Symbol povrchového napätia. Začnite vo vede
Text práce je uverejnený bez obrázkov a vzorcov.
Plná verzia diela je dostupná v záložke „Pracovné súbory“ vo formáte PDF
Úvod
Vo svete okolo nás spolu s gravitáciou, elasticitou a trením existuje ďalšia sila, ktorej zvyčajne nevenujeme pozornosť. Táto sila pôsobí pozdĺž dotyčnice k povrchom všetkých kvapalín. Sila, ktorá pôsobí pozdĺž povrchu kvapaliny kolmo na čiaru ohraničujúcu tento povrch, má tendenciu ju znižovať na minimum, sa nazýva sila povrchového napätia. Je relatívne malý, jeho pôsobenie nikdy nespôsobuje silné účinky. Nemôžeme však naliať vodu do pohára a nemôžeme robiť nič so žiadnou tekutinou bez toho, aby sme vniesli do hry sily povrchového napätia. Na efekty nazývané povrchové napätie sme si tak zvykli, že ich nevnímame. Prejavy povrchového napätia kvapalín v prírode a technike sú prekvapivo rôznorodé. Zohrávajú dôležitú úlohu v prírode a v našom živote. Bez nich by sme nemohli písať s héliovým perom, náplne do tlačiarní by okamžite urobili veľkú škvrnu a vyprázdnili by celý zásobník. Ruky by sa nedalo namydliť – netvorila by sa pena. Slabý dážď by nás premočil a dúhu by nebolo možné vidieť bez ohľadu na počasie. Povrchové napätie zhromažďuje vodu do kvapôčok a vďaka povrchovému napätiu možno vyfúknuť mydlovú bublinu. Pomocou pravidla „Prekvapte sa včas“ od belgického profesora Plateaua pre výskumníkov budeme v našej práci uvažovať o neobvyklých experimentoch.
Účel práce: experimentálne otestovať prejavy povrchového napätia kvapalín, určiť koeficient povrchového napätia kvapalín metódou oddeľovania kvapiek.
Študovať náučnú, populárno-náučnú literatúru, využívať materiály na internete na tému „Povrchové napätie“;
vykonajte pokusy, aby ste dokázali, že správny tvar kvapaliny je guľa;
vykonávať experimenty so znižovaním a zvyšovaním povrchového napätia;
navrhnúť a zostaviť experimentálnu zostavu, pomocou ktorej sa určí koeficient povrchového napätia niektorých kvapalín metódou separácie kvapiek.
spracovať prijaté údaje a vyvodiť záver.
Predmet štúdia: kvapaliny.
Hlavná časť. Povrchové napätie
Obr. 1. G. Galileo
Početné pozorovania a experimenty ukazujú, že kvapalina môže mať formu, v ktorej má jej voľný povrch najmenšiu plochu. Vo svojej túžbe po kontrakcii by povrchový film dal kvapaline guľový tvar, ak by ju nepriťahovala k Zemi. Čím menší je pokles, tým väčšiu úlohu zohrávajú sily povrchového napätia. Preto malé kvapky rosy na listoch stromov a na tráve majú tvar gule, keď padajú voľným pádom, dažďové kvapky sú takmer striktne guľovité. Tendenciu kvapaliny zmršťovať sa na minimum možno pozorovať pri mnohých javoch, ktoré sa zdajú prekvapivé. Galileo sa zamyslel aj nad otázkou: prečo kvapky rosy, ktoré ráno videl na listoch kapusty, nadobúdajú guľovitý tvar? Tvrdenie, že kvapalina nemá svoj vlastný tvar, sa ukazuje ako nie celkom presné. Správnou formou kvapaliny je guľa ako najpriestrannejšia forma. Molekuly látky v kvapalnom stave sú umiestnené takmer blízko seba. Na rozdiel od pevných kryštalických telies, v ktorých molekuly tvoria usporiadané štruktúry v celom objeme kryštálu a môžu vykonávať tepelné vibrácie okolo pevných centier, majú molekuly kvapaliny väčšiu voľnosť. Každá molekula kvapaliny, rovnako ako v pevnej látke, je zo všetkých strán „obložená“ susednými molekulami a podlieha tepelným vibráciám okolo určitej rovnovážnej polohy. Z času na čas sa však môže ktorákoľvek molekula presunúť na blízke voľné miesto. Takéto skoky v kvapalinách sa vyskytujú pomerne často; preto molekuly nie sú viazané na špecifické centrá ako v kryštáloch a môžu sa pohybovať v celom objeme kvapaliny. To vysvetľuje tekutosť kvapalín. Vďaka silnej interakcii medzi tesne umiestnenými molekulami môžu vytvárať lokálne (nestabilné) usporiadané skupiny obsahujúce niekoľko molekúl. 1
Obrázok 2. Príklad usporiadania molekúl kvapaliny na krátke vzdialenosti a radu molekúl kryštalickej látky na veľké vzdialenosti: 1 - voda; 2 - ľad
Ako možno vysvetliť samovoľnú kontrakciu povrchu kvapaliny? Molekuly na povrchu a hlboko v kvapaline sú v rôznych podmienkach. Každá molekula vo vnútri kvapaliny je vystavená príťažlivým silám susedných molekúl, ktoré ju obklopujú zo všetkých strán. Výslednica týchto síl je nulová. Nad povrchom kvapaliny sa nachádza para, ktorej hustota je mnohonásobne menšia ako hustota kvapaliny a interakciu molekúl pary s molekulami kvapaliny možno zanedbať. Molekuly, ktoré sú na povrchu kvapaliny, sú priťahované iba molekulami, ktoré sú vo vnútri kvapaliny. Vplyvom týchto síl sú molekuly povrchovej vrstvy vťahované dovnútra, počet molekúl na povrchu klesá a plocha povrchu klesá. Ale nie všetky molekuly sa môžu pohybovať z povrchu do kvapaliny, tomu bránia odpudivé sily, ktoré vznikajú, keď sa vzdialenosti medzi molekulami zmenšujú. Pri určitých vzdialenostiach medzi molekulami vtiahnutými dovnútra a molekulami umiestnenými pod povrchom sa interakčné sily rovnajú nule a proces povrchovej kontrakcie sa zastaví. Počet molekúl zostávajúcich na povrchu je taký, že jeho plocha je minimálna pre daný objem kvapaliny. Keďže kvapalina je tekutá, má formu, v ktorej je počet molekúl na povrchu minimálny a guľa má minimálny povrch pre daný objem, to znamená, že kvapka kvapaliny má tvar blízky guľovitému tvaru. Najjednoduchší spôsob, ako pochopiť povahu síl povrchového napätia, je pozorovať tvorbu kvapky. Pozorne sa pozrite, ako kvapka postupne rastie, vytvára sa zúženie - krčok - a kvapka sa odlomí. Netreba veľa fantázie, aby ste si predstavili, že voda je uzavretá v elastickom vrecku a tento vak sa rozbije, keď hmotnosť presiahne jeho silu. V skutočnosti v kvapke samozrejme nie je nič iné ako voda, no samotná povrchová vrstva vody sa správa ako natiahnutá elastická fólia. Film mydlovej bubliny vytvára rovnaký dojem.
