Versuchsprotokoll Physik Vorlage Word – 1 Prüfprotokoll Prüftermin: Zweitvorlage: Stempel Durchgeführt von: Flächenpressung 1. Inhalt 1..Inhalt Abbildungsverzeichnis, Aufgabenstellung, Anleitung: Bestimmung nach dem Blasendruckverfahren, Einbau, Prüfung, Prüfverfahren, Auswertung Auswertung, Berechnung, Bestimmung der Messgenauigkeit Geräte mit Wasser, z. B. Bestimmung der Oberflächenspannung Konzentration von Tensidlösungen Bestimmung nach Ringspannungsmethode Messung der Grenzflächenspannung Flüssigkeit/Gas Vorbereitung einer weiteren Messung Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung von Wasser Diskussion Bestimmung der Genauigkeit von Wasser- basierende Messmethoden Zum Beispiel Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Wasserspannung Oberfläche, Bestimmung der Konzentrationsabhängigkeit der Oberflächenspannung der Tensidlösung 8 .. Anhang Diagramm Diagramm Diagramm
3 3. Die Aufgabe, die Genauigkeit von Messverfahren zB mit Wasser zu bestimmen. Feste Geräteeinstellungen Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung mit der Ringspannungsmethode Bestimmung der Oberflächenspannung einer Tensidlösung in Abhängigkeit von der Konzentration 4. Einleitung: Die Oberflächenspannung ist eine Kraft, die an der Grenzfläche verschiedener Materialien wirkt, insbesondere in Richtung wo die Oberfläche so klein wie möglich ist. (Kohäsionskraft) Zum Beispiel schweben Wassertropfen oder Seifenblasen auf der Oberfläche einer Kugel. Aufgrund der Oberflächenspannung verhält sich die Grenzfläche wie eine dünne, straffe und elastische Haut. In fließenden, ausgeglichenen Kräften können Wechselwirkungen in alle Richtungen wirken. An der Oberfläche der Flüssigkeit wirken nur innere Kräfte. Flüssigkeiten, in denen zwischenmolekulare Kräfte sehr groß sind, weisen daher eine größere Oberflächenspannung auf. Die Oberflächenspannung ist mathematisch die partielle Ableitung der freien Enthalpie G nach der Oberfläche O bei konstantem Druck und konstanter Temperatur. Es ist ein Material, das die Konstante gegen Wind misst, die mit der Blasendruckmethode, der Kettenkompressionsmethode oder der Hauptwinkelmethode bestimmt werden kann. Bei der Blasendruckmethode werden Luftblasen in Kapillaren erzeugt, die in eine bestimmte Flüssigkeit eingetaucht sind. Aus dem gemessenen hydrostatischen Druck des Manometers kann die Oberflächenspannung berechnet werden. Der Radius der Kapillare und ihre Eintauchtiefe müssen bekannt sein. Bei der Ringpressmethode wird die Kraft gemessen, die aufgewendet werden muss, um den Platinring senkrecht aus der Flüssigkeit zu ziehen. Die Hauptwinkelmethode liefert den Kontaktwinkel θ zwischen Flüssigkeit und Festkörper. Bei guter Luftfeuchtigkeit ist der Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Feststoff in der Luft 90. Auch kleine Tenside haben einen starken Einfluss auf die Oberflächenspannung. 3
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4 In diesem Experiment wurden das Blasendruckverfahren und das Kettenkompressionsverfahren verwendet. J N kg SI-Einheit für die Oberflächenspannung ist: = = 2 m m s s 4
