СТАТЬЯ ОБНОВЛЕНА: 29.12.2019
Поверхностное натяжение воды – одно из самых интересных свойств воды.
Примеры поверхностного натяжение воды
Для лучшего понимания поверхностного натяжения воды приведем несколько его проявлений в реальной жизни:
- Когда мы видим как вода с кончика крана капает а не льётся - это поверхностное натяжение воды;
- Когда капля дождя в полете принимает округлую слегка вытянутую форму - это поверхностное натяжение воды;
- Когда вода на водонепроницаемой поверхности принимает шарообразную форму - это поверхностное натяжение воды;
- Рябь, возникающая при дуновении ветра на поверхности водоемов, так же является проявлением поверхностного натяжения воды;
- Вода в космосе принимает шарообразную форму благодаря поверхностному натяжению;
- Насекомое водомерка держится на поверхности воды благодаря именно этому свойству воды;
- Если на поверхность воды аккуратно положить иглу, она будет плавать;
- Если в стакан поочерёдно налить жидкости разной плотности и цвета, мы увидим, что они не смешиваются;
- Радужные мыльные пузыри, так же являются прекрасным проявление поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение - несколько точных определений
Большая медицинская энциклопедия
Поверхностное натяжение (П. н.) - это сила притяжения, с которой каждый участок поверхностной пленки (свободной поверхности жидкости или же любой поверхности раздела двух фаз) действует на смежные части поверхности. Внутреннее давление и П. н. Поверхностный слой жидкости ведет себя, как эластическая растянутая мембрана. Согласно представлению, развитому гл. обр. Лапласом (Laplace), это свойство жидких поверхностей зависит от «молекулярных сил притяжения, быстро убывающих с расстоянием. Внутри однородной жидкости силы, действующие на каждую молекулу со стороны молекул, ее окружающих, взаимно уравновешиваются. Но вблизи поверхности равнодействующая сил молекулярного притяжения направлена внутрь; она стремится втянуть поверхностные молекулы в толщу жидкости. Вследствие этого весь поверхностный слой подобно упругой растянутой пленке оказывает на внутреннюю массу жидкости в направлении, нормальном к поверхности, весьма значительное давление. По подсчетам это «внутреннее давление», под которым находится вся масса жидкости, достигает нескольких тысяч атмосфер. Оно возрастает на выпуклой поверхности и убывает на вогнутой. В силу стремления свободной энергии к минимуму всякая жидкость стремится принять форму, при к-рой ее поверхность - место действия поверхностных сил - имеет наименьшую возможную величину. Чем больше поверхность жидкости, тем большую площадь занимает ее поверхностная пленка, тем значительнее запас свободной поверхностной энергии, освобождающейся при ее сокращении. Натяжение, с которым каждый участок сокращающейся поверхностной пленки действует на смежные части (в направлении, параллельном свободной поверхности), называется П. н. В отличие от эластического напряжения упругого растянутого тела, П. н. не ослабевает по мере сжатия поверхностной пленки. … Поверхностное натяжение равняется работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить свободную поверхность жидкости на единицу. П. н. наблюдается на границе жидкости с газом (также и с собственным паром), с другой несмешивающейся жидкостью или же с твердым телом. Точно так же и твердое тело имеет П. н. на границе с газами и жидкостями. В отличие от П. н., к-рое жидкость (или твердое тело) имеет на своей свободной поверхности, граничащей с газообразной средой, натяжение на внутренней границе двух жидких (или жидкой и твердой) фаз удобно обозначить специальным термином-принятым в немецкой литературе, термином «пограничное натяжение» (Grenzflachenspannung). Если в жидкости растворено вещество, понижающее ее П. н., то свободная энергия уменьшается не только путём уменьшения величины пограничной поверхности, но и посредством адсорпции: поверхностно активное (или капилярноактивное) вещество собирается в повышенной концентрации в поверхностном слое …
…Большая медицинская энциклопедия. 1970
Подытожить все вышесказанное можно таким образом – молекулы, которые находятся на поверхности какой либо жидкости, в том числе и воды, притягиваются остальными молекулами внутрь жидкости, вследствие чего и возникает поверхностное натяжение. Подчеркнем, что это упрощенное понимание этого свойства.
Коэффициент поверхностного натяжения - определение
Политехнический терминологический толковый словарь
Коэффициент поверхностного натяжения - линейная плотность силы поверхностного натяжения на поверхности жидкости или на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.
Политехнический терминологический толковый словарь. Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц. 2014
Ниже мы приведем значения коэффициента поверхностного натяжения (К. п. н.) для различных жидкостей при температуре 20°C:
- К. п. н. ацетона - 0.0233 Ньютон / Метр;
- К. п. н. бензола - 0.0289 Ньютон / Метр;
- К. п. н. воды дистиллированной - 0.0727 Ньютон / Метр;
- К. п. н. глицерина - 0.0657 Ньютон / Метр;
- К. п. н. керосина - 0.0289 Ньютон / Метр;
- К. п. н. ртути - 0.4650 Ньютон / Метр;
- К. п. н. этилового спирта - 0.0223 Ньютон / Метр;
- К. п. н. эфира - 0.0171 Ньютон / Метр.
Коэффициенты поверхностного натяжения воды
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры жидкости. Приведем его значения при различных температурах воды.
Определение 1
Поверхностное натяжение – порыв жидкости уменьшить собственную свободную поверхность, то есть сократить избыток потенциальной энергии на границе разъединения с газообразной фазой.
Упругими характеристиками оснащены не только твердые физические тела, но и поверхность самой жидкости. Каждый в своей жизни видел, как растягивается мыльная пленка при небольшом выдувании пузырей. Силы поверхностного натяжения, которые возникают в мыльной пленке, удерживают на определенный период времени воздух, аналогичному тому, как резиновая растянувшаяся камера сохраняет воздух в футбольном мяче.
Поверхностное натяжение появляется на границе раздела основных фаз, например, газообразной и жидкой, или жидкой и твердой. Это непосредственно обусловлено тем, что элементарные частицы поверхностного слоя жидкости всегда испытывают различную силу притяжения изнутри и снаружи.
