Mechanik der Flüssigkeiten

Transkript

1 1 Mechanik der Flüssigkeiten

2 2 Inhalt Ein Adhäsionskeil selbst hergestellt 3 Experiment zur Oberflächenspannung (1) 4 Experiment zur Oberflächenspannung (2) 5 Experiment zur Oberflächenspannung (3) 6 Experiment zur Oberflächenspannung (4) 7 Experiment zur Oberflächenspannung (5) 8 Luftdruck und Oberflächenspannung halten eine Wassersäule 9 Verminderung der Oberflächenspannung (1) 10 Verminderung der Oberflächenspannung (2) 11 Verminderung der Oberflächenspannung (3) 12 Haarröhrchenwirkung (1) 13 Haarröhrchenwirkung (2) 14 Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte (1) 15 Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte (2) 16 Experiment zur Vorbereitung der Teilchenvorstellung 17 Ein einfacher Kartesianischer Taucher 18 Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten 19

3 3 Ein Adhäsionskeil selbst hergestellt Universalklemme flache Styroportasse a) Aus den beiden Glasplatten (Kunststoffplatten) wird mithilfe der Universalklemme, dem Holzstab und dem übrigen Stativmaterial in einer flachen Styroportasse ein Adhäsionskeil aufgebaut, wie es die Abbildung zeigt. Nun gießt man aus einem Becherglas etwas Wasser in die Tasse. Der Anstieg der Wasseroberfläche im Adhäsionskeil wird mit wasserfestem Faserschreiber gekennzeichnet. Glas-/Kunststoffplatte Holzstab 2 Glas- oder Kunststoffplatten (etwa Postkartenformat), Holzstab mit kleinem Durchmesser als Abstandhalter, wasserfester Faserstift, Spülmittel, Glasstab, flache Styroportasse (z. B. von der Fleischverpackung), Becherglas, Universalklemme, Stativ und Stativmaterial b) Außerhalb des Keils wird ein Spülmitteltropfen auf die Wasseroberfläche gebracht und die Veränderung der Wasseroberfläche im Adhäsionskeil beobachtet. a) Die Wasseroberfläche verläuft in einer Kurve, die zum schmäleren Ende des Keils hin ansteigt. b) Sobald der Spülmitteltropfen mit der Wasseroberfläche in Kontakt tritt, verändert sich die Form der Kurve. Sie gibt nach. a) Adhäsion zwischen Wasser- und Glasteilchen b) Verringerung der Oberflächenspannung Tipp: Dieser Versuch sollte in Analogie zur Haarröhrchenwirkung (je dünner, desto höher) durchgeführt werden.

4 4 Experiment zur Oberflächenspannung (1) Becherglas, Drahtstück (ev. gebogene Büroklammer), Spülmittel, 5 cent-stück Ein 5 cent-stück wird (z. B. mit einem gebogenen Drahtstück) auf die Wasseroberfläche gelegt. Anschließend werden einige Tropfen Spülmittel hinzugefügt Zunächst schwimmt die Münze auf der Wasseroberfläche. Nach der Spülmittelzugabe sinkt sie. Die Kraft zwischen den Teilchen an der Oberfläche einer Flüssigkeit, die Oberflächenspannung, verhindert ein Absinken der Münze. Die Oberflächenspannung wird z. B. durch Waschmittel verringert.

5 5 Experiment zur Oberflächenspannung (2) vor dem Eintauchen nach dem Eintauchen Draht, dünne Schnur (z. B. Zwirn oder Drachenschnur), Zange, Spülmittellösung Ein Stück Draht wird mit einer Zange zurechtgebogen und ein dünner Faden wird daran geknüpft, wie es die Abbildung zeigt. Die Versuchsanordnung wird in eine Spülmittellösung getaucht. Es bildet sich eine Seifenlamelle, die den Zwirn nach innen zieht. Wenn man am freien Ende des Zwirns zieht, spannt sich die Seifenlamelle, beim Loslassen entspannt sie sich wieder. Zwischen den Wasserteilchen wirken Kohäsionskräfte.

