaus a, joka on näytetty myös suurennettuna. Molekyylin

2 PINTAJÄNNITYS lähestyessä nesteen pintaa, osa vetovoimista jää kumoutumatta, koska tasoittava ylempi osa puuttuu (tapaus b). Molekyylin kohdistuu nyt kokonaisvoima, joka pyrkii vetämään sen nesteen sisälle, Molekyylin ollessa täsmälleen nesteen pinnalla tämä vetovoima on suurimmillaan (tapaus c ja sen suurennus). Jos molekyyli siirtyy pinnan ulkopuolelle, voima alkaa pienentyä (d) ja riittävän kaukana pinnasta, voima häviää kokonaan (e).. Pintajännitysvakion määritelmä. Parakori Nesteen pintajännitysvakio määritellään pinnan rajaviivalla pituusyksikköä kohti vaikuttavana voimana, ts. F l, (1) missä F on kokoonvetäytymisvoima ja l on rajaviivan pituus. Pintajännitysvakion yksiköksi saadaan yhtälön (1) perusteella F l N m J m. Tavallisten nesteiden, erityisesti veden, pintajännitysvakioiden suuruudesta johtuen käytetään usein yksikköä mn m, esimerkiksi veden pintajännitysvakio lämpötilassa 0 C on 7,6 mn m. On huomattava, että pintajännitys riippuu lämpötilasta siten, että lämpötilan kasvaessa pintajännitysvakio pienenee. Sitä vastoin pintajännitys on käytännöllisesti katsoen riippumaton pinta-alan, paineen tai tilavuuden muutoksista. Pintajännityksen lämpötilariippuvuuden takia pintajännitysvakioiden sijaan käytetään usein lämpötilasta riippumatonta suuretta, ns. parakoria P, joka määritellään yhtälöllä 1 4 P M ' () missä M on tarkasteltavan nesteen moolimassa, on nesteen tiheys ja ' on höyryn tiheys lämpötilassa, jossa pintajännitysvakio on mitattu. Koska yleensä höyryn tiheys on paljon pienempi kuin nesteen eli missä Vm on nesteen moolitilavuus. ', niin parakori saadaan muotoon M P V m, () On havaittu, että molekyylin parakori on määrätyssä mielessä additiivinen suure. Sen arvo saadaan laskemalla yhteen tarkasteltavan molekyylin atomi- ja sidosparakorit. Tätä voidaan käyttää hyväksi rakennetutkimuksessa. Määrittämällä aineen parakori yhtälöstä () ja vertaamalla tätä oletetun kaavan mukaan atomi- ja sidosparakoreista laskettuun arvoon voidaan päätellä, onko kaava oikea vai ei. Yksittäiset parakorit voidaan laskea ja atomiset parakorit arvioida esimerkiksi seuraavasti:

3 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio P(CH P(CH C OCH (CH CH P(CH ) - P(H) P(C) ) CH 7P(CH P(CHCl ) - P(C) - P(H) P(Cl) 5 ) ) - P(CH - C OCH ) ) P(H) P(CH ) Taulukossa 1 on annettu joidenkin alkuaineiden ja erilaisten sidosten parakoriekvivalentteja. Taulukko 1. Eräiden aineiden ja erilaisten sidostyyppien parakoriekvivalentteja. Hiili 4,8 Kloori 54, Kolmoissidos 46,6 Vety 17,1 Bromi 68,0 Kolmirengas 16,7 Happi 0,0 Jodi 91,0 Nelirengas 11,6 O estereissä 60,0 Typpi 1,5 Viisirengas 8,5 Rikki 48, Kaksoissidos, Kuusirengas 6,1 Koska kolloidihiukkasten kokonaispinta-alan suhde kokonaistilavuuteen on erittäin suuri, erilaisten rajapintailmiöiden, kuten pintajännityksen tutkiminen, on kolloidien tapauksessa ensiarvoisen tärkeää. Pintajännityksen merkitys tulee esille esimerkiksi rikastettaessa metalleja malmeista vaahdotusmenetelmällä sekä öljyn leviämisenä laajalle alueelle öljyonnettomuuksissa. Pintajännitystä voidaan tarvittaessa pienentää käyttämällä pinta-aktiivisia aineita.. Pintajännitysvakion määrittäminen torsiovaa alla Nesteen pintajännitysvakio voidaan määrittää kuvassa esitetyn torsiovaa an avulla. Torsiovaa assa on vaakasuora pingotettu lanka, johon on kiinnitetty osoitin. Osoittimen vapaaseen päähän vaikuttava voima F kiertää lankaa momentilla Fr missä r on osoittimen pituus. Tasapainossa tämän momentin kumoaa langan kiertymisestä aiheutuva momentti D, missä D on langalle ominainen kerroin, ns. direktiomomentti ja osoittimen kiertymäkulma. Siten tasapainotilanteessa D Fr, joten kiertymäkulma ja myös osoittimen osoittama lukema ovat verrannollisia voimaan F.