Указанный физический процесс возможно рассматривать на примере капли воды, где жидкость движется себя так, как будто она находится в эластичной оболочке. Здесь атомы поверхностного слоя жидкого вещества притягиваются к собственным внутренним соседям сильнее, чем к внешним частицам воздуха.
В целом поверхностное натяжение можно объяснить, как бесконечно малую или элементарную работу $\sigma A$, которую необходимо совершить для увеличения общей площади поверхности жидкости на бесконечно малую величину $dS$ при неизменной температуре $dt$.
Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях
Рисунок 2. Скалярная положительная величина. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Жидкость, в отличие от твердых тел и газов, не способна заполнить весь объем сосуда, в который она была помещена. Между паром и жидким веществом формируется определенная граница раздела, которая действует в особых условиях по сравнению с другой массой жидкости. Рассмотрим для более наглядного примера две молекулы $A$ и $B$. Частица $A$ находится внутри самой жидкости, молекула $B$ – непосредственно на ее поверхности. Первый элемент окружен другими атомами жидкости равномерно, поэтому действующие на молекулу силы со стороны попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия частиц всегда скомпенсированы, или, иными словами, их равнодействующая мощность равна нулю.
Молекула $B$ с одной стороны обрамлена молекулами жидкости, а с другой стороны –атомами газа, итоговая концентрация которых в значительной степени ниже, чем объединение элементарных частиц жидкости. Так как со стороны жидкости на молекулу $B$ воздействует гораздо больше молекул, чем со стороны идеального газа, равнодействующую всех межмолекулярных сил уже невозможно приравнять нулю, так как этот параметр направлен внутрь объема вещества. Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости оказалась в поверхностном слое, следует выполнить работу против нескомпенсированных сил. А это означает, что атомы приповерхностного уровня, по сравнению с частицами внутри жидкости, оснащены избыточной потенциальной энергией, которая носит название поверхностной энергии.
Коэффициент поверхностного натяжения
Рисунок 3. Поверхностное напряжение. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Определение 2
Коэффициент поверхностного натяжения – это физический показатель, характеризующий определенную жидкость и численно равный соотношению поверхностной энергии к общей площади свободной среды жидкости.
В физике основной единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в концепции СИ является {N}/{m}.
Указанная величина напрямую зависит от:
- природы жидкости (у «летучих элементах таких, как спирт, эфир, бензин, коэффициент поверхностного натяжения значительно меньше, чем у «нелетучих – ртути, воды);
- температуры жидкого вещества (чем выше температура, тем меньше итоговое поверхностное натяжение);
- свойств идеального газа, граничащий с данной жидкостью;
- наличия стабильных поверхностно-активных элементов таких, как стиральный порошок или мыло, которые способны уменьшить поверхностное натяжение.
Замечание 1
Также следует отметить, что параметр поверхностного натяжения не зависит от начальной площади свободной среды жидкости.
Из механики также известно, что неизменным состояниям системы всегда соответствует минимальное значение ее внутренней энергии. Вследствие такого физического процесса жидкое тело часто принимает форму с минимальной поверхностью. Если на жидкость не влияют посторонние силы или их действие крайне мало, ее элементы к форме сферы в виде капли воды или мыльного пузыря. Аналогичным образом начинают вести себя вода находясь в невесомости. Жидкость движется так, как будто по касательной к ее основной поверхности действуют факторы, сокращающие данную среду. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения возможно также определить, как основной модуль силы поверхностного натяжения, который в общем действует на единицу длины начального контура, ограничивающего свободную среду жидкости. Наличие указанных параметров делает поверхность жидкого вещества похожей на растянутую упругую пленку, с единственной разницей, что неизменные силы в пленке непосредственно зависят от площади ее системы, а сами силы поверхностного натяжения способны самостоятельно работать. Если положить небольшую швейную иглу на поверхность воды, гладь прогнется и не даст ей утонуть.
Действием внешнего фактора можно описать скольжение легких насекомых таких, как водомерки, по всей поверхности водоемов. Лапка этих членистоногих деформирует водную поверхность, тем самым увеличивая ее площадь. В результате этого возникает сила поверхностного натяжения, стремящаяся уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сила будет всегда направлена исключительно вверх, компенсируя при этом действие тяжести.
Результат действия поверхностного натяжения
Под воздействием поверхностного натяжения небольшие количества жидких сред стремятся принять шарообразную форму, которая будет идеально соответствовать наименьшей величине окружающей среды. Приближение к шаровой конфигурации достигается тем больше, чем слабее начальные силы тяжести, так как у малых капель показатель силы поверхностного натяжения гораздо превосходит влияние тяжести.
Поверхностное натяжение считается одной из важнейших характеристик поверхностей раздела фаз. Оно непосредственно воздействует на формирование мелкодисперсных частиц физических тел и жидкостей при их разделении, а также на слияние элементов или пузырьков в туманах, эмульсиях, пенах, на процессы адгезии.
Замечание 2
Поверхностное натяжение устанавливает форму будущих биологических клеток и их основных частей.
Изменение сил данного физического процесса влияет на фагоцитоз и на процессы альвеолярного дыхания. Благодаря этому явлению пористые вещества могут в течение длительного времени удерживать огромное количество жидкости даже из паров воздуха, Капиллярные явления, предполагающие изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в более широком сосуде, весьма распространены. Посредством данных процессов обусловлено поднятие воды в почве, по корневой системе растений, движение биологических жидкостей по системе мелких канальцев и сосудов.
На этом уроке пойдет речь о жидкостях и их свойствах. С точки зрения современной физики, жидкости являются наиболее сложным предметом исследований, потому что по сравнению с газами уже нельзя говорить о пренебрежимо малой энергии взаимодействия между молекулами, а по сравнению с твердыми телами нельзя говорить об упорядоченном расположении молекул жидкости (в жидкости отсутствует дальний порядок). Это приводит к тому, что жидкости обладают рядом интереснейших свойств и их проявлений. Об одном таком свойстве и пойдет речь на этом уроке.
Для начала, обсудим особые свойства, которыми обладают молекулы приповерхностного слоя жидкости по сравнению с молекулами, находящимися в объеме.
