DETERMINAREA TENSIUNII SUPERFICIALE A LICHIDELOR ALIMENTARE LILIANA TUDOREANU 2009, 2013

Transcription

1 DETERMINAREA TENSIUNII SUPERFICIALE A LICHIDELOR ALIMENTARE LILIANA TUDOREANU 2009, 2013

2 Fenomenul de tensiune superficiala Stratului superficial al unui lichid-stratul de la suprafaţa liberă a lichidului având o grosime egală cu raza sferei de acţiune moleculară (de ordinul a 10-9 m). Suprafata libera-suprafata de separatie dintre un lichid si gazul cu care se afla in contact. Forte de coeziune fortele care se exercita intre moleculele aceleasi substante Forte de adeziune forte care se exercita intre moleulele a doua substante diferite Fenomenul de tensiune superficialăse manifestă la nivelul stratului superficial al unui lichid

3 Fenomenul de tensiune superficiala O moleculă (A) din interiorul unui lichid în echilibru este supusă forţelor de coeziune exercitate de moleculele învecinate Deoarece repartiţia moleculelor în interiorul lichidului este uniformă, forţele de coeziune se anulează reciproc, două câte două şi, de aceea, rezultanta lor este nulă= molecula se afla in echilibru Forţele la care sunt supuse moleculele unui lichid în repaus (R1 rezultanta forţelor de coeziune, R2 rezultanta forţelor de adeziune)

4 Fenomenul de tensiune superficiala O moleculă (B) de la suprafaţa lichidului din stratul superficial (interfata), va fi supusă, rezultantei forţelor de coeziune (R1) datorate moleculelor de lichidsirezultantei forţelor de adeziune (R2) datorate forţelor de adeziune din partea moleculelor gazelor aerului de deasupra lichidului. Deoarece rezultanta R1este mai mare decât R2, molecula Bva fi supusă unei forţe orientată spre interiorul lichidului, perpendicular pe suprafaţa acestuia. Toate moleculele din stratul superficial vor fi supuse unei astfel de forţe Stratul superficial exercită o presiune asupra lichidului, numită presiune moleculară. Sub acţiunea acestei presiuni moleculele de la suprafaţa lichidului au tendinţa de a intra în interiorul lichidului, micşorându-i i suprafaţa sa liberă.

5 Fenomenul de tensiune superficiala Moleculele din stratul superficial situate în acelaşi plan, se atrag reciproc prin forţe de coeziune, care se anulează două câte două. Excepţie fac moleculele de la marginea stratului superficial, asupra cărora acţionează forţe de coeziune orientate doar într-o singură direcţie (spre interiorul suprafeţei libere a lichidului). Aceste forţe care acţionează tangent la suprafaţa lichidului şi perpendicular pe contur se numesc forţe de tensiune superficială Forţele de tensiune superficială acţionează tangent la suprafaţa lichidului şi perpendicular pe conturul suprafeţei

6 σ = F l Fenomenul de tensiune superficiala Datorită fortelor de tensiune superficiala, suprafaţa liberă a lichidului se comportă ca o membrană elastică întinsă, care tinde să-şi micşoreze suprafaţa. Mărimea fortelor depinde de natural lichidului şi este proporţională cu lungimea conturului periferic al stratului superficial (l), adică: F = σ l σ se numeşte coeficient de tensiune superficială (pe scurt, tensiunesuperficială) al lichidului respectiv. Din relaţia anterioară se obţine: σ=f/l In S.I. tensiunea superficială se măsoară în: < σ >SI = N / m.

7 Coeficentul de tensiune superficiala σ Coeficientul de tensiune superficială variază în funcţie de natura lichidului Laptele normal are o tensiune superficială de dyn / cm (1 dyn / cm = 10-3 N / m). Sub 50 şi peste 55 dyn / cm laptele poate fi considerat suspect.