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5 5. Bestimmung nach der Blasendruckmethode 5.1. Der Versuchsaufbau des Manometers M (Abbildung 1) wurde mit deionisiertem Wasser und der Zugabe von Tensid ergänzt. Das Füllvolumen muss so bemessen werden, dass die Ecken der beiden Säulen 0 sind. In Behälter G werden 50 ml Wasser gegeben. Die Höhe der Bodenplatte des Behälters wird auf der Spindel so verändert, dass die Kapillarspitze steht bündig mit der Wasseroberfläche ab. Die U-Scheibe wird unter Deck geschoben. Die Kapillareintauchtiefe beträgt 1 cm (Waschmaschinenhöhe). Hydrostatischer Druckaufbau für Blasenauslass: Das Dreiwegeventil H2 beschränkt sich auf die Verbindung zwischen dem Druckverschluss P und dem offenen Anschluss. Außenluft kann mit einer Dichtung abgepumpt werden. Danach erfolgt die Verbindung der Druckplatte mit dem Rohr L. Stellen Sie dann den H2-Hahn ein, um den Druckkolben mit dem internen System zu verbinden. Gleichzeitig muss der Dreiwegehahn H1 an der Verbindung zwischen Druckkolben und Manometer M eingestellt werden. Die Wassersäule im Manometer wird durch den Druckverschluss auf 16 cm hochgedrückt. H1 wird dann nach links gedreht, bis keine Verbindung mehr zwischen Drucktopf und Manometer besteht. Messbeginn: Zu Beginn der Messung wird der Kontakt H1 so weit nach links gedreht, dass der Luftdruck des Manometers auf die Kapillare wirken kann. Als Reaktion auf Überdruck dringen Luftblasen in die Prüfflüssigkeit ein, bis der Widerstand so groß ist wie die Kraft, die durch den hydrostatischen Druck des Manometers verursacht wird. H1 Da die Blasen insbesondere bei Stresslösungen nicht sofort aufhören, ist eine kontinuierliche Messzeit von 5 Minuten einzuhalten. Die Höhe der Flüssigkeitssäule wird dann in einem Manometer zur Bestimmung der Oberflächenspannung aufgezeichnet. K G U M 5.2. Führen Sie das erste Experiment durch Reines Wasser wird empfohlen. Die Messung wird so lange wiederholt, bis der Messwert nicht mehr driftet (durch Verschmutzung der Kapillare) und mindestens 3 weitere Messungen durchgeführt werden H2 P Abbildung 1: Bubble-Pressure-Methode Tool 5
6 wo Mittelwert und Schwankungsbreite ermittelt werden. Zur Bestimmung der Konzentrationsabhängigkeit wurde 0,100 % wässrige Tensidlösung in 0,100 ml Schritten zugegeben und damit die Bestimmung durchgeführt. Es wurden 10 verschiedene Konzentrationen bestimmt. Ist die Änderung nach Schritt 2 (0,200 ml Zugabe) im Vergleich zu reinem Wasser zu gering, sollte die Schrittweite auf 0,500 ml erhöht werden. h W rw hp r p) 2 r W: Dichte des Wassers in der Wassersäule (1,00 g/cm 3 ) r P: Dichte der Prüfflüssigkeit h W: Höhe der Wassersäule h P: kapillare Eintauchtiefe in Einheiten der Prüfflüssigkeit g: Erdbeschleunigung [9,81 m / s 2] r: Kapillarradius Bei Zuglösungen kann die Dichte der Prüfflüssigkeit gleich der Dichte von Wasser gesetzt werden. Die Oberflächenspannung der Tensidlösung wird gegen die Konzentration aufgetragen und die beste Anpassung wird durch Auftragen verschiedener Trendlinienfunktionen bestimmt. 6
7 5.4. Mathematische Auswertung Konzentrationsangaben in % beziehen sich auf Gewichtsprozente zur Bestimmung der Genauigkeit von Gerätemessungen mit Wasser, z. B. wird der Kapillarradius anhand bekannter Werte der Oberflächenspannung bestimmt. Bei T = 18 C g = 73,05 mn m -1 Wassermesswert h h / cm r / mm 1 17,2 0,2 0,4 0,0908 Der für r definierte Mittelwert beträgt: 0,0915 mm mit Standardabweichung: ± 0,0006 mm Der Variationskoeffizient beträgt: 0,71 % 7