4 4 PINTAJÄNNITYS s E r F C D l A B Kuva. Torsiovaaka. F d Pintajännitysvakiota määritettäessä torsiovaa an lankaan ripustetaan kuvan mukaisesti lasilevy (A), jonka alareuna on aluksi astiassa (B) tutkittavassa nesteessä. Kuva 4 esittää sivulta katsottuna tilannetta, jossa lasilevy on juuri irtoamassa nesteen pinnasta. Irtoamishetkellä tasapainon vallitessa lasilevyyn vaikuttaa alaspäin suuntautuva pintajännitysvoima F 1 ja yhtä suuri, mutta ylöspäin suuntautuva torsiovoima F. Yhtälön (1) perusteella pintajännitysvoiman suuruudeksi saadaan F ( l ) cos, 1 d F 1 Kuva 4. Lasilevyn irtoaminen nesteen pinnasta. missä l on lasilevyn pituus, d on levyn paksuus, on tutkittavan nesteen pintajännitysvakio, on kuvan 4 mukainen reunakulma ja kerroin tulee siitä, että nesteen ja levyn välillä on kaksi rajapintaa. Torsiovoiman F suuruus saadaan selville poistamalla astia, kuivaamalla levyn alareuna ja asettamalla vaakakuppiin punnuksia siten, että vaa an osoittimen lukema on yhtä suuri kuin edellä irtoamishetkellä. Tällöin tiedetään, että voima F on punnusten painon m suuruinen, ts.

5 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio 5 F mg. Koska reunakulma on pieni, niin cos 1. Silloin tasapainotilanteessa voimassa olevasta yhtälöstä F1 F saadaan mg ( l d) mg. (5) ( l d).4 Pintajännitysvakion määrittäminen rengasmenetelmällä Rengasmenetelmässä torsiovaakaan kiinnitetään lasilevyn sijaan kuvan 5 mukainen rengas, jonka halkaisija on R. Jos rengas on ohut, niin sen paksuus r F on pieni verrattuna halkaisijaan. Tällöin renkaan irtoamishetkellä tutkittavan nesteen aiheuttama pintajännitysvoima R r F 1 on yhtälön (1) pe- rusteella F1 ( R). Renkaan irrotessa nesteestä tarvitaan torsiovoima F 1 F, joka on yhtä suuri, mutta vastakkaissuuntainen pintajännitysvoimaan Kuva 5. Rengasmenetelmä. verrattuna. Nesteen pintajännitysvakioksi saadaan siten F. (6) 4 R