Skúsenosť č.1
Trenie kvapaliny smerom k minimu potenciálnej energie možno pozorovať pomocou mydlových bublín. Mydlový film je dvojitá povrchová vrstva. Ak vyfúknete mydlovú bublinu a potom prestanete nafukovať, začne zmenšovať objem a vytlačí prúd vzduchu.
Povrchové napätie je jav molekulárneho tlaku na kvapalinu spôsobený priťahovaním molekúl povrchovej vrstvy k molekulám vo vnútri kvapaliny. 5
The Plateau Experience (1849)
Ryža. 4. J.Plateau
Gadfly, ktorý podnietil belgického profesora k experimentu, bola náhoda. Do zmesi alkoholu a vody omylom nalial malé množstvo oleja a tá nadobudla tvar gule. Platón sa zamyslel nad touto skutočnosťou a načrtol sériu experimentov, ktoré neskôr brilantne vykonali jeho priatelia a študenti. Vo svojom denníku napísal pravidlo pre výskumníkov: "Je čas nechať sa prekvapiť." Rozhodol som sa preskúmať zážitok z Plateau, ale iným spôsobom: použiť v experimente slnečnicový olej a tónovanú mangánovú vodu.
Experiment dokazujúci, že homogénna kvapalina má tvar s minimálnym voľným povrchom
Možnosť zážitku z plošiny č. 2
1) Slnečnicový olej sa nalial do kadičky.
2) Pomocou očného kvapkadla kvapnite do slnečnicového oleja kvapku tónovanej mangánovej vody s priemerom približne 5 mm.
) Pozorovali sme vodné gule rôznych veľkostí, ktoré pomaly padali na dno a nadobúdali sploštený oválny tvar (foto 2).
5) Pozorovali sme, ako kvapka nadobudla správny tvar gule (foto 2).
Záver: Kvapalina, ktorá priťahuje molekuly povrchovej vrstvy, sa sama stlačí. Oválny sploštený tvar sa vysvetľuje tým, že hmotnosť kvapky, ktorá sa nemieša s olejom, je väčšia ako vztlaková sila. Správny tvar gule sa vysvetľuje tým, že kvapka pláva vo vnútri oleja: hmotnosť kvapky je vyvážená vztlakovou silou.
Pri voľnom páde, v stave beztiaže, majú dažďové kvapky prakticky tvar gule. Vo vesmírnej lodi nadobudne guľovitý tvar aj pomerne veľká masa kvapaliny.
Koeficient povrchového napätia
Pri absencii vonkajšej sily pôsobí sila povrchového napätia pozdĺž povrchu kvapaliny, čo znižuje povrchovú plochu filmu na minimum. Sila povrchového napätia je sila smerujúca tangenciálne k povrchu kvapaliny, kolmá na úsek obrysu, ktorý ohraničuje povrch, v smere jej kontrakcie.
Ơ - koeficient povrchového napätia - je to pomer modulu F sily povrchového napätia pôsobiacej na hranici povrchovej vrstvy ℓ k tejto dĺžke, konštantná hodnota nezávislá od dĺžky ℓ. Koeficient povrchového napätia závisí od charakteru okolitého média a teploty. Vyjadruje sa v newtonoch na meter (N/m).
Experimenty so zmenšením a zväčšením
Fotka 3
povrchové napätieSkúsenosť č.3
Dotknite sa stredu hladiny vody kúskom mydla.
Kusy peny sa začnú pohybovať od stredu k okrajom nádoby (foto 3).
Do stredu nádoby spadol benzín, alkohol, čistiaci prostriedok "víla"
Záver: Povrchové napätie týchto látok je menšie ako u vody.
Tieto látky sa používajú na odstránenie nečistôt, mastných škvŕn, sadzí, t.j. látky, ktoré sú nerozpustné vo vode Kvôli dosť vysokému povrchovému napätiu samotná voda nemá veľmi dobrý čistiaci účinok. Napríklad, keď sa molekuly vody dostanú do kontaktu so škvrnou, priťahujú sa k sebe viac ako častice nerozpustnej špiny. Mydlá a syntetické detergenty (SDC) obsahujú látky, ktoré znižujú povrchové napätie vody. Prvé mydlo, najjednoduchší prací prostriedok, bolo získané na Blízkom východe pred viac ako 5000 rokmi. Najprv sa používal najmä na umývanie a liečenie vredov a rán. A to až v 1. storočí nášho letopočtu. muž sa začal umývať mydlom.
Začiatkom 1. storočia sa zrodilo mydlo.
Človeka to zachránilo pred špinou a od mladosti sa stal čistým.
Hovorím vám o mydle, ktoré čoskoro zrodilo: šampón, gél, prášok.
Svet sa stal čistým, aký je dobrý!