8 5.4.2 Bestimmung der Tensidoberflächenspannung Verwendete Tensidlösung: Triton X-100 c Tensid: 0,100 % (w/w) Probentemperatur: 19 C Vorlage: deionisiertes Wasser 50 ml V : Menge c: Tensidkonzentration V / ml c / mg L -1 h W / cm g / mn m, 0 17, 2 68, 69 0, 2 4, 0 16, 8 66, 99 0, 4 8, 0 16 , 4 65, 30 0, 6 11 , 9 16, 4 65, 30 1, 0 19, 6 15, 6 61, 90 1, 4 27, 2 15, 2 60, 21 1, 8 34, 7 14, 518, 2, 12 42, , 2 55 , 97 2, 6 49, 4 14, 0 55, 12 3, 0 56, 6 13, 6 53, 42 3, 4 63, 7 13, 4 52 Auswertung als grafische Serie Die folgenden Messungen werden grafisch dargestellt. Folgende Trendlinienfunktionen sind definiert: Lineare Funktion R 2 Linear y = -0, 2556x + 67, 733 0, 9848 Exponential y = 67, 976e -0, 0043x 0, 9907 Polynom 2. y = 0, 50456, 3 68 , 55 0, Einfluss der Zugspannung auf die Kapillareintauchtiefe, der Durchmesser des Probenbehälters beträgt: 4,2 cm, die Füllhöhe 50 ml, die Probe: 3,6 cm, die Kapillareintauchtiefe nimmt um 5 % zu. Bei Zugabe von 0,7 ml Tensidlösung. der 8
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9 6. Bestimmung nach Ringspannungsmethode Abbildung 2: Bestimmung Ringspannungsmesser Abbildung 3: Messwerkzeug für Ringspannungsmethode Messung der Ringflankenspannung / Heiztischgas (5) wird mittels Radhülse angehoben. (12) bis der Ring vollständig mit Flüssigkeit bedeckt ist. Sie lassen die Lösung. Mit dem Handrad (12) wird der Tisch vorsichtig abgesenkt, bis der Lampenzeiger (23) durch die auf den Ring wirkende Eigenspannung aus der Nullstellung bewegt wird. Drehen der Schraube (21) gegen den Uhrzeigersinn erhöht das Drehmoment des Riemens und zieht den Ring. Die zu beobachtende Leuchtanzeige (23) auf der dunklen Scheibenskala (22) bewegt sich nach oben. Durch Absenken des Messrohres mit der Mikrometerschraube (24) wird die Leuchtanzeige (23) wieder in die Nullstellung gebracht. Dieser vorsichtige Spannungsausgleich und anschließende Spannungsabbau wird so lange wiederholt, bis die Folie “reißt”, dh bis die Beanspruchung des Rings die seitliche Beanspruchungskraft vollständig überwunden hat. Innere und zerrissene Ringe treten aus der Oberfläche hervor. Mit etwas Übung sieht man, dass kurz bevor der Ring von der Oberfläche fällt, die Kraft, die erforderlich ist, um den Ring beim erneuten Absenken des Tisches in der Nullposition zu halten, konstant bleibt. Der Messvorgang befindet sich in der Phase der Überdehnung (Phänomen des zu langsamen Nachgebens des Körpers). Es ist sinnvoll, Messungen zu verwerfen, sobald diese Bereiche erkannt wurden. Aktueller Geltungsbereich 9
Die Spannung im Torsionsdraht entspricht dann auch der Spannung, die im Moment des Ablösens des Torsionsdrahtes von der Oberfläche vorhanden ist. Löst sich der Ring nicht von der Oberfläche, kann die Messung nach leichtem Anheben des Messtisches wiederholt werden. Wenn der Ring jedoch von der Oberfläche abgelöst wird, können sogar geringfügige Änderungen in der Oberflächenbeschaffenheit des Rings auftreten. Dies allein kann ausreichen, um die Wiederholbarkeit der Messung in Frage zu stellen, wenn die Messung sofort wiederholt wird. Die Eigenspannung wird am Nonius (20) mit einer Genauigkeit von 0,1 mn/m abgelesen, die mit 0,05 mn/m abgeschätzt werden kann. Nonius ablesen: Zum Zeitpunkt der Teilung 10 wurde die Teilung überprüft, die der Teilung auf der Hauptskala entspricht. Die Anzahl der Trennstriche ab der Mittelstellung entspricht dem Wert der ersten Dezimalstelle. Im
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