Рис. 1. Отличие молекул приповерхностного слоя от молекул, находящихся в объеме жидкости
Рассмотрим две молекулы А и Б. Молекула А находится внутри жидкости, молекула Б - на ее поверхности (Рис. 1). Молекула А окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу А со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, или их равнодействующая равна нулю.
Что же происходит с молекулой Б, которая находится у поверхности жидкости? Напомним, что концентрация молекул газа, который находится над жидкостью, значительно меньше, чем концентрация молекул жидкости. Молекула Б с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны - сильно разреженными молекулами газа. Поскольку со стороны жидкости на нее действует гораздо больше молекул, то равнодействующая всех межмолекулярных сил будет направлена внутрь жидкости.
Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил.
Вспомним, что работа - это изменение потенциальной энергии, взятое со знаком минус.
Значит, молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией.
Эта избыточная энергия является составляющей внутренней энергии жидкости и называется поверхностной энергией . Обозначается она, как , и измеряется, как и любая другая энергия, в джоулях.
Очевидно, что чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше таких молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, а значит тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:
,
где - площадь поверхности, а - коэффициент пропорциональности, который мы назовем коэффициентом поверхностного натяжения , этот коэффициент характеризует ту, или иную жидкость. Запишем строгое определение этой величины.
Поверхностное натяжение жидкости (коэффициент поверхностного натяжения жидкости) - это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости
Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в ньютонах, деленных на метр.
Обсудим, от чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Для начала, вспомним, что коэффициент поверхностного натяжения характеризует удельную энергию взаимодействия молекул, а значит факторы, изменяющие эту энергию, изменят и коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Итак, коэффициент поверхностного натяжения зависит от:
1. Природы жидкости (у «летучих» жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у «нелетучих» - воды, ртути и жидких металлов).
2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).
3. Наличие поверхностно активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например мыла или стирального порошка.
4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.
Отметим, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади поверхности, так как для одной отдельно взятой приповерхностной молекулы абсолютно неважно, сколько таких же молекул вокруг. Обратите внимание на таблицу, в которой приведены коэффициенты поверхностного натяжения различных веществ, при температуре :
Таблица 1. Коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом, при
Итак, молекулы приповерхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в объеме жидкости. В курсе механики было показано, что любая система стремится к минимуму потенциальной энергии. Например, тело, брошенное с некоторой высоты, будет стремиться упасть вниз. Кроме того, вы чувствуете себя намного комфортнее лёжа, поскольку в этом случае максимально низко расположен центр масс вашего тела. К чему приводит стремление уменьшить свою потенциальную энергию в случае жидкости? Поскольку поверхностная энергия зависит от площади поверхности, значит, любой жидкости энергетически невыгодно иметь большую площадь поверхности. Иными словами, в свободном состоянии жидкость будет стремиться сделать свою поверхность минимальной.
В этом легко убедиться, экспериментируя с мыльной пленкой. Если окунуть в мыльный раствор некий проволочный каркас, то на нем образуется мыльная пленка, при чем пленка приобретет такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (Рис. 2).
Рис. 2. Фигуры из мыльного раствора
Убедиться в существовании сил поверхностного натяжения можно при помощи простого эксперимента. Если к проволочному кольцу в двух местах привязана нить, причем так, чтобы длина нити была несколько больше длины хорды, соединяющей точки крепления нити, и обмакнуть проволочное кольцо в мыльный раствор (Рис. 3а), мыльная пленка затянет всю поверхность кольца и нить будет лежать на мыльной пленке. Если теперь порвать пленку с одной стороны нити, мыльная пленка, оставшаяся с другой стороны нити, сократится и натянет нить (Рис. 3б).
Рис. 3. Эксперимент по обнаружению сил поверхностного натяжения
Почему же так произошло? Дело в том, что оставшийся сверху мыльный раствор, то есть жидкость, стремится сократить площадь своей поверхности. Таким образом, нить вытягивается вверх.
Итак, в существовании силы поверхностного натяжения мы убедились. Теперь научимся ее рассчитывать. Для этого проведем мысленный эксперимент. Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна (Рис. 4). Будем растягивать мыльную пленку, действуя на подвижную сторону рамки силой . Таким образом, на перекладину действуют три силы - внешняя сила и две силы поверхностного натяжения , действующие вдоль каждой поверхности пленки. Воспользовавшись вторым законом Ньютона, можем записать, что
Рис. 4. Вычисление силы поверхностного натяжения
Если под действием внешней силы перекладина переместится на расстояние , то эта внешняя сила совершит работу
Естественно, что за счет совершения этой работы площадь поверхности пленки увеличится, а значит, увеличится и поверхностная энергия, которую мы можем определить через коэффициент поверхностного натяжения:
Изменение площади, в свою очередь можно определить следующим образом:
где - длина подвижной части проволочной рамки. Учитывая это, можно записать, что работа внешней силы равна
Приравнивая правые части в (*) и (**), получим выражение для силы поверхностного натяжения:
Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины линии, ограничивающей поверхность
Итак, мы еще раз убедились в том, что жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной. Можно показать, что при заданном объеме площадь поверхности будет минимальной у шара. Таким образом, если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать сферическую форму. Так, например, будет вести себя вода в невесомости (Рис. 5) или мыльные пузыри (Рис. 6).
Рис. 5. Вода в невесомости
Рис. 6. Мыльные пузыри
Наличием сил поверхностного натяжения также можно объяснить то, почему металлическая иголка «лежит» на поверхности воды (Рис. 7). Иголка, которую аккуратно положили на поверхность, деформирует ее, увеличивая тем самым площадь этой поверхности. Таким образом, возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, и она скомпенсирует силу тяжести.
Рис. 7. Иголка на поверхности воды
Таким же образом можно объяснить принцип действия пипетки. Капелька, на которую действует сила тяжести, вытягивается вниз, тем самым увеличивая площадь своей поверхности. Естественно, возникают силы поверхностного натяжения, равнодействующая которых противоположна направлению силы тяжести, и которые не дают капельке растягиваться (Рис. 8). Когда вы нажимаете на резиновый колпачок пипетки, вы тем самым создаете дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, и в результате, капля падает вниз.
