Sbírka fyzikálních pokusů

Výška hladiny kapaliny v kapiláře

Pokus číslo: 1978

• Cíl pokusu

  Cílem tohoto experimentu je ukázat závislost výšky, do které vystoupá hladina kapaliny v kapiláře, na vniřním průměru kapiláry a na teplotě vody, do které kapiláru ponoříme.

• Teorie - kapilární jevy

  Ponoříme-li kapiláru (trubičku o velmi malém vnitřním poloměru) do nádoby s kapalinou, vystoupá hladina kapaliny v kapiláře výše (nebo níže), než je hladina kapaliny vně kapiláry.

  U kapalin smáčejících stěny nádoby dochází ke kapilární elevaci - hladina v kapiláře vystoupá výš, než je hladina kapaliny vně nádoby.

  U nesmáčivých kapalin dochází ke kapilární depresi - jejich hladina klesne níže, než je hladina vně nádoby.

  Vzdálenost hladin h v kapiláře a nádobě s kapalinou můžeme určit ze vztahu

  \[h = \frac{2σ}{rρg},\tag{1}\]

  kde σ značí povrchové napětí kapaliny při dané teplotě, r je poloměr kapiláry ρ je hustota kapaliny a g je tíhové zrychlení.

  Poznámka: Odvození vztahu pro určení elevační výšky v kapiláře lze najít v úloze Skleněné destičky ve vodě.

  Ze vztahu (1) vyplývá, že s rostoucím poloměrem kapiláry bude výška hladiny kapaliny v kapiláře klesat.

  Pokus předvedeme s obarvenou vodou. Výška hladiny bude kromě poloměru kapilár záviset také na teplotě vody. Povrchové napětí vody klesá s rostoucí teplotou. Na teplotě závisí i hustota vody, která od cca 4 °C s rostoucí teplotou též klesá.

  Poznámka: Řešení podobné úlohy najdete zde Výška hladiny kapaliny v kapiláře.

• Pomůcky

  • dvě nebo více kapilár o různých poloměrech

  • držák na kapiláry

  • nádoba na vodu

  • varná konvice

  • voda

  • dvě různá potravinářská barviva (nejsou nutná, ale výška hladiny bude lépe vidět, pokud bude voda obarvená)

  

• Postup

  1. Studenou vodu obarvíme potravinářským barvivem.

  2. Do obarvené vody ponoříme kapiláru.

  3. Pozorujeme, jak vysoko vystoupá hladina vody v kapiláře.

  4. Na kapilárách si můžeme fixou nebo lepicím papírkem označit, jak vysoko v jednotlivých kapilárách vystoupala studená voda.

  5. Pokus zopakujeme s horkou vodou.

• Vzorový výsledek

  Pro náš pokus jsme použili studenou vodu o teplotě přibližně 10 °C, kterou jsme obarvili modrým potravinářským barvivem a horkou vodu o teplotě asi 70 °C obarvenou červeným barvivem.

  Na obr. 2 je vidět kapilární elevace nejdříve studené, poté horké vody.

  

  Na obr. 3 je detail kapilár se studenou a horkou vodou. Pro porovnání výšek hladin jsme vedli úsečky od hladin v kapilárách se studenou vodou ke kapilárám s horkou vodou. Můžete vidět, že studená voda vystoupá v kapilárách výše, než horká voda.

  

• Metodické poznámky

  Výšku, do které vystoupala hladina vody, můžete změřit a porovnat ji s výpočtem podle vztahu (1). Dále se žáky můžete diskutovat, jestli se shoduje naměřená a teoreticky vypočtená výška kapilární elevace, popř. proč se tyto hodnoty liší.