Obr. 5. F. Gunther
Čistiace prostriedky sú prírodné a syntetické látky s čistiacim účinkom, najmä mydlo a pracie prášky používané v každodennom živote, priemysle a službách. Mydlo sa získava ako výsledok chemickej interakcie tuku a zásady. S najväčšou pravdepodobnosťou bol objavený čistou náhodou, keď sa mäso vyprážalo na ohni a tuk stekal na popol, ktorý má zásadité vlastnosti. Výroba mydla má dlhú históriu, ale prvý syntetický prací prostriedok (SDC) sa objavil v roku 1916, vynašiel ho nemecký chemik Fritz Gunther na priemyselné účely. Domáce SMS, viac-menej neškodné pre ruky, sa začali vydávať v roku 1933. Odvtedy sa vyvinulo množstvo syntetických detergentov (SDC) na úzke účely a ich výroba sa stala dôležitým odvetvím chemického priemyslu.
Voda sama o sebe nemá dostatočný čistiaci účinok kvôli povrchovému napätiu. Keď sa molekuly vody dostanú do kontaktu so škvrnou, priťahujú sa k sebe namiesto toho, aby zachytávali čiastočky nečistôt, inými slovami, nečistoty nezmáčajú.
Mydlá a syntetické pracie prostriedky obsahujú látky, ktoré zvyšujú zmáčacie vlastnosti vody znížením povrchového napätia. Tieto látky sa nazývajú povrchovo aktívne látky (tenzidy), pretože pôsobia na povrch kvapaliny.
V súčasnosti sa výroba SMS stala dôležitým odvetvím chemického priemyslu. Tieto látky sú tzv povrchovo aktívna látka(tenzidy), pretože pôsobia na povrch kvapaliny. Molekuly povrchovo aktívnej látky môžu byť reprezentované ako pulce. „Držia sa“ vody hlavami a tuku „chvostmi“. Keď sa povrchovo aktívne látky zmiešajú s vodou, ich molekuly na povrchu smerujú „hlavami“ nadol a „chvosty“ von. Tým, že tieto molekuly rozrušujú povrch vody týmto spôsobom, výrazne znižujú účinok povrchového napätia, čím pomáhajú vode prenikať do tkaniva. Tými istými „chvoskami“ molekuly povrchovo aktívnej látky (obr. 6) zachytávajú molekuly tuku, s ktorými sa stretávajú. 2
Skúsenosť č.4
1.Nalejte mlieko do tanierika tak, aby pokrývalo dno (foto 4)
2. Nakvapkajte 2 kvapky brilantnej zelenej na povrch mlieka
3. Pozorovali sme, ako sa žiarivá zelená „unášala“ od stredu k okrajom. Dve kvapky brilantnej zelenej pokrývajú väčšinu povrchu mlieka! (Foto 5)
Záver: povrchové napätie brilantnej zelenej je oveľa menšie ako u mlieka.
4. „Rozprávkový“ prostriedok na umývanie riadu bol nakvapkaný na povrch brilantnej zelene, videli sme, ako sa tento prostriedok rozlial po celom povrchu (foto 6).
Záver: Povrchové napätie čistiaceho prostriedku je menšie ako povrchové napätie brilantnej zelene.
Skúsenosť č.5
Voda sa naliala do širokej sklenenej nádoby.
Na povrch sa hádzali kúsky peny.
Dotknite sa stredu hladiny vody kúskom cukru.
Polystyrénové úponky sa začnú pohybovať od okrajov nádoby smerom do stredu (foto 7).
Záver: Povrchové napätie vodného roztoku cukru je väčšie ako povrchové napätie čistej vody.
Skúsenosť č.6
Odstraňovanie mastných škvŕn z povrchu látky
Vatu sme navlhčili benzínom a touto vatou navlhčili okraje škvrny (nie samotnú škvrnu). Benzín znižuje povrchové napätie, takže tuk sa hromadí v strede škvrny a môže sa odtiaľ odstrániť, ak namočíte samotnú škvrnu rovnakou vatou, môže sa zväčšiť v dôsledku zníženia povrchového napätia.
Na experimentálne stanovenie hodnoty povrchového napätia kvapaliny možno použiť proces tvorby a oddeľovania kvapiek vytekajúcich z kvapkadla.
Stručná teória metódy kvapkovej separácie
Malý objem samotnej kvapaliny nadobúda tvar blízko gule, pretože v dôsledku malej hmotnosti kvapaliny je gravitačná sila, ktorá na ňu pôsobí, tiež malá. To vysvetľuje sférický tvar malých kvapiek kvapaliny. Obrázok 1 zobrazuje fotografie zobrazujúce rôzne štádiá procesu tvorby a oddeľovania kvapiek. Fotografia bola urobená pomocou vysokorýchlostného filmovania; môžeme predpokladať, že v každom okamihu je v rovnováhe. Povrchové napätie spôsobuje kontrakciu povrchu kvapky, má tendenciu dať kvapke guľovitý tvar. Gravitácia umiestňuje ťažisko kvapky čo najnižšie. V dôsledku toho sa kvapka javí ako pretiahnutá (obr. 7a).
Ryža. 7. a B C d
Proces tvorby a separácie kvapiek
Čím väčší je pokles, tým väčšiu úlohu zohráva potenciálna energia gravitácie. Ako kvapka rastie, väčšina hmoty sa zhromažďuje na dne a na kvapke sa vytvára hrdlo (obr. 7b). Sila povrchového napätia smeruje vertikálne tangenciálne ku krku a vyrovnáva gravitačnú silu pôsobiacu na kvapku. Teraz stačí, aby sa kvapka dosť zväčšila a sily povrchového napätia už nevyrovnávajú silu gravitácie. Hrdlo kvapky sa rýchlo zužuje (obr. 7c) a následkom toho sa kvapka odlomí (obr. 7d).