6 6 PINTAJÄNNITYS. Mittauslaitteistot Valokuva käytettävästä torsiovaa asta on kuvassa 6. Kuvassa vasemmalla on mittaustilanne, jossa lasilevy on asetettuna astiassa olevaan tutkittavaan nesteeseen ja levyä nostetaan ylös hienosäätöruuvin avulla havainnoiden samalla osoittimen lukemaa mitta-asteikolla. Oikealla taas on tilanne, jossa astia on poistettu ja asettamalla vaakakuppiin punnuksia pyritään säätämään osoittimen lukema mitta-asteikolla samaksi kuin levyn irtoamishetkellä. Torsiovaakamittauksessa tarvittava astia tutkittavalle nesteelle, punnukset sekä lasilevyn pituuden ja paksuuden mittauksessa käytettävät työntömitta ja mikrometriruuvi ovat vaa an yläpuolella olevissa kaapeissa. Osoitin Mitta-asteikko E Karkeasäätöruuvi D Lasilevy A Vaakakuppi F Punnuksia Hienosäätöruuvi C Astia B, jossa tutkittavaa nestettä Kuva 6. Työssä käytettävä torsiovaaka. Kuvassa 7 on esitetty työssä käytettävä Du Noüyn rengastensiometri, jonka toimintaperiaate on samantapainen kuin torsiovaa alla. Lasilevyn tilalla käytetään ohutta platina-iridiumrengasta, joka asetetaan lasimaljaan, jossa on tutkittavaa nestettä. Käytössä olevat kaksi rengasta ja lasimaljaa löytyvät laboratorion lämpökaapista, josta ne haetaan jäähtymään eksikaattoriin työvuoron alussa. Platinarenkaat ovat ohuita ja ne rikkoutuvat helposti. Lisäksi pienetkin naarmut ja tahrat renkaissa aiheuttavat virhettä mittaustulokseen ja siksi renkaita on käsiteltävä hyvin varovaisesti. Tensiometrimittauksessa mitta-asteikon säädintä kääntämällä saadaan kasvatetuksi langan torsiovoimaa, joka pyrkii vetämään renkaan ylös nesteestä. Tilanne tasapainotetaan säätämällä mikrometriruuvin avulla näytepöydän korkeutta niin, että rengas lähenee nestepintaa, jolloin pintajännitysvoima kasvaa. Mittaustilanteessa käännetään vuorotellen mittaasteikon säädintä ja mikrometriruuvia siten, että langan torsiovoima ja nesteen pintajännitysvoima säilyvät koko ajan yhtä suurina ja tasapaino-osoitin pysyy merkkinäytön keskellä. Lopulta langan torsiovoima kasvaa niin suureksi, että rengas irtoaa nes-

7 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio 7 teestä. Tensiometrin mitta-asteikko on kalibroitu siten, että renkaan irrotessa mittaasteikon osoitin näyttää suoraan nesteen pintajännitysvakion yksiköissä mn m. Tasapainoosoitin 9 Platinarengas Merkkinäyttö 7 Säädin Lasimalja Mitta-asteikko 1 Korkeuden säätöruuvi 1 Näytepöytä 6 Mitta-asteikon osoitin Vatupassin kupla 4 Mikrometriruuvi 5 Säätöruuvit Kuva 7. Työssä käytettävä Du Noüyn rengastensiometri ja sen tärkeimmät osat. 4. Tehtävät 4.1 Ennakkotehtävät Ratkaise alla olevat ennakkotehtävät ennen työvuorolle saapumista. Tarvittavia tietoja löydät työohjeen ohella esimerkiksi kirjasta P. W. Atkins: Physical Chemistry, 5th Ed., Luku Mitä tarkoitetaan pintajännityksellä ja mistä se aiheutuu?. Mikä on parakori ja mitä tarkoitetaan sen additiivisuudella?. Selitä lyhyesti rengasmenetelmän periaate. 4. Osoita yhtälön (5) avulla, että torsiovaakamittauksessa nesteen pintajännitysvakion absoluuttisen virheen yläraja saadaan lausekkeesta

