표면장력 측정

표면장력 측정

1. 실험목적

Jolly의 용수철저울을 이용하여 액체의 표면장력을 측정한다.

2. 실험기구

Jolly의 용수철저울, 분동접시, 분동 : 1g*2ea, 2g*2ea, 비커, 액체시료(물), 버니어캘리퍼,
두께가 얇은 ring

3. 실험원리

내경 및 외경이 각각 2r1, 2r2 인 원통형 테 (ring)를 그림 1과 같이 액체 표면에 접촉시키고, 액체표면을 원통형 테에 차차 가까이 하여 그것이 액체에 완전히 잠기면 서서히 액체 표면에 아래로 내려오게 하여 원통형 테와 액체 표면이 막 떨어지려는 순간에 멈춘다. 그때의 액체의 높이 h와 용수철의 탄성력 mg를 측정하여 표면장력 T를 측정한다.
그림1에서 원통형 테를 아래쪽으로 끄는 총 장력과 액주의 무게의 합은 용수철의 탄성력 mg와 같다. 즉,
F3 + F2 〓 F1
이 되며 힘의 평형 상태이다.
(F1 : 용수철의 탄성력 F2 : 물기둥의 무게 F3 : 액체의 표면장력)
2π(r1+r2)T+π(r12-r22)hρg〓mg (1)
여기서 ρ는 현재 온도에서의 액체의 밀도이다. 식(1)로부터 표면장력은
(2)
가 되고, 원통형 테가 아주 얇아 r1~r2 일 때 위 식(2) 의 제 2항은 무시되어
(3)
가 된다.
☞표면장력 : 액체내부에서는 여러 분자들로 쌓여 있으나 그 표면은 그렇지 못하다. 따라서 액체 표면에 물체가 있을 때 물체 표면 분자와 액체 표면 분자들 사이에 작용하는 힘을 표면장력이라 한다.

4. 실험방법

① 눈금 조절나사를 돌려 내부튜브가 나오도록 한다.

② 용수철과 눈금이 수직이 되도록 조절한 다음 분동접시와 ring, 비이커를 불순물이 없도록 알코올로 닦아 말린다.

③ 용수철에 분동접시와 ring을 건다. 이 때 실험대로부터 손을 떼어 용수철이 평형상태에 도달하도록 한다.

④ 1g부터 6g까지의 분동을 이용하여 용수철의 늘어난 길이를 측정한다. 분동의 질량을 증가시키면서 측정하고, 또한 감소시키면서 측정하여 이의 평균을 구한다.

⑤ 다음에 용수철저울이 Hooke의 법칙을 만족하는 가를 조사하여 본다. 즉 추의 무게와 늘어난 길이와의 그래프를 그려보고 일직선이 되는 가를 살펴본다.

⑥ 다음 비이커에 표면장력을 측정하려는 액체를 넣고 눈금 조절나사를 돌려 ring의 하부를 액체에 접촉시킨다. 이때도 역시 실험대로부터 손을 떼어 용수철과 물의 흔들림을 최소화한다.

…

⑦ 이때의 눈금 X1을 기록한다.

⑧ 내부튜브를 천천히 올려 ring의 하단이 수면에서 떨어져 올라가는 순간의 눈금 X2를 기록한다. 이 때 측정된 길이는 용수철의 늘어난 길이와 물기둥 높이 h의 합이 된다.

⑨ 위의 실험과정을 5회 반복하여 ΔX〓X2-X1 의 평균값을 구한다.

⑩ 이 평균값 ΔX에 해당하는 무게 mg를 ⑤번 과정에서 그린 그래프에서 찾아 이것을 용수철의 복원력 mg로 한다.

⑪ ring의 외경 2r1 과 내경 2r2 를 버니어 캘리퍼로 3회씩 측정한다.

5. 실험결과

1)측정값

① 분동의 질량과 늘어난 길이

6.90

17.43

② 그래프

③ 시료의 장력에 의한 용수철의 늘어난 길이