Рис. 8. Принцип работы пипетки
Приведем еще один пример из повседневной жизни. Если опустить кисточку для рисования в стакан с водой, то ее волоски распушатся. Если теперь вынуть эту кисточку из воды, то вы заметите, что все волоски прилипли друг к другу. Это связано с тем, что площадь поверхности воды, налипшей на кисточку, в таком случае будет минимальной.
И еще один пример. Если вы захотите построить замок из сухого песка, это у вас вряд ли получится, поскольку песок будет рассыпаться под действием силы тяжести. Однако если вы намочите песок, то он будет сохранять свою форму благодаря силам поверхностного натяжения воды между песчинками.
Наконец, отметим, что теория поверхностного натяжения помогает найти красивые и простые аналогии при решении более сложных физических задач. Например, когда нужно построить лёгкую и в то же время прочную конструкцию, на помощь приходит физика того, что происходит в мыльных пузырях. А построить первую адекватную модель атомного ядра удалось, уподобив это атомное ядро капле заряженной жидкости.
Список литературы
- Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. «Физика 10». - М.: Просвещение, 2008.
- Я. Е. Гегузин «Пузыри», Библиотека Квант. - М.: Наука, 1985.
- Б. М. Яворский, А. А. Пинский «Основы физики» т. 1.
- Г. С. Ландсберг «Элементарный учебник физики» т. 1.
- Nkj.ru ().
- Youtube.com ().
- Youtube.com ().
- Youtube.com ().
Домашнее задание
- Решив задачи к данному уроку, вы сможете подготовиться к вопросам 7,8,9 ГИА и вопросам А8, А9, A10 ЕГЭ.
- Гельфгат И.М., Ненашев И.Ю. «Физика. Сборник задач 10 класс» 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
- Опираясь на задачу 5.47, определите коэффициент поверхностного натяжения воды и мыльного раствора.
Список вопросов-ответов
Вопрос: Почему поверхностное натяжение меняется с изменением температуры?
Ответ: При увеличении температуры, молекулы жидкости начинают двигаться быстрее, и следовательно, молекулы легче преодолевают потенциальные силы притяжения. Что и приводит к уменьшению сил поверхностного натяжения, являющихся потенциальными силами, которыми связываются молекулы приповерхностного слоя жидкости.
Вопрос: Зависит ли коэффициент поверхностного натяжения от плотности жидкости?
Ответ: Да, зависит, поскольку от плотности жидкости зависит энергия молекул приповерхностного слоя жидкости.
Вопрос: Какие существуют способы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости?
Ответ: В школьном курсе изучаютдва способа определениякоэффициента поверхностного натяжения жидкости. Первый - это метод отрыва проволочки, его принцип описан в задаче 5.44 из домашнего задания, второй - метод счета капель, описанный в задаче 5.47.
Вопрос: Почему через некоторое время мыльные пузыри разрушаются?
Ответ: Дело в том, что через некоторое время, под действием силы тяжести пузырь становится толще внизу, чем вверху, и затем под влиянием испарения разрушается в какой-либо точке. Это приводит к тому, что весь пузырь, подобно воздушному шарику, схлопывается под действием не скомпенсированных сил поверхностного натяжения.
Определение 1
Поверхностное натяжение – порыв жидкости уменьшить собственную свободную поверхность, то есть сократить избыток потенциальной энергии на границе разъединения с газообразной фазой.
Упругими характеристиками оснащены не только твердые физические тела, но и поверхность самой жидкости. Каждый в своей жизни видел, как растягивается мыльная пленка при небольшом выдувании пузырей. Силы поверхностного натяжения, которые возникают в мыльной пленке, удерживают на определенный период времени воздух, аналогичному тому, как резиновая растянувшаяся камера сохраняет воздух в футбольном мяче.
Поверхностное натяжение появляется на границе раздела основных фаз, например, газообразной и жидкой, или жидкой и твердой. Это непосредственно обусловлено тем, что элементарные частицы поверхностного слоя жидкости всегда испытывают различную силу притяжения изнутри и снаружи.
Указанный физический процесс возможно рассматривать на примере капли воды, где жидкость движется себя так, как будто она находится в эластичной оболочке. Здесь атомы поверхностного слоя жидкого вещества притягиваются к собственным внутренним соседям сильнее, чем к внешним частицам воздуха.
В целом поверхностное натяжение можно объяснить, как бесконечно малую или элементарную работу $\sigma A$, которую необходимо совершить для увеличения общей площади поверхности жидкости на бесконечно малую величину $dS$ при неизменной температуре $dt$.
Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях
Рисунок 2. Скалярная положительная величина. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Жидкость, в отличие от твердых тел и газов, не способна заполнить весь объем сосуда, в который она была помещена. Между паром и жидким веществом формируется определенная граница раздела, которая действует в особых условиях по сравнению с другой массой жидкости. Рассмотрим для более наглядного примера две молекулы $A$ и $B$. Частица $A$ находится внутри самой жидкости, молекула $B$ – непосредственно на ее поверхности. Первый элемент окружен другими атомами жидкости равномерно, поэтому действующие на молекулу силы со стороны попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия частиц всегда скомпенсированы, или, иными словами, их равнодействующая мощность равна нулю.
Молекула $B$ с одной стороны обрамлена молекулами жидкости, а с другой стороны –атомами газа, итоговая концентрация которых в значительной степени ниже, чем объединение элементарных частиц жидкости. Так как со стороны жидкости на молекулу $B$ воздействует гораздо больше молекул, чем со стороны идеального газа, равнодействующую всех межмолекулярных сил уже невозможно приравнять нулю, так как этот параметр направлен внутрь объема вещества. Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости оказалась в поверхностном слое, следует выполнить работу против нескомпенсированных сил. А это означает, что атомы приповерхностного уровня, по сравнению с частицами внутри жидкости, оснащены избыточной потенциальной энергией, которая носит название поверхностной энергии.
Коэффициент поверхностного натяжения
Рисунок 3. Поверхностное напряжение. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Определение 2
Коэффициент поверхностного натяжения – это физический показатель, характеризующий определенную жидкость и численно равный соотношению поверхностной энергии к общей площади свободной среды жидкости.
В физике основной единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в концепции СИ является {N}/{m}.