8 8 PINTAJÄNNITYS g mg mg m l d ( l d) ( l d) ( l d), missä m, l ja d ovat punnusten massan, levyn pituuden ja levyn paksuuden määritystarkkuudet 5. Suunnittele ja laske, miten teet työohjeessa esitetyt saippualiuokset. Laimentamiseen käytetään tarkkoja työvälineitä, kuten analyysivaakaa, täyspipettejä ja mittapulloja. Varsinaisessa mittauksessa kutakin liuosta tarvitaan vajaa 50 ml. Laboratoriosta löytyy 100 % saippualiuosta. Huomaa, että voit tehdä laimeammat liuokset laimentamalla jo laimennettuja liuoksia. 4. Mittaustehtävät 1. Saippualiuosten valmistus: Valmista laboratorion kaapista löytyvästä 100 % saippualiuoksesta 50 ml n. massaprosenttista liuosta. Valmista sitten tästä perusliuoksesta 100 ml 0,5 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,05 %, 0,05 %, 0,01 %, 0,005 % ja 0,005 % saippualiuoksia. Laimentamisessa voit käyttää apuna laimeampia liuoksia, mutta ei kuitenkaan niin, että samaa liuosta laimennetaan aina vain uudelleen ja uudelleen. Tällöin virhe kasvaa jokaisella laimennuskerralla.. Veden pintajännitysvakion määritys torsiovaa alla: Tutustu liitteestä 1 löytyviin torsiovaa an käyttöohjeisiin. Säädä vaaka mittauskuntoon ohjeiden ja ohjaajan opastuksella. Pane astiaan tislattua vettä, jota löytyy työhuoneen vesipisteen luota valkoisesta säiliöstä. Puhdista lasilevy tislatulla vedellä ja upota se sopivalle korkeudelle astiaan. Käännä hienosäätöruuvia ja havaitse levyn irtoamishetkellä asteikon lukema. Toista mittaus muutamaan kertaan. Pane astia pois ja kuivaa levyn alareuna. Aseta vaakakuppiin punnuksia siten, että osoitin näyttää samaa lukemaa kuin levyn irrotessa. Kirjaa ylös massan arvo. Määritä massan lukematarkkuus testaamalla, kuinka suurella massan muutoksella havaitset muutoksen asteikon lukemassa. Mittaa levyn pituus työntömitalla ja paksuus mikrometriruuvilla. Tarkasta työntömitan ja mikrometriruuvin lukematarkkuudet. Mittaa taulukkoarvojen määrittämistä varten huoneen lämpötila jollakin laboratoriosta löytyvällä lämpömittarilla.. Saippualiuoksen pintajännitysvakion määrittäminen torsiovaa alla: Pane astiaan 0,01 % saippualiuosta ja tee mittaukset, kuten kohdassa. Puhdista lopuksi astia ja lasilevy, huuhdo ne tislatulla vedellä ja pane välineet paikoilleen kaappiin. 4. Veden pintajännitysvakion määritys tensiometrillä: Pane lasimaljaan tislattua vettä, pane lasimalja paikoilleen tensiometrin näytepöydälle ja aseta platinarengas ripustimeen. Säädä tensiometri mittauskuntoon ohjaajan ja liitteen ohjeiden avulla. Määritä veden pintajännitysvakio kääntämällä vuorotellen mitta-asteikon sää-

9 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio 9 dintä ja näytepöydän korkeutta säätelevää mikrometriruuvia, kunnes rengas irtoaa vedestä ja lukemalla asteikon lukema. Toista mittaus, niin että osaat jatkossa mitata sujuvasti myös saippualiuosten pintajännitysvakiot. 5. Saippualiuosten pintajännitysvakioiden määritys tensiometrillä: Pane lasimaljaan sopiva määrä laimeinta saippualiuosta, tarkasta laitteen säädöt ja määritä liuoksen pintajännitysvakio, kuten edellä veden tapauksessa. Tee mittaukset kaikille valmistamillesi saippualiuoksille laimeimmasta vahvimpaan. Pese mittaukset tehtyäsi lasimalja ja platinarengas varoen saippualiuoksella ja vedellä ja laita ne kuivumaan lämpökaappiin. Puhdista myös muut käyttämäsi astiat ja pane ne kuivamaan vesipisteen luona olevaan telineeseen. Pane 100 % saippualiuos kaappiin. 6. Liuottimen pintajännitysvakion määrittäminen tensiometrillä: Pane toiseen lasimaljaan ohjaajan antamaa liuotinta ja aseta toinen platinarengas paikoilleen ripustimeen. Tarkasta tensiometrin säädöt ja mittaa liuottimen pintajännitysvakio kaksi kertaa, kuten veden tapauksessa. Puhdista lopuksi toinen lasimalja ja platinarengas huolellisesti ja varovaisesti ja pane ne lämpökaappiin. Pane tensiometri paikalleen kaappiin. 5. Mittaustulosten käsittely ja työselostus 5.1 Torsiovaakamittaukset Laske veden ja saippualiuoksen pintajännitysvakiot yhtälöstä (5). Määritä pintajännitysvakioiden absoluuttisten virheiden ylärajat ennakkotehtävässä 4 johtamastasi yhtälöstä. Vertaa veden pintajännitysvakiota taulukkoarvoon. 5. Veden pintajännitysvakio tensiometrimittauksesta Vertaa tensiometrimittauksesta saamaasi veden pintajännitysvakiota taulukkoarvoon ja edellä määritettyyn arvoon. Mikä voisi aiheuttaa tulosten mahdollisen poikkeaman taulukkoarvosta ja/tai toisistaan?

