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)

    Obr. 1: Pomůcky
  • 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.

    Obr. 2: Nalevo studená  voda, napravo horká voda

    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.

    Obr. 3: Rozdíl výšek hladin u studené a horké vody
  • 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.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od střední školy
Potřebné vybavení: proveditelné s pomůckami, které se na školách obvykle vyskytují
Čas přípravy pokusu: 3–10 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
Původní zdroj: Inspirováno úlohou z: Obdržálek, J.: Řešené příklady z
termodynamiky, molekulové a statistické fyziky. Matfyzpress, Praha 2015.
ISBN978-80-7378-300-6
×Původní zdroj: Inspirováno úlohou z: Obdržálek, J.: Řešené příklady z termodynamiky, molekulové a statistické fyziky. Matfyzpress, Praha 2015. ISBN978-80-7378-300-6