Metóda merania koeficientu povrchového napätia niektorých kvapalín je založená na vážení kvapiek. V prípade pomalého prúdenia kvapaliny z malého otvoru závisí veľkosť vytvorených kvapiek od hustoty kvapaliny, koeficientu povrchového napätia, veľkosti a tvaru otvoru, ako aj od rýchlosti prúdenia. . Keď zmáčacia kvapalina pomaly vyteká zo zvislej valcovej rúrky, výsledná kvapka má tvar znázornený na obrázku 8. Polomer r hrdla kvapky súvisí s vonkajším polomerom rúrky R vzťahom r = kR (1)
kde k je koeficient závislý od veľkosti trubice a prietoku.
V momente oddelenia, hmotnosť kvapky sa musí rovnať výslednici síl povrchového napätia pôsobiacich po dĺžke rovnajúcej sa dĺžke obrysu krku v jeho najužšej časti. Môžeme teda písať
Mg = 2πrơ (2)
Dosadením hodnoty polomeru hrdla r z rovnosti (1) a jej riešením dostaneme
Ơ = mg/2πkR (3)
Na určenie hmotnosti kvapky sa do pohára so známou hmotnosťou odváži určitý počet n kvapiek. Ak je hmotnosť pohára bez kvapiek a s kvapkami M 0 a M, potom hmotnosť jednej kvapky
Dosadením posledného výrazu do vzorca (3) a zavedením jeho priemeru d namiesto polomeru rúrky dostaneme vzorec na výpočet
ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)
Výskumná práca „Stanovenie koeficientu povrchového napätia niektorých kvapalín metódou oddeľovania kvapiek“
Účel štúdie: určiť koeficient povrchového napätia kvapaliny odtrhnutím kvapiek niektorých kvapalín. Zariadenia: inštalácia na meranie koeficientu povrchového napätia, váhy, závažia, pohár, strmeň, stopky. Materiály: čistiace prostriedky: „Víla“, „Aos“, mlieko, alkohol, benzín, práškové roztoky: „Mýtus“, „Persil“, šampóny "Fruttis", « Pantene», "Schauma" a " Fruttis",sprchové gély" Sensen», "Monpensier" a " Objavte».
Popis zariadenia.
Na určenie koeficientu povrchového napätia bola zostavená zostava pozostávajúca zo statívu, na ktorý bola nainštalovaná byreta s testovanou kvapalinou. Na konci byrety je pripevnený hrot trubice, na konci ktorej sa vytvorí kvapka. Kvapky sa odvážili do špeciálneho pohára.
Priebeh štúdie
Pomocou posuvného meradla sa trikrát zmeral priemer hrotovej trubice a vypočítala sa priemerná hodnota d.
Na váhe sa odvážil čistý, suchý pohár (M 0).
Pomocou byretového kohútika sme dosiahli rýchlosť toku kvapiek
15 kvapiek za minútu.
60 kvapiek tekutiny sa nalialo z byrety do pohára, pričom sa presne počítalo množstvo kvapkajúcich kvapiek.
Odvážili sme pohár tekutiny. (M)
Získané hodnoty dosadíme do vzorca ơ = ((M-M0)g)/πkdn
Vypočítal sa koeficient povrchového napätia.
Experiment sa uskutočnil trikrát
Vypočítala sa priemerná hodnota koeficientu povrchového napätia.
Koeficient povrchového napätia v sústave SI sa meria v N/m.
Tabuľka č.1
Výsledky stanovenia koeficientu povrchového napätia (N/m)
Kvapalina |
Koeficient povrchového napätia |
|
Merané |
Tabuľkový |
|
Etanol |
||
mlieko (2,5) |
||
Mlieko (domáce kravské mlieko) |
||
„Mýtus“ práškový roztok |
||
Persil práškový roztok |
||
Čistiaci prostriedok "Víla" |
||
Čistiaci prostriedok "Aos" |
Záver: Zo študovaných kuchynských čistiacich prostriedkov, pričom všetky ostatné parametre ovplyvňujúce kvalitu „umývania“ sú rovnaké, je lepšie použiť produkt „ Víla" Zo študovaných pracích práškov " Mýtus“, pretože Práve ich riešenia majú najnižšie povrchové napätie. Preto prvý liek („ Víla") lepšie pomáha zmývať vo vode nerozpustné tuky z riadu, pretože je emulgátorom - prostriedkom, ktorý uľahčuje tvorbu emulzií (suspenzie najmenších častíc tekutej látky vo vode). Po druhé („ Mýtus") lepšie perie bielizeň, preniká do pórov medzi vláknami tkanín. Upozorňujeme, že pri použití kuchynských čistiacich prostriedkov nútime látku (najmä tuk) aspoň na chvíľu rozpustiť vo vode, pretože je „rozdrvený“ na drobné čiastočky. Počas tejto doby sa odporúča skôr opláchnuť nanesený umývací prostriedok prúdom čistej vody, ako oplachovať riad po určitom čase v nádobe. Okrem toho sa skúmalo povrchové napätie šampónov a sprchových gélov. Vzhľadom na dosť vysokú viskozitu týchto kvapalín je ťažké presne určiť ich koeficient povrchového napätia, ale je možné ho porovnať. Šampóny boli študované (metódou odtrhnutia kvapiek) „Pantene», "Schauma" a " Fruttis" ako aj sprchové gély“ Sensen», "Monpensier" a " Objavte».
Záver:
V šampónoch sa povrchové napätie v určitom rozsahu znižuje "Fruttis" - "Schauma" - "Pantene" v géloch - v rade "Monpensier" - "Objaviť" - "Zmysly".
Povrchové napätie šampónov je menšie ako povrchové napätie gélov (napr. Pantene» < «Zmysly„o 65 mN/m), čo odôvodňuje ich účel: šampóny – na umývanie vlasov, gély – na umývanie tela.
So všetkými ostatnými identickými vlastnosťami ovplyvňujúcimi kvalitu umývania je lepšie použiť študované šampóny. "Pantene" (obr. 9), zo študovaných sprchových gélov - „Zmysly“ (obr. 10).
Metóda trhania kvapiek, aj keď nie veľmi presná, sa však v lekárskej praxi používa. Touto metódou sa na diagnostické účely zisťuje povrchové napätie mozgovomiechového moku, žlče atď.