10 10 PINTAJÄNNITYS 5. Saippualiuoksen pintajännitys massaprosentin funktiona Piirrä tensiometrimittausten avulla kuvaaja, joka esittää saippualiuoksen pintajännitystä massaprosentin funktiona. Määritä kuvaajasta saippualiuoksen kyllästymisraja eli kohta, jonka jälkeen saippuan lisääminen ei enää pienennä liuoksen pintajännitystä merkittävässä määrin. 5.4 Tutkitun liuottimen pintajännitysvakio ja parakori Etsi kirjallisuudesta tutkimasi liuottimen tiheys mittauslämpötilassa. Laske sitten aineen parakori sekä havaitun pintajännitysvakion että parakoriekvivalenttien avulla. Määritä myös parakorin virhe. Vihje: Huomaa, että Taulukossa 1 parakoriekvivalenteille ei ole annettu yksikköä. Näiden avulla laskettavan luvun kanssa vertailukelpoinen yksikötön parakori saadaan, kun yhtälöön () sijoitetaan vain lukuarvot seuraavista suureista: Tensiometrillä saatu liuottimen pintajännitysvakio (yksiköissä mn/m ilmaistuna), liuottimen moolimassa (yksiköissä g/mol) ja tiheys (yksiköissä g/cm ). 6. Lopputulokset ja pohdinta Ilmoita lopputuloksina eri tavoilla määritetyt veden pintajännitysvakiot, 0,01 % saippualiuoksen pintajännitysvakio sekä saippualiuoksen kyllästymisraja. Ilmoita myös tutkitun liuottimen pintajännitysvakio ja parakori. Pohdi tekemiesi virhelaskelmien avulla, mitkä tekijät vaikuttavat eniten lopputulosten tarkkuuteen torsiovaakaa ja tensiometriä käytettäessä.

11 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio 11 Liite 1: Torsiovaa an käyttöohje Puhdista lasilevy A tislatulla vedellä ja pane se puhtaalle paperille. Kun vaaka on säädetty sopivaan korkeuteen, aseta levy paikoilleen paperin sisällä Valitse sopiva astia B ja pane siihen tutkittavaa ainetta. Nestettä saa olla sen verran, että levyn voi asettaa nesteeseen niin, ettei se kosketa astian pohjaa. Ruuvaa hienosäätöruuvi C pohjaan asti, niin että sinulla on mittauksessa mahdollisimman paljon säätövaraa. Aseta vaaka sopivalle korkeudelle avaamalla karkeasäätöruuvia D. Lasilevyn alareunan tulee olla kiinni astiassa olevassa nesteessä. Väännä hienosäätöruuvia C varovasti vastapäivään, kunnes levy irtoaa nesteestä. Havaitse irtoamiskohtaa vastaava lukema (s) asteikolta E. Koska irtoamiskohta on vaikea havaita tarkasti, toista mittaus pari kertaa. Tämän jälkeen nosta astia pois ja kuivaa lasilevyn alareuna. Pane vaakakuppiin F niin paljon punnuksia, että saat asteikolle E jälleen irtoamiskohtaa vastaavan lukeman. Torsiolanka on nyt kiertynyt saman verran kuin ensimmäisessä mittauksessa. Laske punnusten massa. Määritä massan virhe lisäämällä vaakakuppiin pieniä punnuksia ja tutkimalla, millaisella punnuksella havaitset asteikon lukeman muuttuvan. Mittaa lasilevyn pituus työntömitalla ja paksuus mikrometriruuvilla. s E r F C D l A B

