9 – Oberflächenspannung

Protokoll
13.01.06
Thomas Feix
Andreas Grill
Betreuer:
Im Zuge des Anfängerpraktikums WS 2005
PW 4
1.) Oberflächenspannung
2.) Viskosität – dynamische Zähigkeit
3.) Hygrometrie
4.) Schelzwärme von Eis
1.) Oberflächenspannung
Um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern benötigt man Energie. Die Energie ist
proportional zur vergrößerten Oberfläche. Der Proportionalitätsfaktor ist die
Oberflächenspannung.
Um die Oberflächenspannung zu messen wird ein Metallring in eine Flüssigkeit getaucht, und
langsam wieder herausgezogen. Dafür wird eine Kraft benötigt. Die maximale Kraft wird
registriert und später für die Berechnung herangezogen.
 = Energie/Fläche = Kraft/Längeneinheit = K/(d1+d2)
d1,d2
K

äußerer, innerer Durchmesser
Kraft beim Abreißen der Flüssigkeitslamelle
Oberflächenspannung
Messwerte:
mm bei Waage
43
42
42
43
42
43
43
43
42
42
Kraft[N]
0,00990861
0,00967099
0,00967099
0,00990861
0,00967099
0,00990861
0,00990861
0,00990861
0,00967099
0,00967099
Messergebnis:
Mittelwert
0,0097898 N
Standardabweichung 3,96033E-05 N
Oberflächenspannung
0,066301918 N/m
2.) Dynamische Viskosität
Durch innere Reibung verursacht Kräfte zwischen sich verschieden schnell bewegten
Flüssigkeitsschichten. Durch diesen Effekt wird auf Kugel, die sich durch eine Flüssigkeit
bewegt, eine bremsende Kraft ausgeübt. Diese Kraft lässt sich mit Hilfe des Stokesschen Gesetz
berechnen.
F=-6vr