6 6 Experiment zur Oberflächenspannung (3) Kraftmesser Schnur Kunststoffring empfindlicher Kraftmesser oder Schraubenfeder, Kunststoffring (z. B. oberer Rand eines Joghurtbechers), Zwirn, Gefäß mit Wasser, Laborhebebühne, Stativ und Stativmaterial Ein Kunststoffring wird mit einer dünnen Schnur an einem empfindlichen Kraftmesser befestigt. Mittels Laborhebebühne Stativ und Stativmaterial wird das Experiment weiter aufgebaut, wie es die Abbildung zeigt. Die Laborhebebühne wird so eingestellt, dass der Ring die Wasseroberfläche berührt. Dann senkt man die Laborhebebühne langsam. Das Wasser wird vom Ring ein wenig hochgezogen und die Feder wird gedehnt. Zwischen den Wasserteilchen und den Teilchen des Rings wirken Adhäsionskräfte. Tipp: Bei unzureichender Materialausstattung kann der Versuch auch als Freihandexperiment durchgeführt werden. Dabei wird der Kraftmesser (oder eine empfindliche Schraubenfeder) mit der Hand langsam hochgezogen.

7 7 Experiment zur Oberflächenspannung (4) Bürette mit Wasser Bürette mit Spiritus Bürette, Spiritus, Stativ und Stativmaterial, Becherglas a) In eine Bürette werden (z. B.) 25 ml Wasser gefüllt. Der Hahn der Bürette wird so eingestellt, dass das Wasser in Tropfen mit zeitlich großem Abstand ausfließt. Die Anzahl der Tropfen von (z. B.) 20 ml wird gezählt. b) Der Versuch wird bei unveränderter Hahnstellung mit Spiritus wiederholt, wobei beim Einfüllen des Spiritus die Ausflussöffnung der Bürette mit dem Finger zugehalten wird. Ergebnis: Der Spiritus tropft wesentlich schneller. Es fallen etwa doppelt so viele Spiritustropfen aus der Ausflussöffnung wie Wassertropfen. Wegen der geringeren Oberflächenspannung des Alkohols (Spiritus), sind die Spiritustropfen kleiner als die Wassertropfen.

8 8 Experiment zur Oberflächenspannung (5) 2 Reagenzgläser, Alkohol (Spiritus), Injektionsspritze, Stativ und Stativmaterial Die beiden Reagenzgläser werden am Stativ befestigt. Ein Reagenzglas wird randvoll mit Wasser gefüllt. Mithilfe der Spritze wird dann noch so viel Wasser zugesetzt, dass sich ein möglichst hoher Wassergupf bildet. Analog verfährt man im zweiten Reagenzglas mit dem Spiritus. Der Wassergupf ist deutlich höher als der Spiritusgupf. Wasser hat eine größere Oberflächenspannung als Spiritus. Tipp: Wenn z. B. mit einem Zahnstocher ein Spülmitteltropfen vorsichtig auf den Wassergupf gebracht wird, kann man die Verringerung der Oberflächenspannung deutlich beobachten.

9 9 Luftdruck und Oberflächenspannung halten eine Wassersäule Glas mit glattem Rand, Tüll (oder Fliegengitter), Gummiringerl, Kunststoffplatte (oder Karton) Tüll Über das Glas wird ein Tüll (oder ein Fliegengitter) mithilfe eines Gummiringerls gespannt. Das Kunststoffplatte Glas wird randvoll mit Wasser gefüllt und mit einem Karton abgedeckt. Während man mit der Hand gegen den Karton drückt, wird das Gefäß um 180 gedreht. Nun zieht man den Karton vorsichtig seitlich weg. Das Wasser fließt nicht aus. Luftdruck und Oberflächenspannung halten die Wassersäule.

10 10 Verminderung der Oberflächenspannung (1) Gefäß mit Wasser, Pfeffermühle (oder Bärlappsporen), Spülmittel, Glasstab, ev. OH- Projektor Auf die Wasseroberfläche wird möglichst gleichmäßig Pfeffer gestreut. Dann setzt man mithilfe eines Glasstabs in der Mitte einen Spülmitteltropfen auf. Nach dem Aufsetzen des Spülmitteltropfens bewegt sich der Pfeffer zum Rand der Schale. Das Spülmittel vermindert die Oberflächenspannung. Tipp: Bei unzureichender Materialausstattung für Schülergruppen kann die Versuchsanordnung mit dem OH-Projektor projiziert werden, wobei man eine Glasschale (z. B. Kristallisierschale) verwendet.

11 11 Verminderung der Oberflächenspannung (2) Back-Papier ( Butterbrotpapier ) oder Alu-Folie, Spülmittel, Tropfpipette, Zahnstocher (ev. Glasstab) Auf das Back-Papier (die Alu-Folie) werden mithilfe der Tropfpipette einige Wassertropfen aufgesetzt. Anschließend taucht man den Zahnstocher (den Glasstab) in Spülmittel und berührt damit die Wassertropfen. Die Tropfen fließen nach Berührung mit dem Spülmittel auseinander. Das Spülmittel vermindert die Oberflächenspannung.