Záver
1. Získalo sa experimentálne potvrdenie teoretických záverov , čo dokazuje, že homogénna kvapalina má formu s minimálnym voľným povrchom
2. Boli uskutočnené pokusy so znižovaním a zvyšovaním povrchového napätia, ktorých výsledky dokázali, že mydlo a syntetické detergenty obsahujú látky, ktoré zvyšujú zmáčacie vlastnosti vody znížením sily povrchového napätia.
3. Stanoviť koeficient povrchového napätia kvapalín
a) študovala sa stručná teória metódy oddeľovania kvapiek;
b) bolo navrhnuté a zostavené experimentálne usporiadanie;
c) vypočítali sa priemerné hodnoty koeficientu povrchového napätia rôznych kvapalín a vyvodili sa závery.
4. Výsledky pokusov a výskumov sú prezentované vo forme tabuliek a fotografií.
Práca na projekte mi umožnila získať širšie znalosti v sekcii fyziky „Povrchové napätie“.
Svoj projekt by som rád ukončil slovami veľkého fyzika
A. Einstein:
"Stačí mi zažiť pocit večného tajomstva života, uvedomiť si a intuitívne pochopiť nádhernú štruktúru všetkých vecí a aktívne sa snažiť uchopiť aj to najmenšie zrnko inteligencie, ktorá sa prejavuje v prírode."
Zoznam použitých zdrojov a literatúry
http://www.physics.ru/
http://greenfuture.ru/
http://www.agym.spbu.ru/
Bukhovtsev B.B., Klimontovič Yu.L., Myakishev G.Ya., Fyzika, učebnica pre 9. ročník strednej školy - 4. vydanie - M.: Vzdelávanie, 1988 - 271 s.
Kasyanov V.A., Fyzika, 10. ročník, učebnica pre všeobecnovzdelávacie inštitúcie, M.: Drop, 2001. - 410 s.
Pinsky A.A. Fyzika: učebnica. Príručka pre 10 ročníkov s hĺbkovým štúdiom fyziky. M.: Vzdelávanie, 1993. - 416 s.
Yufanova I.L. Zábavné večery z fyziky na strednej škole: kniha pre učiteľov. - M.: Vzdelávanie, 1990. -215 s
Chuyanov V.Ya., Encyklopedický slovník mladého fyzika, M.: Pedagogika, 1984. - 350 s.
1 1 http://www.physics.ru/
2 http://greenfuture.ru
Príťažlivé sily medzi molekulami na povrchu kvapaliny im bránia v pohybe mimo neho.
Molekuly kvapaliny zažívajú sily vzájomnej príťažlivosti - v skutočnosti sa kvapalina okamžite neodparí. Na molekuly vo vnútri kvapaliny pôsobia príťažlivé sily iných molekúl zo všetkých strán, a preto sa navzájom vyrovnávajú. Molekuly na povrchu kvapaliny nemajú vonkajších susedov a výsledná príťažlivá sila smeruje dovnútra kvapaliny. V dôsledku toho má celý povrch vody tendenciu sa pod vplyvom týchto síl zmršťovať. Celkovo tento efekt vedie k vytvoreniu takzvanej sily povrchového napätia, ktorá pôsobí pozdĺž povrchu kvapaliny a vedie k vytvoreniu akéhosi neviditeľného, tenkého a elastického filmu na ňom.
Jedným z dôsledkov efektu povrchového napätia je, že na zväčšenie povrchovej plochy kvapaliny – jej natiahnutia – je potrebné vykonať mechanickú prácu na prekonanie síl povrchového napätia. V dôsledku toho, ak kvapalina zostane sama, má tendenciu nadobudnúť tvar, v ktorom je jej povrch minimálny. Tento tvar je, samozrejme, guľa - preto kvapky dažďa počas letu nadobúdajú takmer guľový tvar (hovorím "takmer", pretože pri lete sa kvapky mierne rozťahujú kvôli odporu vzduchu). Z rovnakého dôvodu sa kvapky vody na karosérii čerstvo navoskovaného auta zhromažďujú v perličkách.
Sily povrchového napätia sa využívajú v priemysle, najmä pri odlievaní guľových tvarov, ako sú brokové pelety. Kvapky roztaveného kovu sa pri páde z dostatočnej výšky nechajú za letu jednoducho stuhnúť a samy pred pádom do prijímacej nádoby stuhnú do tvaru guľôčok.
Môžeme uviesť mnoho príkladov pôsobenia síl povrchového napätia z nášho každodenného života. Vplyvom vetra sa na hladine oceánov, morí a jazier tvoria vlnky, pričom tieto vlnky sú vlny, pri ktorých je vzostupná sila vnútorného tlaku vody vyvážená zostupnou silou povrchového napätia. Tieto dve sily sa striedajú a na vode sa vytvárajú vlnky, rovnako ako sa vytvára vlna v dôsledku striedavého napínania a stláčania struny hudobného nástroja.
To, či sa kvapalina bude zhromažďovať v „guľôčkach“ alebo sa rozprestiera v rovnomernej vrstve po pevnom povrchu, závisí od pomeru síl medzimolekulovej interakcie v kvapaline spôsobujúcej povrchové napätie a príťažlivých síl medzi molekulami kvapaliny a pevný povrch. Napríklad v kvapalnej vode sú sily povrchového napätia spôsobené vodíkovými väzbami medzi molekulami ( cm. Chemické väzby). Povrch skla je zmáčaný vodou, pretože sklo obsahuje pomerne veľa atómov kyslíka a voda ľahko vytvára vodíkové väzby nielen s inými molekulami vody, ale aj s atómami kyslíka. Ak povrch skla namažete tukom, vodíkové väzby sa s povrchom nevytvoria a voda sa vplyvom vnútorných vodíkových väzieb, ktoré určujú povrchové napätie, zhromažďuje do kvapiek.