8 Determinarea coeficientului de tensiune superficiala σ Coeficientul de tensiune superficială se poate determina prin determinarea forţei necesare smulgerii de pe suprafaţa lichidului a unui corp cu formă geometrică cunoscută: - placă (metoda Wilhelmy), - cilindru - inel (metoda dunouy) Aparatele folosite in aceste cazuri poarta numele de tensiometre Tensiometrele bazate pe metoda Wilhelmy conţin o placă sau o lamă rectangulară care este trasă în sus din suprafaţa liberă a lichidului de măsurat.

9 Determinarea coeficientului de tensiune superficiala σ Alte metode de determare sunt : compararea forţelor superficiale cu forţele gravitaţionale cântărirea picăturilor, măsurarea presiunii necesare formării sau ruperii unei bule de gaz în lichidul de studiat sau a unei picături dintr-un lichid în alt lichid. Aparatele folosite in aceste situatii sunt denumitre stalagmometre Aparatele moderne, semi-automate şi automate, permit determinarea tensiunii superficiale de la 0 la 200 de dyn / cm cu o precizie de 0,01 dyn / cm. In afara tensiunii superficiale a unui lichid, tensiometrele permit determinarea şi a tensiunii intefaciale, solubilităţi, permeabilităţii şi presiunii din bulele unui lichid etc Modificat dupa ements/contact-angle

10 Determinarea tensiunii superficiale - tensiometrul - Tensiometrul face parte din categoria tensiometrelor de tip dunouy Este alcătuit din: -Suport vertical (S), cu trei picioare şi şuruburi pentru reglarea verticalităţii. - un fir de oţel (F), având un capăt fix iar celălalt capăt este mobil putând fi rotit cu ajutorul unui disc gradat în grade sexagesimale. Unghiul de rotaţie se apreciază în raport cu un reper marcat pe o componentă a suportul tensiometrului situată în vecinătatea firului. - De mijlocul firului de oţel este fixată o pârghie metalică subţire (P) de al cărei capăt liber (terminat cu un cârlig) este atârnat un inel de sârmă subţire (I) dispus în plan orizontal, având diametrul mediu cunoscut (dm = 2 cm). -Aparatul are ca anexe un postament prevăzut cu şurub cu cremalieră, mase marcate necesare etalonării tensiometrului şi vase (cristalizoare) în care se pun lichidele ale căror coeficienţi de tensiune superficială se determină. Modificat dupa 0/surface-tension/

11 Tensiometru didactic Tensiometru semiautomat Tensiometru automat

12 Determinarea tensiunii superficiale principiul metodei Forţele de tensiune superficială care acţionează asupra unui inel (r1 raza interioară, r2 -raza exterioară) aşezat pe suprafaţa liberă a unui lichid (F) şi cele care acţionează pe conturul vasului în care se află lichidul (F ) Determinarea coeficientului de tensiune superficială a unui lichid cu tensiometrul se bazează pe metoda smulgerii,= desprinderii inelului metalic din suprafaţa liberă a lichidului. Valoarea tensiunii superficiale este σ= F/l Pentru calcularea coeficientului de tensiune superficială trebuiemasuratif sil

13 Determinarea coeficientului de tensiune superficială a unui lichid cu tensiometrul prin metoda De Nouy (tensiometru automat) Dupa

14 Determinarea tensiunii superficiale principiul metodei L = lungimea totală a cele două contururi (interior şi exterior) ale inelului, aflat în contact cu suprafaţa liberă a lichidului, unde acţionează forţa de tensiune superficială l =lungimea totală a celor două circumferinţe de rază r 1 şi r 2 adică: l = 2 πr πr 2 = 2 π (r 1 + r 2 ) Fie r m raza cercului mediu, r 1 + r 2 = 2r m = d m unde cu d m =diametrul mediu al inelului. Rezultă: l = 2 πd m

15 Determinarea tensiunii superficiale principiul metodei Determinarea forţei de tensiune superficială (F) se face indirectprind determinarel forţei de torsiune (răsucire) din firul de oţel. Se consideră că, în momentul desprinderii inelului din suprafaţa liberă a lichidului, forţa de torsiune devine egală cu cea de tensiune superficială. Fse va calcula cu relaţia F= f N