12 12 Verminderung der Oberflächenspannung (3) Rakete Spülmitteltropfen Spülmittelrakete aus Kunststofffolie oder dünnem Styropor wie in der Abbildung, Zahnstocher (ev. Glasstab), Spülmittel, Glasoder Kunststoffwanne Aus Kunststofffolie (dünnem Styropor) wird eine Spülmittelrakete vorbereitet, wie es die Abbildung zeigt. Die Rakete wird auf die Wasseroberfläche aufgesetzt und in ihren Brennraum wird mit dem Zahnstocher (Glasstab) ein Spülmitteltropfen gebracht. Die Rakete setzt sich in Bewegung. Das Spülmittel vermindert die Oberflächenspannung. Tipp: Die Versuchsanordnung lässt sich auch gut mit dem OH-Projektor projizieren. Dabei ist es günstiger, statt der Glas- oder Kunststoffwanne eine große Kristallisierschale zu verwenden.

13 13 Haarröhrchenwirkung (1) Haarröhrchen aus Glas mit verschiedenen Durchmessern, Glasgefäße, gefärbtes Wasser Haarröhrchen mit unterschiedlichem Durchmesser werden in gefärbtes Wasser getaucht. Das Wasser steigt in den Haarröhrchen von selbst hoch. Je enger das Röhrchen ist, desto höher steigt das Wasser darin. Zwischen den Wasserteilchen und den Teilchen des Glases wirken anziehende Kräfte wie zwischen den Teilchen des Rings und den Wasserteilchen im Experiment Oberflächenspannung (3).

14 14 Haarröhrchenwirkung (2) Schale, weiße Kreide, Lebensmittelfarbe, Spiritus Ein Stück weißer Kreide wird in eine Schale mit gefärbtem Spiritus gestellt. Nachdem der Spiritus das obere Ende des Kreidestücks erreicht hat, wird die Kreide aus der Schale genommen und nach der sicheren Verwahrung des Spiritus auf einer feuerfesten Unterlage angezündet. Haarröhrchenwirkung Tipp: Für diesen Versuch eignen sich nur Kreiden, die nicht zu dicht sind (diese haben in unseren Schulen meist quadratischen Querschnitt).

15 15 Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte (1) a Spielkarte b Spielkarte Rotwein Kontaktspalt Wasser Wasser Kontaktspalt Rotwein Rotwein (oder gefärbter Spiritus), 2 Gläser mit glattem Rand (z. B. 1/8 l-weingläser), Spielkarte (o. Ä.) Ein Glas wird randvoll mit Rotwein gefüllt, das andere mit Wasser. a) Man deckt das mit Rotwein gefüllte Glas mit der Karte ab und stellt es mit einigem Geschick umgekehrt genau auf den Rand des Wasserglases. Nun zieht man die Karte vorsichtig so weit seitlich weg, dass die beiden Flüssigkeiten durch einen schmalen Spalt in Kontakt treten können. b) Der Versuch wird wiederholt, wobei das Rotweinglas unten und das wassergefüllte Glas oben ist. Beobachtungen: a) Das Wasser und der Rotwein bleiben in ihren Gläsern. Die Flüssigkeiten mischen sich nicht. b) Der Rotwein steigt im Wasser auf. Die Flüssigkeiten mischen sich. Rotwein (Alkohol) hat eine geringere Dichte als Wasser. Tipp: Das Experiment kann auch mit heißem (z. B. rot gefärbtem) und kaltem (z. B. blau gefärbtem) Wasser durchgeführt werden.

16 16 Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte (2) Drahtring Schrotkugeln Reagenzglas, Schrotkugeln, 3 gleiche Standzylinder, kurzes Stück dünner Draht, Wasser, Spiritus, starke Kochsalzlösung, 3 Kartonkärtchen mit den Buchstaben A, B und C A B C Spiritus Wasser Salzlösung Vorbereitung: In ein Reagenzglas werden so viele Schrotkugeln gegeben, dass es im spiritusgefüllten Standzylinder zu drei viertel eintaucht. Die Eintauchtiefe wird mit einem dünnen Draht gekennzeichnet, den man um das Reagenzglas zu einem Ring wickelt. Die drei gleichen, mit den unterschiedlichen Flüssigkeiten gefüllten Standzylinder werden auf den Experimentiertisch gestellt (Reihenfolge: z. B. Wasser, Spiritus, Salzlösung) und mit den Kartonkärtchen gekennzeichnet, die mit den Buchstaben A, B und C beschriftet sind. Nun lässt man das vorbereitete Reagenzglas nacheinander in den drei Flüssigkeiten schwimmen und die Schüler beobachten die Eintauchtiefe. Lehrer: Welche Flüssigkeit vermutest du in A (B, C)? Im Spiritus taucht das selbstgefertigte Aräometer am tiefsten (bis zum Drahtring) ein, im Wasser ist die Eintauchtiefe geringer, in der Salzlösung am geringsten. Die Dichteunterschiede der drei Flüssigkeiten bewirken unterschiedlich großen Auftrieb.