V chemickom priemysle sa do vody často pridávajú špeciálne zmáčadlá - povrchovo aktívne látky, - zabránenie hromadeniu kvapiek vody na akomkoľvek povrchu. Pridávajú sa napríklad do tekutých prostriedkov na umývanie riadu. Molekuly takýchto činidiel, ktoré sa dostanú do povrchovej vrstvy vody, výrazne oslabia sily povrchového napätia, voda sa nezhromažďuje v kvapkách a po vysušení nezanecháva na povrchu špinavé škvrny ( cm.
Molekuly kvapaliny na seba navzájom pôsobia príťažlivými a odpudivými silami, ktoré sa zreteľne prejavujú na diaľku r, nazývaný polomer molekulárneho pôsobenia (rádovo niekoľko molekulárnych priemerov). Polomer gule r nazývaná sféra molekulárneho pôsobenia. Ak sa molekula nachádza v povrchovej vrstve, to znamená, že je od povrchu vzdialená menej ako r, potom výslednica príťažlivých síl z okolitých molekúl smeruje do kvapaliny. Preto, aby sa molekula presunula z vnútra kvapaliny na jej povrch, musí byť vykonaná práca, v dôsledku čoho sa voľná energia povrchu zvyšuje. Voľná povrchová energia na jednotku povrchu kvapaliny sa nazýva koeficient povrchového napätia:
kde A je práca, ktorú je potrebné vykonať na zväčšenie plochy povrchu o S. V systéme SI koeficient povrchového napätia (meraný v J/m2.
V rovnovážnom stave je voľná energia systému minimálna, takže kvapalina, ponechaná napospas, má tendenciu zmenšovať svoj povrch. Poďme mentálne obmedziť určitú oblasť povrchovej vrstvy uzavretým obrysom. Obsahuje sily nazývané sily povrchového napätia, smerujúce tangenciálne k povrchu a kolmé na úsek obrysu, na ktorý pôsobia. Koeficient povrchového napätia (môže byť tiež definovaný ako sila na jednotku dĺžky obrysu obmedzujúca povrch:
Jeho jednotka merania v sústave SI je 1N/m (newtony na meter = 1 J/m2 alebo milingtony na meter.
Koeficient povrchového napätia závisí od chemického zloženia kvapaliny, prostredia, s ktorým hraničí, a teploty. So zvyšujúcou sa teplotou (klesá a pri kritickej teplote sa stáva nulou.
V závislosti od sily interakcie medzi molekulami kvapaliny a časticami tuhého telesa, ktoré sú s ňou v kontakte, je možné, že tuhé teleso môže alebo nemusí byť zmáčané kvapalinou. V oboch prípadoch je povrch kvapaliny v blízkosti hranice s pevným telesom zakrivený...
Povrchové napätie vody pri rôznych teplotách
Povrchové napätie (pri 20°C)
Povrchové napätie kvapalín
Látka | q, mN/m |
Roztavený hliník (pri t=7000 °C, v) | 840 |
Kvapalný dusík (pri t = -183 °C, p) | 6,2 |
acetón (p) | 24 |
Voda (pri t=0 0 С,в) | 75,6 |
Voda (pri t=20 °C, pri) | 72,8 |
Voda (pri t=100 0 С,в) | 58,8 |
Voda (pri t=374,15 °C, pri) | 0 |
Roztavené zlato (pri t=1130 °C, v) | 1102 |
Glycerín (c) | 63 |
Petrolej (pri t=0 0 С,в) | 29 |
Petrolej (c) | 24 |
Kvapalný kyslík (pri t=-183 °C, v) | 13,1 |
mlieko (v) | 46 |
olej (v) | 30 |
Mydlový roztok (v) | 40 |
ortuť (p) | 472 |
Roztavené olovo (pri t=350 0 C, v) | 442 |
Roztavené striebro (pri t=970 0 C, pri) | 930 |
Alkohol (pri t=0 0 С,в) | 22 |
éter (p) | 17 |
Povrchové napätie vodných roztokov (v dynoch/cm)
Konverzia na SI: 1 dyn/cm = 10 - 3 N/m
Solute | t, °C | Obsah, hm.% | |||
5 | 10 | 20 | 50 | ||
H2SO4 | 18 | - | 74,1 | 75,2 | 77,3 |
HNO3 | 20 | - | 72,7 | 71,1 | 65,4 |
NaOH | 20 | 74,6 | 77,3 | 85,8 | - |
NaCl | 18 | 74,0 | 75,5 | - | - |
Na2S04 | 18 | 73,8 | 75,2 | - | - |
NaNO3 | 30 | 72,1 | 72,8 | 74,4 | 79,8 |
KC1 | 18 | 73,6 | 74,8 | 77,3 | - |
KNO 3 | 18 | 73,0 | 73,6 | 75,0 | - |
K2CO3 | 10 | 75,8 | 77,0 | 79,2 | 106,4 |
NH 3 | 18 | 66,5 | 63,5 | 59,3 | - |
NH4C1 | 18 | 73,3 | 74,5 | - | - |
NH4NO3 | 100 | 59,2 | 60,1 | 61,6 | 67,5 |
MgCl2 | 18 | 73,8 | - | - | - |
CaCl2 | 18 | 73,7 | - | - | - |
Kvapalina je stav agregácie látky, medzistupeň medzi plynnou a pevnou látkou, preto má vlastnosti plynných aj pevných látok. Kvapaliny, podobne ako pevné látky, majú určitý objem a podobne ako plyny majú tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Molekuly plynu nie sú prakticky navzájom spojené intermolekulárnymi interakčnými silami. V tomto prípade je priemerná energia tepelného pohybu molekúl plynu oveľa väčšia ako priemerná potenciálna energia spôsobená príťažlivými silami medzi nimi, takže molekuly plynu sa rozlietajú v rôznych smeroch a plyn zaberá celý objem, ktorý je im poskytnutý. .
V pevných látkach a kvapalinách sú už príťažlivé sily medzi molekulami významné a udržujú molekuly v určitej vzdialenosti od seba. V tomto prípade je priemerná energia chaotického tepelného pohybu molekúl menšia ako priemerná potenciálna energia v dôsledku síl medzimolekulovej interakcie a nestačí prekonať sily príťažlivosti medzi molekulami, preto pevné látky a kvapaliny majú určitú objem.