16 Determinarea tensiunii superficiale principiul metodei feste forţa medie care determină torsiunea firului cu un grad (se determină la etalonarea tensiometrului), iar Neste numărul de grade cu care este răsucit firul pentru desprinderea inelului din suprafaţa liberă a lichidului (se stabileşte cu ajutorul discului gradat ca diferenţă a două citiri, finală şi iniţială N = n 1 n 0 ). Determinarea forţei fse face cu ajutorul unor mase marcate. Sub acţiunea greutăţii acestora, aşezate pe inel, firul de oţel va fi torsionat cu un anumit număr (n) de grade (rezultat din diferenţa a două citiri, finală şi iniţială: n = n 1 n 0 ), adică: G f = = n n 1 0 mg n Ccoeficientul de tensiune superficială se va calcula cu relaţia σ = F l = f N 2π d m

17 Tehnica de lucru Tehnica de lucru se desfăşoară în două etape: - etalonarea tensiometrului; -determinarea coeficientului de tensiune superficială.

18 Tehnica de lucru etalonarea tensiometrului Această etapă urmăreşte determinarea forţei care produce o răsucire a firului de oţel cu un unghi de un grad. Pentru aceasta se efectuează operaţiunile descrise în continuare. 1. Se roteşte discul gradat până când pârghia cu inel devine orizontală, plasată în dreptul reperului de pe suportul tensiometrului. Se citeşte diviziunea n0 de pe disc. 2. Se atârnă de inel o greutate marcată (pârghia se înclină şi produce torsiunea firului). Se roteşte discul gradat până când pârghia devine din nou orizontală şi se citeşte diviziunea corespunzătoare de pe disc, notată cu n Se calculează unghiul efectiv de torsiune al firului sub acţiunea greutăţii cunoscute cu relaţia: n = n1 n0.

19 Tehnica de lucru etalonarea tensiometrului - Presupunând cunoscută acceleraţia gravitaţională (g = 9,81 m / s 2 = 981 cm / s 2 ), se calculează forţa de torsiune care produce o răsucire a firului cu un grad, cu relaţia: f = mg n -Această operaţiune de etalonare se repetă de mai multe ori cu aceeaşi masă sau cu mase marcate diferite, calculându-se în final o valoare medie (fmed.). - Rezultatele obţinute se trec intr-un tabel

20 Tabel pentru inscrierea datelor etalonarii tensiometrului

21 Tehnica de lucru - Determinarea coeficientului de tensiune superficială -Se îndepărtează masa marcată folosită la etalonare şi se roteşte discul gradat până când firul ajunge în dreptul reperului şi se citeşte valoarea n0(valoarea medie). -Vasul (cristalizorul), în care s-a turnat lichidul de studiat, se aşează pe suportul cu postament dispus, în prealabil sub inel. Se ridică postamentul cu şurubul cu cremalieră până când inelul devine tangent la suprafaţa lichidului (pârghia rămâne orizontală). -Se roteşte încet discul gradat până când inelul se desprinde din suprafaţa liberă a lichidului (smulgerea inelului din lichid se va urmări cu atenţie deoarece este evidentă, în acest caz, analogia care se face între suprafaţa liberă a unui lichid şi o membrană elastică întinsă). Se citeşte diviziunea de pe disc corespunzătoare smulgerii inelului şi se notează cu N1.

22 Tehnica de lucru - Determinarea coeficientului de tensiune superficială - Se calculează numărul efectiv de grade cu care a fost răsucit firul cu relaţia: N = n 1 n 0 - Se calculează valoarea coeficientului de tensiune superficială a lichidului respectiv cu relaţia f med. σ = 2πd m Pentru fiecare lichid se vor face mai multe determinări, iar rezultatele se vor trece într-un tabel N

23 Tabel pentru inscrierea datelor pentru determinarea coeficientului de tensiune superficială

24 Bibiografie Enache L si Tudoreanu L ( 2006). Indrumar pentru lucrari practice de fizica si biofizica. Ed. Fundaţiei România de Mâine, Bucureşti