Указанная величина напрямую зависит от:
- природы жидкости (у «летучих элементах таких, как спирт, эфир, бензин, коэффициент поверхностного натяжения значительно меньше, чем у «нелетучих – ртути, воды);
- температуры жидкого вещества (чем выше температура, тем меньше итоговое поверхностное натяжение);
- свойств идеального газа, граничащий с данной жидкостью;
- наличия стабильных поверхностно-активных элементов таких, как стиральный порошок или мыло, которые способны уменьшить поверхностное натяжение.
Замечание 1
Также следует отметить, что параметр поверхностного натяжения не зависит от начальной площади свободной среды жидкости.
Из механики также известно, что неизменным состояниям системы всегда соответствует минимальное значение ее внутренней энергии. Вследствие такого физического процесса жидкое тело часто принимает форму с минимальной поверхностью. Если на жидкость не влияют посторонние силы или их действие крайне мало, ее элементы к форме сферы в виде капли воды или мыльного пузыря. Аналогичным образом начинают вести себя вода находясь в невесомости. Жидкость движется так, как будто по касательной к ее основной поверхности действуют факторы, сокращающие данную среду. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения возможно также определить, как основной модуль силы поверхностного натяжения, который в общем действует на единицу длины начального контура, ограничивающего свободную среду жидкости. Наличие указанных параметров делает поверхность жидкого вещества похожей на растянутую упругую пленку, с единственной разницей, что неизменные силы в пленке непосредственно зависят от площади ее системы, а сами силы поверхностного натяжения способны самостоятельно работать. Если положить небольшую швейную иглу на поверхность воды, гладь прогнется и не даст ей утонуть.
Действием внешнего фактора можно описать скольжение легких насекомых таких, как водомерки, по всей поверхности водоемов. Лапка этих членистоногих деформирует водную поверхность, тем самым увеличивая ее площадь. В результате этого возникает сила поверхностного натяжения, стремящаяся уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сила будет всегда направлена исключительно вверх, компенсируя при этом действие тяжести.
Результат действия поверхностного натяжения
Под воздействием поверхностного натяжения небольшие количества жидких сред стремятся принять шарообразную форму, которая будет идеально соответствовать наименьшей величине окружающей среды. Приближение к шаровой конфигурации достигается тем больше, чем слабее начальные силы тяжести, так как у малых капель показатель силы поверхностного натяжения гораздо превосходит влияние тяжести.
Поверхностное натяжение считается одной из важнейших характеристик поверхностей раздела фаз. Оно непосредственно воздействует на формирование мелкодисперсных частиц физических тел и жидкостей при их разделении, а также на слияние элементов или пузырьков в туманах, эмульсиях, пенах, на процессы адгезии.
Замечание 2
Поверхностное натяжение устанавливает форму будущих биологических клеток и их основных частей.
Изменение сил данного физического процесса влияет на фагоцитоз и на процессы альвеолярного дыхания. Благодаря этому явлению пористые вещества могут в течение длительного времени удерживать огромное количество жидкости даже из паров воздуха, Капиллярные явления, предполагающие изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в более широком сосуде, весьма распространены. Посредством данных процессов обусловлено поднятие воды в почве, по корневой системе растений, движение биологических жидкостей по системе мелких канальцев и сосудов.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность темы : Знания по естественным наукам необходимы людям не только для объяснения явлений природы, но и для использования в практической деятельности. Проявляя интерес к физике, я может не станут физиком -теоретиком, а буду инженером, техником. Успех моей деятельности будет обеспечиваться не только умением мыслить, но и умением делать, и выбранная мною тема не только актуальна для изучения, она дает возможность к такой успешной деятельности. В окружающем нас мире наряду с тяготением и трением действует ещё одна сила, на которую мы мало обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью, без того, чтобы не привести в действие эту силу - силу поверхностного натяжения. Она играет большую роль в природе и технике, в физиологии нашего организма и жизни насекомых.
Область исследования - молекулярная физика
Предмет исследования - жидкость (вода, мыльный раствор, молоко, масло растительное.)
Цель: исследование поверхностных явлений в жидкостях и изучение существенных методов определения коэффициента поверхностного натяжения на границе «жидкость - воздух».
Задачи данной работы:
Изучение основ молекулярной физики, связанных с поверхностными явлениями в жидкостях.
Изучение применения поверхностного натяжения, его роли в окружающей нас действительности.
Экспериментально определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и натяжения проволочной рамки.
Сравнить полученные данные с табличными значениями.
Методы исследования: теоретический- сбор информации, анализ, синтез,
обобщение; экспериментальный - постановка вопроса; проектирование исследования; сбор данных; анализ результатов; выводы по эксперименту; публикация результатов.
В теоретической части работы рассматриваются основные теоретические сведения из области молекулярной физики поверхностного слоя жидкости.
В экспериментальной части приведены результаты исследовательской работы. Определены коэффициенты поверхностного натяжения жидкости (вода, молоко, растительное масло, мыльный раствор), и я выяснила как зависит поверхностное натяжение жидкости от температуры и рода жидкости.
2.Теоретическая часть 2.1. Интересные факты о форме жидкости.
Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости - шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него .
Жидкость (в отсутствии силы тяжести или в случае, когда она уравновешена силой Архимеда) принимает сферическую форму, имеющую минимальную поверхность при одном и том же объеме(см. прил.рис.1) . Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда “теряет” свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует — и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму. ..
Известно, что прованское масло плавает в воде, но тонет в спирте. Можно поэтому приготовить такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. Введя в эту смесь немного масла посредством шприца, можно странную вещь: масло собирается в большую круглуюкаплю, которая не всплывает и не тонет, а висит неподвижно (см. прил.рис.2) .
2.2. Поверхностное натяжение жидкости.
Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой . Каждая молекула жидкости, также, как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости . Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (см. прил.рис.3) .
Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы и внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулы со стороны соседних молекул, равна нулю (см. прил. рис.4) . Молекулы поверхностного слоя жидкости притягиваются только молекулами внутренних слоев, и под действием результирующей силы притяжения втягиваются внутрь жидкости. На поверхности остается число молекул, при котором площадь поверхности жидкости оказывается минимальной при данном объеме .
|
A внеш. =σ S, |
Коэффициент пропорциональности σ называется коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением (σ> 0) и представляет собой основную характеристику, зависящую от природы сред и их теплового состояния. A - работа, и она служит мерой изменения энергии . Эта энергия должна быть потенциальной, так как она связана с размещением молекул в поверхностном слое при постоянной температуре и общим свойством таких систем является самопроизвольное изменение состояния системы в направлении уменьшения запаса потенциальной энергии, чтобы привести систему в состояние с наименьшей потенциальной энергией. [ 7] .
Направленность процессов к уменьшению потенциальной энергии жидкости обуславливает свойство самопроизвольного сокращения свободной поверхности жидкости до возможного минимального значения . Стремление жидкостей стянуть свою поверхность, сделать ее минимальной может рассматриваться как некоторая сила, действующая вдоль поверхности. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости . Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму (см. прил. фото № 5) - в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения . Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (см. прил.рис.5) . В связи с этим поверхностное натяжение можно определить, как силу, стягивающую поверхность и отнесенную к единице длины.
, — коэффициент поверхностного натяжения. В системе единиц измерения - СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м 2) или в ньютонах на метр (1Н/м = Дж/м 2). Коэффициент поверхностного натяжения - важнейшая величина, характеризующая физические и химические свойства жидкости, используется в технологических процессах и учитывается в объяснении многих явлений: смачивания, кипения, флотации, кавитации. F - cила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка .
Следующие простые опыты дополнительно поясняют сущность сил поверхностного натяжения. Кольцо из проволоки с прикрепленной к нему в двух точках свободно подвешенной (не натянутой) нитью (см. прил.рис.6)погружается в мыльный раствор. При этом кольцо затягивается тонкой пленкой жидкости, а нить находится в равновесии, приняв случайную форму . Если теперь разрушить пленку по одну сторону от нити, прикоснувшись к пленке нагретой иглой, то нить натянется, приняв форму дуги окружности. Натяжение нити произошло под действием силы поверхностного натяжения со стороны сокращающейся пленки, силы, приложенной к нити, которая в данном случае является линией раздела . Сила эта, разумеется, во всех точках перпендикулярна к нити. Эта сила действовала на нить и. до разрушения пленки, но при этом на нее действовали одинаковые с обеих сторон силы. После же прорыва одной части пленки другая получила возможность уменьшить свою площадь и, как показывает форма на тянувшейся нити, площадь эта стала минимальной .
2.3. Явление смачивания и несмачивания
С поверхностными явлениями тесно связано поведение жидкости на границе с твердым телом. На границе соприкосновения с твердым телом поверхность жидкости может подниматься выше горизонтальной поверхности жидкости или опускаться ниже горизонтальной поверхности. . Жидкость, которая растекается по поверхности твердого тела, называется смачивающей , а жидкость, которая стягивается в каплю, - не смачивающей (см. прил.рис.7).Различие краевых углов в явлениях смачивания и несмачивания объясняется соответствием сил притяжения между молекулами твердого тела и жидкостей и сил межмолекулярного притяжения в жидкостях .. Если силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкости> F притяжения между молекулами жидкости, то жидкость будет смачивающей. Если молекулярное притяжение жидкости (внутри)> F притяжения между молекулами твердого тела и жидкости, то жидкость будет несмачивающей .
2.4. Капиллярные явления
«Сapillaris» - волос (в переводе с латинского) - узкие цилиндрические трубки с диаметром около миллиметра и менее называются капиллярами. То есть капиллярные явления - это явления в тонких трубках (капиллярах). В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. На этом основано действие полотенца при вытирании рук, действие фитиля в керосиновой лампе.
Очень часто жидкость, впитываясь в пористое тело, поднимается вверх. Капиллярность - явление подъёма или опускания жидкости в капиллярах [ 13] .В случае смачивающей жидкости (А)(см. прил.рис.8)силы притяжения Fж-т между молекулами жидкости и твердого тела (стенки капилляра) превосходят силы взаимодействия Fж между молекулами жидкости, поэтому жидкость втягивается внутрь капилляра, и подъем жидкости в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила Fв, действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h:(см. прил.рис.8 - В)Fв = mg . Жидкость, не смачивающая стенки капилляров(Б), опускается в нем на расстояние h (см. прил.рис.8) . По третьему закону Ньютона сила Fв, действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения Fпов., действующей на стенку по линии соприкосновения её с жидкостью: Fв = Fпов [ 8]
3. Практическая работа
3.1 Методы определения поверхностного натяжения . При исследовании поверхностных явлений на границе газ - жидкость наиболее часто используется метод, основанный на измерении поверхностного натяжения этой границы раздела, позволяющий, несмотря на его простоту, получить достаточно надежные данные. [ 15] . Существующие методы определения поверхностного натяжения делятся на три группы: статические, полустатические и динамические .
Статическими методами определяется поверхностное натяжение практически неподвижных поверхностей, образованных задолго до начала измерений и поэтому находящихся в равновесии с объемом жидкости. К этим методам относится метод капиллярного поднятия и метод лежащей или висящей капли (пузырька).
Динамические методы основаны на том, что некоторые виды механических воздействий на жидкость сопровождаются периодическими растяжениями и сжатиями ее поверхности, на которые влияет поверхностное натяжение. Этими методами определяется неравновесное значение . К динамическим методам относятся методы капиллярных волн и колеблющейся струи.
Полустатическими называются методы определения поверхностного натяжения границы раздела фаз, возникающей и периодически обновляемой в процессе измерения (метод максимального давления пузырька и сталагмометрический метод), а также методы отрыва кольца и втягивания пластины. Эти методы позволяют определить равновесное значение поверхностного натяжения, если измерения производятся в таких условиях, что время, в течение которого происходит формирование поверхности раздела, значительно больше времени установления равновесия в системе.
В данной работе для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости я использую полустатический метод: метод отрыва капель (сталагмометрический) и метод проволочной рамки. (втягивания пластины).