Röntgenová difrakčná analýza kvapalín ukázala, že povaha usporiadania kvapalných častíc je stredná medzi plynom a pevnou látkou. V plynoch sa molekuly pohybujú chaoticky, takže v ich relatívnom usporiadaní neexistuje žiadny vzor. Pri pevných látkach sa používa tzv objednávka na dlhé vzdialenosti v usporiadaní častíc, t.j. ich usporiadané usporiadanie, opakujúce sa na veľké vzdialenosti. V kvapalinách sa vyskytuje tzv uzavrieť objednávku v usporiadaní častíc, t.j. ich usporiadané usporiadanie, opakujúce sa vo vzdialenostiach porovnateľných s medziatómovými.
Teória kvapalín ešte nie je úplne rozvinutá. Tepelný pohyb v kvapaline sa vysvetľuje tým, že každá molekula nejaký čas osciluje okolo určitej rovnovážnej polohy, po ktorej sa náhle presunie do novej polohy, oddelenej od pôvodnej vo vzdialenosti rádovo medziatómovej. Molekuly kvapaliny sa teda pohybujú pomerne pomaly v celej hmote kvapaliny a difúzia prebieha oveľa pomalšie ako v plynoch. So zvyšujúcou sa teplotou kvapaliny sa prudko zvyšuje frekvencia vibračného pohybu, zvyšuje sa pohyblivosť molekúl, čo spôsobuje zníženie viskozity kvapaliny.
Každá molekula kvapaliny je vystavená príťažlivým silám z okolitých molekúl, ktoré sa so vzdialenosťou rýchlo zmenšujú, preto je možné od určitej minimálnej vzdialenosti príťažlivé sily medzi molekulami zanedbať. Táto vzdialenosť (približne 10 -9 m) sa nazýva polomer molekulárneho pôsobenia r , a sféra polomeru r-sféra molekulárneho pôsobenia.
Izolujme molekulu vo vnútri kvapaliny A a okolo nej nakreslite guľu s polomerom r(obr. 10.1). Podľa definície stačí vziať do úvahy účinok na danú molekulu len tých molekúl, ktoré sú vo vnútri gule.
Obr. 10.1. molekulárne pôsobenie. Sily, ktorými tieto molekuly pôsobia na molekulu A, sú nasmerované rôznymi smermi a sú v priemere kompenzované, takže výsledná sila pôsobiaca na molekulu vo vnútri kvapaliny od iných molekúl je nulová. Iná situácia je, ak molekula, napr. IN, umiestnené od povrchu vo vzdialenosti menšej ako r. V tomto prípade je sféra molekulárneho pôsobenia len čiastočne umiestnená vo vnútri kvapaliny. Pretože koncentrácia molekúl v plyne umiestnenom nad kvapalinou je malá v porovnaní s ich koncentráciou v kvapaline, výsledná sila F, aplikovaný na každú molekulu povrchovej vrstvy, sa nerovná nule a smeruje do kvapaliny. Výsledné sily všetkých molekúl povrchovej vrstvy teda vyvíjajú na kvapalinu tlak, tzv molekulárne(alebo interné). Molekulový tlak nepôsobí na teleso umiestnené v kvapaline, pretože je spôsobené silami pôsobiacimi iba medzi molekulami samotnej kvapaliny.
Celková energia kvapalných častíc pozostáva z energie ich chaotického tepelného pohybu a potenciálnej energie v dôsledku síl medzimolekulovej interakcie. Na presun molekuly z hĺbky kvapaliny do povrchovej vrstvy je potrebné vynaložiť prácu. Táto práca sa vykonáva v dôsledku kinetickej energie molekúl a vedie k zvýšeniu ich potenciálnej energie. Preto molekuly v povrchovej vrstve kvapaliny majú väčšiu potenciálnu energiu ako molekuly vo vnútri kvapaliny. Táto dodatočná energia, ktorú majú molekuly v povrchovej vrstve kvapaliny, tzv povrchová energia,úmerné ploche vrstvy Δ S:
Δ W=σ Δ S,(10.1)
Kde σ – koeficient povrchového napätia, definovaná ako hustota povrchovej energie.
Keďže rovnovážny stav je charakterizovaný minimálnou potenciálnou energiou, kvapalina v neprítomnosti vonkajších síl nadobudne taký tvar, že pre daný objem má minimálny povrch, t.j. tvar gule. Pri pozorovaní najmenších kvapôčok zavesených vo vzduchu môžeme vidieť, že skutočne majú tvar guľôčok, ale trochu zdeformovaných pôsobením gravitácie. V podmienkach beztiaže má kvapka akejkoľvek kvapaliny (bez ohľadu na jej veľkosť) guľovitý tvar, ktorý bol experimentálne dokázaný na kozmických lodiach.
Podmienkou stabilnej rovnováhy kvapaliny je teda minimum povrchovej energie. To znamená, že kvapalina pre daný objem by mala mať najmenší povrch, t.j. kvapalina má tendenciu zmenšovať voľnú plochu povrchu. V tomto prípade možno povrchovú vrstvu kvapaliny prirovnať k napnutej elastickej fólii, v ktorej pôsobia ťahové sily.
Uvažujme povrch kvapaliny ohraničený uzavretým obrysom. Pôsobením síl povrchového napätia (sú nasmerované tangenciálne k povrchu kvapaliny a kolmo na úsek obrysu, na ktorý pôsobia) sa povrch kvapaliny stiahol a príslušný obrys sa posunul. Sily pôsobiace z vybranej oblasti na oblasti, ktoré ju ohraničujú, fungujú:
Δ A = fΔ lΔ X,
Kde f=F/Δ l –sila povrchového napätia pôsobiace na jednotku dĺžky obrysu povrchu kvapaliny. Je jasné, že Δ lΔ X= Δ S, tie.
Δ A = fAS.
Táto práca sa vykonáva znížením povrchovej energie, t.j.
Δ Α =Δ W.
