Určenie priemeru kapiláry z kapilárnej elevácie
Úloha: Využitím kapilárnej elevácie zistite priemer kapiláry.
Fyzikálny princíp
Keď do širokej nádoby s vodou ponoríme úzku sklenú rúrku – kapiláru – voda v nej vystúpi do výšky h nad voľnú hladinu v nádobe. Výška stĺpca h je tým väčšia, čím je menší priemer kapiláry. Tento jav sa volá kapilárna elevácia a pozorujeme ho pri všetkých kvapalinách, ktoré zmáčajú steny kapiláry.
V kapiláre s polomerom R sa utvorí dutý povrch tvaru polgule s polomerom R. Zakrivený povrch pôsobí na kvapalinu silou Ft smerom von z kvapaliny, teda proti hydrostatickej sile Fh. Kvapalina preto vystúpi do takej výšky h, aby hydrostatický tlak stĺpca bol rovnaký ako kapilárny tlak zodpovedajúci zakriveniu povrchu:
- ρ
- hustota použitej kvapaliny
- R
- vnútorný polomer kapiláry
- g
- tiažové zrýchlenie
- σ
- povrchové napätie kvapaliny (sklo – voda za normálnych podmienok ≈ 0,0728 N/m)
Odmeraním výšky h a znalosťou hustoty a povrchového napätia vody určíme priemer kapiláry d = 2R. Pri tejto práci ich nastavuje kalkulačka podľa teploty vody.
Pomôcky
Kapilárne trubice s rozličným vnútorným priemerom, ihla, posuvné meradlo s nóniom, milimetrové meradlo, stojan s držiakom, nádoba s vodou.
Postup merania
- Kapilárnu trubicu upevnite v držiaku do vertikálnej polohy a ponorte ju do nádoby s kvapalinou.
- Vedľa kapiláry umiestnite milimetrové meradlo.
- Zasuňte kapiláru na dno nádoby a povytiahnite ju. Sledujte, ako hladina v kapiláre zaujme rovnovážnu polohu. Odmerajte výšku h hladiny v kapiláre nad hladinou v nádobe.
- Meranie opakujte pre 4 kapiláry rôznej hrúbky.
- Vypočítajte priemery kapilár (záložka 🧪 Kalkulačka, metóda A).
- Odmerajte vnútorný priemer použitých kapilár pomocou ihly a posuvného meradla: do kapiláry opatrne zasuňte ihlu a označte na nej miesto, kde ju bolo možné až zasunúť. Na tomto mieste odmerajte priemer ihly posuvným meradlom s nóniom (metóda B).
- Každú vzorku uložte do tabuľky.
Záver
- Porovnajte priemery kapilár získané z kapilárnej elevácie s priemermi zmeranými posuvným meradlom s nóniom (záložka 📊 Porovnanie).
- Uveďte zdroje možných chýb merania.
- Vysvetlite priebeh grafu závislosti výšky hladiny kvapaliny v kapiláre od vnútorného priemeru kapiláry (pomôže simulácia v záložke 📘 Demo a teória).
- Prečo v kapiláre s najmenším polomerom vystúpila kvapalina najvyššie?
Overenie: kužeľová ihla a posuvné meradlo
- Kužeľovú ihlu opatrne zasuň do kapiláry, kým sa nezovrie.
- Na ihle si označ miesto dotyku so stenou.
- Ihlu vytiahni a posuvným meradlom zmeraj jej priemer na označenom mieste (noniom čítaj desatiny a stotiny mm).
Tabuľka výsledkov
Referenčná hodnota: d_meradlo. Absolútna odchýlka = |d_elevácia − d_meradlo|, relatívna chyba = odchýlka / d_meradlo · 100 %.
Porovnávací graf
Závislosť výšky h od priemeru kapiláry
Body: namerané h a d z posuvného meradla. Krivka: teória h = 4σ/(ρ·g·d) s hodnotami σ, ρ, g z kalkulačky.