3.2 Метод отрыва капель . Наблюдая за отрывом капли жидкости от вертикальной узкой трубки, можно определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Рассмотрим, как растет капля жидкости(см. прил.рис.9).Размер капли постепенно нарастает, но отрывается она только тогда, когда достигает определенного размера (см. прил.рис.9, а).Пока капля недостаточно велика, силы поверхностного натяжения достаточны, чтобы противостоять силе тяжести и предотвратить отрыв. Перед отрывом образуется сужение - шейка капли (см. прил.рис.9 б) . Пока капля удерживается на конце капиллярной трубки, на нее будут действовать силы: (1) - сила тяжести, направленная вертикально вниз и стремящаяся оторвать каплю; силы поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно контуру l шейки капли. (см. прил.рис.10). Эти силы стремятся удержать каплю. Результирующая сила поверхностного натяжения направлена вверх и равна (2), где l -длина контура шейки капли. Когда сила тяжести станет равна силе поверхностного натяжения произойдет отрыв капли: (3). Для модулей сил: с учетом (2) и (3) запишем: [ 11]
Так как длина контура шейки каплигде d - диаметр шейки капли. Следовательно, откуда (4), где m- масса одной капли. Формула (4) является рабочей расчетной формулой.
Описанный способ экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости дает хорошие результаты, несмотря на то, что в действительности отрыв капли происходит не совсем так, как описано выше ..В действительности капля не отрывается по линии окружности шейки. В момент, когда размер капли достигает значения, определяемого равенством (3), шейка начинает быстро сужаться (см. прил.рис.9 б), причем ей сопутствует еще одна маленькая капля (см. прил.рис.9 с). Кроме того, в расчетах, диаметр шейки капли в момент отрыва можно принять равным внутреннему диаметру трубки, так как трубка достаточно узкая и ее диаметр сравним с диаметром шейки капли. Для расчета по формуле (4) необходимо во время измерения следить за чистотой капилляра и воды. Кроме того, коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры исследуемой жидкости: с ростом температуры он уменьшается. При комнатной температуре 20 С табличное значение коэффициента для воды табл = 72,510 3 Н/м. [ 9][ 2] .
Оборудование: сосуд с водой, пустой стакан, микрометр, весы с разновесом, тонкая стеклянная трубка (бюретка).
Ход работы: 1. Собрать установку. Измерить температуры в комнате и d.
2. Определить массу пустого стакана m 1 и накапать 30 капелек чистой воды. (см. прил. фото1).
3. Определить- m 2 - массу стакана с капельками воды. (см. прил. фото 2).
4. Найти массу одной капельки воды
6. Првести опыт 3 раза, используя 40 и 50 капель.
7. Найти δ ср. == [ 11]
│Δδ│ 1 =│δср.-δ 1 │ │Δδ│ 2 =│δср.-δ 2 │Δδ│ 3 =│δср.-δ 3 │
Δδ ср. = и E = 100 %
Данные занести в таблицу (см. прил. таблица № 1). 9. Сравнить рассчитанное значение коэффициента поверхностного натяжения воды с табличным и определить абсолютную и относительную погрешность по формулам: и Вывод : в исследовательской работе я определила коэффициент поверхностно натяжения воды при температуре 19 0 С методом отрыва капель и получила δ = (74,33 + 0,89) мН/м, E = 1,2%. Сравнивая с табличным значением мы получаем абсолютную погрешность Δδ = 1,38 мН/м и относительная погрешность E = 1,9%.
Анализируя полученные результаты видно отличие в погрешности измерений (значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению ). Погрешность измерения - характеристика точности измерений, и мы её определили разными способами ). Это можно объяснить:
Количество капель как результат счёта есть точное число, и если взять π =3,14 и g = 9,81 м/сек 2 , то относительные погрешности этих величин так же, как и для массы капли, будут слишком малы по сравнению с относительной погрешностью измерения диаметра канала трубки ).
Измерения были косвенные (по формуле);
Исследования проходили при температуре жидкости t = 19 0 С;
Инструментальная погрешность (микрометр, весы);
Действие экспериментатора.
3.3 Метод проволочной рамки
В жидкостях средние расстояния между молекулами значительно меньше, чем в газах. Поэтому силы взаимодействия играют в жидкостях существенную роль. В поверхностном слое жидкости проявляются избыточные межмолекулярные связи: молекулы, находящиеся в этом слое, испытывают направленную внутрь силу притяжения от молекул остальной части жидкости. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, поэтому она не действует на стенки сосуда и тела, погруженные в жидкость. Рассмотрим проволочную прямоугольную рамку длиной l , касающуюся поверхности жидкости (см. прил.рис.11). При поднятии рамки над поверхностью жидкости между рамкой и поверхностью образуется пленка, которая тянет вниз. Сила, удерживающая рамку равна:(1)l - длина проволочной рамки, σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Зная эту силу с помощью динамометра, мы найдем коэффициент поверхностного натяжения любой жидкости σ = F / 2l (2).
Оборудование: динамометр, прямоугольная проволочная рамка, сосуд, линейка, исследуемая жидкость.
Ход работы
1. Измерить длину проволочной рамки l
2. Налить в стакан исследуемую жидкость, аккуратно опустить проволочную рамку до соприкосновения с жидкостью, установить стрелку динамометра 0.
Примечание : проследить, чтобы рамка соприкасалось с жидкостью равномерно по всему своему периметру.
4. Аккуратно поднимая динамометра, поднять рамку до его отрыва от жидкости. Заметить и записать в таблицу показания динамометра F в момент отрыва рамки от жидкости. (см. прил. фото 3)
5. Провести опыты для различных жидкостей и вычислить значение коэффициента поверхностного натяжения по формуле (2).
6. Данные записать в таблицу (см. прил. таблица №.2).
7.Полученные значение поверхностного натяжения исследуемых жидкостей сравнить с табличным значением при t = 20 0 С.
8. Определить экспериментально зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры жидкости- t. Данные записать в таблицу (см. прил. таблица №.3).
9. Представить результаты исследования в виде графиков.
10.Определить абсолютную и относительную погрешность измерений.
Вывод: Используя метод проволочной рамки я определила коэффициент поверхностного натяжения жидкостей. По результатам представленными в таблице и на графике следует, что коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и её температуры. Чем выше температура, тем меньше коэффициент поверхностное натяжение. Результаты погрешностей представлены в таблице № 4.
Проявления сил поверхностного натяжения
Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й половине 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й половине 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений,в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. В 20 в. разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкнн) .
Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, включая расплавленные металлы. . Поверхностное натяжение металла и расплавленного электролита следует принимать во внимание по следующим причинам. При выделении расплавленного металла необходимо, чтобы он хорошо смачивал катод и получался в виде компактного слоя. Металл, не смачивающий катод, образует мелкие капли, что увеличивает поверхность его соприкосновения с электролитом и растворимость в нем. В процессе выделения твердого металла смачиваемость его электролитом способствует образованию защитной пленки и препятствует окислению . Кислород уменьшаетповерхностное натяжение металла, и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток уменьшается. . Азот повышаетповерхностное натяжение металла, поэтому с увеличением содержания азота в аргоне при одной и той же силе тока размер капель увеличивается. При сварке в среде азота происходит крупнокапельный перенос металла с интенсивным разбрызгиванием .
Рассмотрены методы и технические средства сбора нефтепродуктов с поверхности воды. Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости [ 3] .
Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма .
Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар (см. прил.рис.12). .
Осторожно положить иглу на поверхность воды (см. прил. фото 4) . Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть . По тэтой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды (см. прил.рис.13),как конкобежцы по льду .
В медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением (см. прил. рис.14) . Установлено, что вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. Она легче вступает в молекулярные взаимодействия, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.
Непрерывно растут объёмы печати на полимерных плёнках благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке . Важное условие грамотного внедрения подобных технологий — точное определение условий их применения в полиграфических процессах.
В полиграфии обработка пластика перед печатью необходима для того, чтобы краска ложилась на материал. Причина заключается в поверхностном натяжении материала. Результат определяется тем, как жидкость смачивает поверхность изделия. Смачивание считается оптимальным, когда капля жидкости остается там же, где она была нанесена. В других случаях жидкость может скатываться в каплю, либо, наоборот, растекаться. Оба случая в равной степени приводят к отрицательным результатам во время переноса краски .
Заключение Вначале работы мною была поставлена цель исследование поверхностных явлений в жидкостях и изучение существенных методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости на границе «жидкость - воздух». В ходе исследовательской работы я узнала:
1 ) о существенных экспериментальных методах измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости;
2 ) используя метод отрыва капель и проволочной рамки определила коэффициент поверхностного натяжения жидкости на границе «жидкость - воздух»; 3 ) силы поверхностного натяжения малы и проявляются при малых объемах жидкости;
4 ) поверхностная энергия жидкости зависит рода жидкости, от среды с которой она граничит, а также от температуры жидкости.
5 ) при увеличении температуры внутренняя энергия возрастает и, естественно, уменьшается напряжение в пограничном слое жидкости и, следовательно, уменьшаются силы поверхностного натяжения.
6) мыльная вода, обладает способностью образовывать тонкие пленки. Жидкая пленка превращается в эластичную поверхность, стремящуюся минимизировать свою площадь, и,следовательно, минимизировать энергию натяжения, приходящуюся на единицу площади (см. прил. фото № 6); (эта форма шара).
7 ) силы поверхностного натяжения существуют, играют большую роль в природе, технике и жизни человека. Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны.
6. Литература
1. Детлаф, А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2002. 718 с
2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебник для общеобразов. учреждений. - 6-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2008.
3. Кухлинг, Х. Справочник по физике. - М., 1982. - 520с
4. Ландсберга Г.С. Элементарный учебник физики. Том 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика. - М.,Книга по Требованию, 2012. - 618 с.
5 .Мякишев Г.Я,Синяков А.З. «Физика: молекулярная физика и термодинамика». Учебник для 10 класса профильного уровня. Москва, 2012.
6. Матвеев, А.Н. Молекулярная физика. М.:Высшая школа,1987. 360с.
7. Пинский А.А. Кабардин О.Ф. Учебник по физике 10 кл. Профильный уровень.13-е изд. - М.: Просвещение, 2011
8. Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Кн. 1. -20-е изд., стереотип. - М.: Наука, 1979 г.
9. Трофимова, Т.И. Курс физики. - М: Академия, 2007.- 560 с.
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Поверхностное_натяжение
11.Формулы http://studyport.ru/referaty/tochnyje-nauki/3948
12.Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph5/theory.html#.Vo9nifmLTcc
13.Смачивание, капилляр http://phys-bsu.narod.ru/lib/mkt/mkt/207.htm
14.Метод проволочной рамки http://allrefs.net/c12/3smth/p5/
15.Поверхностное натяжение жидкости http://physflash.narod.ru/Search/mechanics/24.htm
16.Интересные факты о форме жидкости http://www.afizika.ru/svojstvazhidkostejgazov/95-estestvennayaformazhidkosti
17. http://www.ngpedia.ru/id181006p1.html
Приложение
Рисунок 1. [ 6] Сечение сферической капли жидкости
Рисунок 2. Плавание капли масла
Рисунок 3 [ 2] Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 - вода; 2 - лед.
Рисунок 4 Молекулярный механизм поверхностного натяжения
Рисунок 5 [ 10] Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения
Рисунок 6. [ 2][ 0] Поверхностное натяжение мыльной пленки
Рисунок 7 [ 14] Условияравновесия на границе жидкость - твердое тело
Q90° - несмачивание
Q - Угол смачивания
Q =0 ° - идеальное не смачивание
Q=180 ° - идеальное смачивание
Рисунок 8. Капилляры [ 13]
А. Б. В.
Рисунок 9. Образование капли жидкости [ 10]
Рисунок 10. [ 12]
Рисунок 11.
Проволочная рамка [ 14]
Рисунок 12. Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике
Рисунок 13.
Рисунок 14. Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в физиологии нашего организма.
Таблица № 1 Коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с воздухом.
|
Δ δср. (мН/м) |
|||||||||
Таблица № 2 Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом
Таблица № 3 Коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с воздухом при разной температуре
Таблица № 4 Абсолютная и относительная погрешность измерения коэффициента поверхностного натяжения разного рода жидкостей
График №1. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости от рода жидкости, и сравнение результатов эксперимента с табличным.
График № 2. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры
Фотография № 1
Фотография № 2
Фотография № 3
Фотография № 4
Фотография № 5
Фотография № 6