17 17 Experiment zur Vorbereitung der Teilchenvorstellung vor dem Mischen Spiritus nach dem Mischen Glasrohr (Durchmesser: ca. 3 cm oder weniger; Höhe: ca. 60 cm oder mehr), dazupassender Gummistopfen, Lebensmittelfarbe, Spiritus, Becherglas, Glasstab, Stativ und Stativmaterial Wasser a) Das Glasrohr wird auf einer Seite mit dem Gummistopfen verschlossen, senkrecht am Stativ befestigt und randvoll mit Wasser gefüllt. Nun nimmt man das wassergefüllte Rohr Stopfen aus dem Stativ, deckt es mit der Hand ab, schwenkt es um 180 und bringt es anschließend wieder in die Ausgangslage. Der Lehrer oder die Lehrerin macht darauf aufmerksam, dass sich das Volumen nicht verändert hat. b) Das Rohr wird nur etwa bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt, das restliche Volumen wird vorsichtig mit gefärbtem Spiritus überschichtet, sodass es zu keinen Vermischungen kommt. Wieder schwenkt man das Rohr wie in Versuch a. Das Flüssigkeitsvolumen der Mischung ist deutlich kleiner. Spiritusteilchen und Wasserteilchen haben unterschiedliche Größe. Die kleinen Teilchen schlüpfen in die Lücken zwischen den großen Teilchen. Hinweis: Das Versuchsergebnis kann durch einen Analogieversuch verständlich gemacht werden: In zwei gleiche Bechergläser kommen gleiche Volumina große Bohnen und Salz. Wenn man nun die Bohnen auf das Salz leert, erhält man zunächst das doppelte Volumen. Vermischt man durch Schütteln, verringert sich das Gesamtvolumen, weil die Salzkörnchen in die Zwischenräume zwischen den Bohnen schlüpfen.

18 18 Ein einfacher Kartesianischer Taucher PET- Getränkeflasche mit Verschluss Reagenzglas Gummistopfen mit Bohrung PET-Getränkeflasche (2 l), Reagenzglas, dazupassender Gummistopfen mit einfacher Bohrung Beschreibung: Man füllt das Reagenzglas bis etwa 1,5 cm unter dem Rand mit Wasser, verschließt es mit dem gebohrten Gummistopfen und lässt es um 180 gewendet in die randvoll mit Wasser gefüllte Getränkeflasche gleiten. Die Flasche wird verschlossen. Bei Ausübung von Druck, füllt sich das Reagenzglas mit Wasser und sinkt zu Boden Allseitige Ausbreitung des Drucks in Flüssigkeiten Hinweis: Wenn das Reagenzglas trotz Druckanwendung nicht zu Boden sinkt, enthält es zu wenig Wasser.

19 19 Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten Digitalwaage, 1 cm 3 -Würfel aus einem beliebigen Metall, dünner Faden, kleines Becherglas (oder abgeschnittene Getränkeflasche aus Kunststoff), Wasser, Alkohol (Spiritus), Kochsalzlösung, Kraftmesser, Stativ und Stativmaterial Ein Becherglas mit Wasser wird auf die Waage gestellt. Die Anzeige wird durch Betätigung der Tara-Taste auf 0,0 g gestellt. Der 1 cm 3 -Würfel wird an einem dünnen Faden befestigt und in das Wasser getaucht. Der Anzeigenwert wird abgelesen. Das Experiment wird mit unterschiedlichen Flüssigkeiten (z. B. Alkohol und Kochsalzlösung) wiederholt. Digitalwaage Ergebnisse: Wasser: Alkohol: gesättigte Kochsalzlösung: 1 g 0,8 g 1,1 g Nach dem Gesetz von Archimedes gilt: Auftrieb = Gewicht der verdrängten Flüssigkeit. Da Kräfte immer paarweise auftreten, existiert auch zum Auftrieb eine Gegenkraft. Diese Gegenkraft wirkt auf die Waage. Die Waage zeigt demnach jene Masse an, die diese Gegenkraft ausübt. 1 g ist daher die Masse von 1 cm 3 verdrängtem Wasser Dichte: 1 kg/dm 3 Analoges gilt für Alkohol und Salzlösung.