Z porovnania výrazov je zrejmé, že
tj koeficient povrchového napätia σ sa rovná sile povrchového napätia na jednotku dĺžky obrysu ohraničujúceho povrch. Jednotkou povrchového napätia je newton na meter (N/m) alebo joule na meter štvorcový (J/m2). Väčšina kvapalín pri teplote 300 K má povrchové napätie rádovo 10 -2 -10 -1 N/m. Povrchové napätie klesá so zvyšujúcou sa teplotou, keďže sa zväčšujú priemerné vzdialenosti medzi molekulami kvapaliny.
Povrchové napätie výrazne závisí od nečistôt prítomných v kvapalinách , kvapaliny, ktoré oslabujú povrchové napätie, sa nazývajú povrchovo aktívne látky (tenzidy). Najznámejšou povrchovo aktívnou látkou vo vzťahu k vode je mydlo. Výrazne znižuje jeho povrchové napätie (z cca 7,5 10 -2 až do 4,5·10-2 N/m). Povrchovo aktívne látky znižujúce povrchové napätie vody sú aj alkoholy, étery, olej atď.
Existujú látky (cukor, soľ), ktoré zvyšujú povrchové napätie kvapaliny v dôsledku toho, že ich molekuly interagujú s molekulami kvapaliny silnejšie ako molekuly kvapaliny navzájom.
V stavebníctve sa povrchovo aktívne látky používajú na prípravu roztokov používaných pri spracovaní dielcov a konštrukcií pracujúcich v nepriaznivých atmosférických podmienkach (vysoká vlhkosť, zvýšené teploty, vystavenie slnečnému žiareniu a pod.).
Fenomén zvlhčovania
Z praxe je známe, že kvapka vody sa roztečie po skle a nadobudne tvar znázornený na obr. 10.2, pričom ortuť na tom istom povrchu sa zmení na mierne sploštenú kvapku. V prvom prípade hovoria, že kvapalina mokrá tvrdý povrch, v druhom - nezmáča sa jej. Zmáčanie závisí od charakteru síl pôsobiacich medzi molekulami povrchových vrstiev kontaktných médií. V prípade zmáčacej kvapaliny je príťažlivá sila medzi molekulami kvapaliny a pevnej látky väčšia ako medzi molekulami samotnej kvapaliny a kvapalina má tendenciu sa zvyšovať
povrch kontaktu s pevným telesom. Pre nezmáčajúcu kvapalinu je príťažlivá sila medzi molekulami kvapaliny a pevnej látky menšia ako medzi molekulami kvapaliny a kvapalina má tendenciu zmenšovať povrch svojho kontaktu s pevnou látkou.
Na čiaru dotyku troch médií (bod 0 je jej priesečník s rovinou výkresu) pôsobia tri sily povrchového napätia, ktoré sú nasmerované tangenciálne dovnútra kontaktnej plochy príslušných dvoch médií. Tieto sily na jednotku dĺžky línie kontaktu sa rovnajú zodpovedajúcim povrchovým napätiam σ 12 , σ 13 , σ 23 . Rohový θ medzi dotyčnicami k povrchu kvapaliny a tuhej látky sa nazýva okrajový uhol. Podmienkou rovnováhy kvapky je, aby súčet priemetov síl povrchového napätia na smer dotyčnice k povrchu tuhého telesa bol rovný nule, t.j.
–σ 13 + σ 12 + σ 23 cos θ =0 (10.2)
cos θ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)
Z podmienky vyplýva, že kontaktný uhol môže byť ostrý alebo tupý v závislosti od hodnôt σ 13 a σ 12. Ak σ 13 >σ 12 potom cos θ >0 a uhol θ pikantné, t.j. kvapalina zmáča pevný povrch. Ak σ 13 <σ 12 potom cos θ <0 и угол θ – tupý, teda kvapalina nezmáča pevný povrch.
Kontaktný uhol spĺňa podmienku (10.3), ak
(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.
Ak nie je splnená podmienka, potom kvapka tekutiny v akejkoľvek hodnote θ nemôže byť v rovnováhe. Ak σ 13 >σ 12 +σ 23, potom sa kvapalina roztečie po povrchu pevnej látky a pokryje ju tenkým filmom (napríklad petrolej na povrchu skla), – k tomu dochádza úplné zvlhčenie(v tomto prípade θ =0).
Ak σ 12 >σ 13 +σ 23, potom sa kvapalina zmršťuje do guľovej kvapky, ktorá má s ňou iba jeden kontaktný bod (napríklad kvapka vody na povrchu parafínu), - úplné nezmáčanie(v tomto prípade θ =π).
Zmáčanie a nezmáčanie sú relatívne pojmy, t.j. kvapalina, ktorá zmáča jeden pevný povrch, nezmáča druhý. Napríklad voda zmáča sklo, ale nezmáča parafín; Ortuť nezmáča sklo, ale za mokra čistí kovové povrchy.
Fenomény vlhnutia a nezmáčania majú v technike veľký význam. Napríklad pri spôsobe flotačného zhodnocovania rudy (oddeľovanie rudy od odpadovej horniny) sa táto jemne rozdrvená trepe v kvapaline, ktorá zmáča odpadovú horninu a nezmáča rudu. Cez túto zmes sa vháňa vzduch a potom sa usadzuje. V tomto prípade častice horniny navlhčené kvapalinou klesajú na dno a zrná minerálov sa „lepia“ na vzduchové bubliny a plávajú na povrch kvapaliny. Pri obrábaní kovov sa vlhčia špeciálnymi kvapalinami, čo uľahčuje a urýchľuje povrchovú úpravu.
V stavebníctve je fenomén vlhnutia dôležitý pre prípravu tekutých zmesí (tmel, tmel, malty na murovanie a príprava betónu). Je potrebné, aby tieto tekuté zmesi dobre zmáčali povrchy stavebných konštrukcií, na ktoré sa nanášajú. Pri výbere zložiek zmesi sa berú do úvahy nielen kontaktné uhly pre páry zmes - povrch, ale aj povrchovo aktívne vlastnosti kvapalných zložiek.