12 1 PINTAJÄNNITYS Liite : Tensiometrin käyttöohje Säädä tensiometri vaakasuoraksi sen alustassa olevilla säätöruuveilla siten, että vatupassin kupla 4 asettuu keskelle rengasta. Täytä sitten lasimalja n. puolilleen tutkittavalla aineella ja aseta malja näytepöydälle 6. Pane rengas paikoilleen ripustimeen ja säädä lasimaljan paikka pöydällä sopivaksi ja näytepöydän paikka oikeaksi korkeuden säätöruuvilla 1 niin, että rengas on lasimaljan keskellä uponneena nesteeseen n. 5 mm nestepinnan alapuolella. Tarkasta, että tasapaino-osoitin 9 osuu merkkinäytön 7 keskikohtaan eli mustien alueiden välissä olevan valkoisen alueen puoleen väliin, kun rengas on upotettuna nesteeseen ja mittaasteikon 1 lukema on nolla. Jos näin ei ole, säädä asteikkoa ruuvilla 8. Säädettyäsi tensiometrin mittauskuntoon odota, kunnes nestepinta lasimaljassa on asettunut liikkumattomaksi. Aloita mittaus kääntämällä mikrometriruuvia 5 vasemmalle niin, että näytepöytä liikkuu alaspäin, kunnes havaitset, että tasapaino-osoitin on liikkunut alaspäin merkkinäytöllä. Tällöin nesteen pintajännitysvoima pyrkii pitämään renkaan nesteessä. Käännä sitten säädintä varovaisesti myötäpäivään, niin että mitta-asteikon lukema kasvaa. Näin kasvatat langan torsiovoimaa, joka pyrkii vetämään rengasta pois nesteestä. Tasapaino-osoitin liikkuu samalla ylöspäin merkkinäytöllä. Aseta tasapaino-osoitin jälleen merkkinäytön keskikohtaan kääntämällä taas mikrometriruuvia varovasti vasemmalle, niin että näytepöytä ja lasimalja laskeutuvat alaspäin. Tällöin rengas liikkuu kohti nestepintaa ja sitä nesteeseen vetävä pintajännitysvoima kasvaa. Jatka pyörittämällä vuorotellen säädintä ja mikrometriruuvia 5, niin että tasapainoosoitin pysyy koko ajan merkkinäytön keskellä. Lopulta torsiovoima kasvaa niin suureksi, että rengas irtoaa vedestä. Havaitse mitta-asteikon lukema renkaan irrotessa. Se kertoo tutkittavan nesteen pintajännitysvakion yksiköissä mn m.

13 Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio 1 Ennen jokaista uutta mittausta aseta mitta-asteikon osoittimen lukema nollaksi ja tarkasta, että rengas asettuu nesteeseen oikein ja että tensiometrin mittaussäädöt ovat kunnossa.

14 OULUN YLIOPISTO Työn suorittaja: FYSIIKAN OPETUSLABORATORIO Mittauspäivä: / 0 klo - Työn ohjaaja: MITTAUSPÖYTÄKIRJA PINTAJÄNNITYS 1. Torsiovaakamittaukset Punnusten massa: Tutkittava aine 1: Tislattu vesi Tutkittava aine : 0,01 % saippualiuos Massa m = g ± g Massa m = g ± g Lasilevyn pituus ja paksuus: Pituus l = cm ± cm Paksuus d = mm ± mm. Tensiometrimittaukset Puhtaan veden pintajännitysvakioiksi mitattiin: 1 = mn/m ja = mn/m Saippualiuosten pintajännitysvakiot: Perusliuokseen pantiin g väkevää saippualiuosta / 50 ml m-% (mn/m) Tutkittava orgaaninen liuotin oli: ja sen pintajännitysvakioiksi mitattiin: 1 = mn/m ja = mn/m Tensiometrin lukematarkkuus oli mn/m Mittauslämpötila oli: C ± C Ohjaajan allekirjoitus

15 Ennakkotehtävät 1. Mitä tarkoitetaan pintajännityksellä ja mistä se aiheutuu?. Mikä on parakori ja mitä tarkoitetaan sen additiivisuudella?. Selitä lyhyesti rengasmenetelmän periaate. 4. Osoita yhtälön (5) avulla, että torsiovaakamittauksessa nesteen pintajännitysvakion absoluuttisen virheen yläraja saadaan lausekkeesta missä m, l ja g mg mg m l d ( l d) ( l d) ( l d), d ovat punnusten massan, levyn pituuden ja levyn paksuuden määritystarkkuudet 5. Suunnittele ja laske kääntöpuolelle, miten teet työohjeessa esitetyt saippualiuokset. Laimentamiseen käytetään tarkkoja työvälineitä, kuten analyysivaakaa, täyspipettejä ja mittapulloja. Varsinaisessa mittauksessa kutakin liuosta tarvitaan vajaa 50 ml. Laboratoriosta löytyy 100 % saippualiuosta. Huomaa, että voit tehdä laimeammat liuokset laimentamalla jo laimennettuja liuoksia.