v
dynamische Viskosität
Geschwindigkeit der Kugel
r
Radius der Kugel
im Stationären Zustand muss man diese Kraft gleichsetzen mit der Gewichtskraft:
FG= (m-V)*g
Aus dieser Gleichung lässt sich dann die dynamische Viskosität bestimmen.
Messwerte:
Gegebene Werte:
Gefäßradius
R = 15mm
Dichte d. Flüssigkeit p = (1125±5) kg/m3
Fallstrecke
a = (150 ± 0,5)mm
Kugel 1:
Radius r1 = (0,595 ± 0,01)mm
m1 = (6,6 ± 0,1)mg
Kugel 2:
Radius r2 = (0,794 ± 0,002)mm
Masse m2 = (16,1 ± 0,1)mg
Temperatur der Flüssigkeit: 23°C
Messung
Fallzeit kleine
Kugeln [s]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Mittelwert
Stabw
4,4
4,47
4,47
4,41
4,37
4,38
4,46
4,49
4,4
4,4
4,425
0,01360147
Fallzeit große
Kugeln [s]
2,58
2,5
2,56
2,57
2,55
2,57
2,66
2,67
2,59
2,53
2,578
0,01665333
Ergebnisse:
kleine Kugel
große Kugel
Zähigkeit 0,13146023Ns/m2
Zähigkeit 0,15075882Ns/m2
MW
0,14110953Ns/m2
stabw
0,01Ns/m2
3.) Höppler Viskosimeter
Im Kugelfallviskosimeter nach Höppler ist der Durchmesser des Rohres nur
wenig größer als der Kugeldurchmesser. Das Rohr ist leicht geneigt,
wodurch die Kugel an der Rohrwand rollt und eine reproduzierbare
Bewegung ausführt. Die dynamische Viskosität erhält man auch in diesem
Fall mit der Laufzeit t der Kugel zwischen zwei Marken nach der Gleichung
  F )t
K = empirische Konstante, p = Dichten der Kugel und der Flüssigkeit
Das Viskosimeterrohr kann durch den umgebenden Wassermantel
temperiert werden und somit kann die Temperaturabhängigkeit der
Viskosität untersucht werden.
Wir verwendeten Kugel Nr.3 mit:
Dichte: 8,131 g/cm3 = 8131 kg/m3
Flüssigkeit im Fallrohr ist Glyzerin mit: Dichte: 1225 ± 5 kg/m3
Temperatur T1 = 24°C
Temperatur T2 = 43,6°C
K=0,09208 * 10^(-6) [Pa s m3 / g s]
Messwerte:
Messung
1
2
3
4
5
6
7
8
MW
STABw
Viskosität
stabw
4.)
Fallzeit f. T = 44°C Fallzeit f. T
[s]
= 30°C [s]
29,55
58,73
28,54
58,66
27,69
57,5
27,78
57,3
27,47
57,4
27,66
57,16
27,14
57,09
27,51
57,28
27,512
57,246
0,1081388 0,05455273
17495,0041 36402,9879 Ns/m2
0,017495 0,03640299 Ns/m2
0,001
0,001 Ns/m2
Luftfeuchtigkeit
In einem Gasgemisch wie Luft nennt man den Druck einer Komponente
Partialdruck.
Der gesamte Luftdruck ist die Summe der Partialdrücke.
An einem doppelten Quecksiberthermometer wird die Kugel des einen
Thermometers durch einen in Wasser getauchten Gazestumpf feucht
gehalten. An der Apparatur wird ein Luftstrom erzeugt, welcher dem
Strumpf umsomehr Wasser entzieht, je trockener die Luft ist.
Bei diesem Verdunstungsvorgang sinkt infolge der Verdampfungswärme des
Wassers die Temperatur des feuchten Thermometers so lange bis sich ein
Gleichgewicht einstellt, das von der Geometrie der Anordnung abhängt. Aus
der abgelesenen Temperaturdifferenz kann mittels empirischer Formeln die
absolute Luftfeuchtigkeit und der Partialdruck des Wassers berechnet
werden.
Dampfdruck und absolute Luftfeuchtigkeit bzw relative Luftfeuchtigkeit
werden mit Hilfe der Formeln berechnet:
PD = pS –(0,50TorrK-1)*T
Fa = fs –(0,64 gm-3K-1) *T
Fr = fa/fss*100%
Messwerte:
Aus Tabelle:
fs = 12,1 gm-3
fss = 21,8 gm-3
ps = 12,0 Torr
gemessen:
T1 = 23°C
T2 = 14°C
Ergebnis:
abs.Feuchte
0,00634 kg/cubm
rel. Feuchte
0,29 %
Dampfdruck
17,9 Torr
5.)
2386,47039
Schmelzwärme von Eis
Führt man einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper Wärme zu,
bewirkt dies entweder eine Temperaturerhöhung und Volumenvergrößerung
oder nur eine Volumenvergrößerung. (Phasenübergänge, Verdampfen,
Schmelzen)
Man macht von der Mischungsmethode Gebrauch um latente Wärmemengen
zu bestimmen. Sie sind in Flüssigkeiten bzw Gasen latent vorhanden und
werden bei Änderung des Aggregatzustands frei, wobei das Volumen, aber
nicht die Temperatur verändert wird.
Durch Anwendung der Mischungsmethode ist die Schmelzwärme von Eis zu
bestimmen.
Messwerte:
Der Wasserwert des verwendeten Kalorimeters W beträgt W = 9 J/K
T1 = 66 °C (Temperatur Wasser vor Eiszugabe)
Tm = 28 °C (Temperatur Wasser nach Eiszugabe)
TS = 0°C (Temperatur des Eis)
Mw = 184,3g (Masse des Wassers)
ME = 57,4g (Masse des Eis)
Cw = 4,1868 kJ/kgK(spezifische Wärmekapazität von Wasser)
Messkurve siehe Beiblatt
Die Berechnungen ergaben eine Schmelzwärme von 411 000 J/kg +/- 3900
Der Literaturwert beträgt 335 000 J/kg.