表面張力測定

表面張力測定

実験番号:UE1080400

液体の表面張力を測定するために,刃のついた金属環を水平に液体に沈めます。そして金属環に加わる力を測定しながら,ゆっくりと引き上げます。この力がある一定の大きさを超えると,金属環に付いていた液体の薄膜が破れ,下に落ちます。この時の力の大きさと金属環の周囲長から,液体の表面張力を求めることができます。

実験の手順

刃のついた金属環をゆっくりと引き上げることにより,液体表面との間に液体の薄膜を作ります。 その薄膜が破れる寸前の金属環にかかる力を測定します。 この力から表面張力を計算します。

実験に必要な機器

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実験解説書

基本原理

液体の表面張力は,液体と気体の界面での特性の一つです。これは液体表面では,液体を構成する分子の周囲との力のやりとりが液体側だけで,液体中の分子と比べて力が片側にしか働いていないことによります(図1 参照)。その為,液体表面の分子には液体内部方向への力が働いています(例えば水で言えば,水素結合による力が働いています)。これにより液体表面の面積を増やすためには,エネルギーが必要となります。

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この等式に表れるσ は表面張力または表面エネルギー密度と呼ばれ,右辺の内容のように変化表面積ΔA あたりのエネルギーの変化ΔEとして定義されます。この定義の意味を説明するために,吊環法を見ていきましょう。最初,液体中に沈められていた刃を持った金属製円環が,徐々に引 き上げられていく様子を考えます。円環が液体中から引き上げられると,刃の下の部分に液体の薄膜がついていきます(図2 参照)。ここから更にΔxだけ円環を持ち上げたとします。この時増加する薄膜(液体)の表面積ΔA は,円環の半径をRとすると

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となります。ここで円環に加わる力をF0とすると,仕事の原理により増加するエネルギーΔEと距離Δxが次のように関係づけられます。

3

もし円環を引き上げる力がF0 より大きいと,薄膜は破れます。実験では表面張力リングを,刃の部分を下にして高精度バネばかりに水平に取り付けます。まず試験液体中にリングを完全に埋没させ, その後徐々に引き上げていきます。そして表面張力による液体の薄膜が破れる直前の力F0を記録します。

(1)~(3) 式より

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よって

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参考資料

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