Това, което се нарича повърхностно напрежение на течност. Започнете в науката

Силите на привличане на молекулите вътре в обема на течността са взаимно балансирани и се проявяват само на границите - върху твърдите стени, върху свободната повърхност. На свободната повърхност, поради факта, че силата на привличане от страна на молекулите на въздуха е много по-малка от силата на взаимно привличане на молекулите на течността, възниква резултантна сила, насочена към обема. Молекулите на повърхностния слой са в специално напрегнато състояние, образува се тънък еластичен филм и повърхностно напрежение. Енергията на повърхностните молекули се различава от енергията на молекулите, разположени в обема. Общото количество на тази „повърхностна“ енергия е пропорционално на площта на повърхността Смедийна секция:

Коефициентът на пропорционалност, включен в тази зависимост, се нарича коефициент на повърхностно напрежение. Големината му зависи от естеството на контактната среда, степента на чистота на течността и нейната температура.

Коефициентът на повърхностно напрежение може също да бъде представен чрез отношението

Където Е– сила на повърхностно напрежение;

л– дължина на линията за разделяне на медиите.

От тази дефиниция става ясно, че коефициентът на повърхностно напрежение е силата, действаща на единица дължина на интерфейса между средата и насочена тангенциално към повърхността на течността.

SI единица за повърхностно напрежение [ σ ]= N/m, в техническата система – kg/m.

Коефициентът на повърхностно напрежение на течностите е малък. Например за вода при температура Т = +При 20ºC е около 7 G/m. Ето защо силите на повърхностно напрежение обикновено не се вземат предвид в хидравликата.

Молекулното налягане, което определя стойността на повърхностното напрежение, зависи от кривината на границата между течна и газообразна среда. Става забележимо само при малки размери на течни обеми, например в капилярни тръби. Благодарение на повърхностното напрежение течността, намокряща повърхността на стените на капилярните тръби, образува вдлъбнат менискус и се изтегля нагоре: силите на сцепление между молекулите на твърдата повърхност на стените и молекулите на течността са по-високи от молекулярните сили на взаимодействие вътре в течността. В случай на ненамокряема повърхност, в капилярната тръба се установява изпъкнал менискус и течността в тръбата се спуска: силите на взаимодействие между стената и течността са по-малки от вътрешните сили на взаимодействие в течността.

Вискозитет

Много важно физическо свойство на течността за хидравликата е вискозитет– свойството на течността да се съпротивлява на движението на слоеве течност един спрямо друг.

В резултат на молекулярното взаимодействие в течността възникват сили на вътрешно триене: по-бързо движещ се слой се влачи по протежение на по-бавно движещ се слой, което от своя страна забавя по-бързо движещия се слой. Така вискозитетът се проявява под формата на сила на триене, когато слоевете течност се движат (срязват) един спрямо друг. С други думи, вискозитетът е свойство, което причинява появата на тангенциални напрежения в течност по време на нейното движение.

И. Нютон предложи хипотезата, че силата Евискозитет (триене) между два съседни слоя течност с контактна площ ω равна на

,

Където μ – коефициент на динамичен вискозитет;

– напречен градиент на скоростта на течността;

– скорост на изместване на течни слоеве един спрямо друг;

– разстоянието между осите на съседни слоеве течност.

Знакът минус във формулата показва, че силата на триене е насочена обратно на посоката на движение.

Размерът на динамичния коефициент на вискозитет в SI [ μ ] = N s/m 2 (Pa s). В системата GHS единицата за динамичен вискозитет се нарича уравновесеноств чест на френския учен А. Поазей.

Коефициентът на динамичен вискозитет (динамичен вискозитет) зависи от естеството на течността и температурата. С повишаване на температурата на течността коефициентът на вискозитет μ намалява .

Ако силата на триене между слоевете е свързана с контактната площ на слоевете, тогава получената специфична сила на триене се нарича напрежение на срязване:

.

Заедно с динамичния коефициент на вискозитет, той намира широко приложение в хидравликата. кинематичен коефициент на вискозитет ν, представляваща релацията μ до плътност ρ :

който има размерност в SI и техническа система . До 1980 г. беше възможно да се измери кинематичният вискозитет в Стокс (наречен на английския хидромеханист Дж. Стоукс): 1 Стокс = 1 cm 2 /s.

Вискозитетът играе много важна роля в процеса на движение на течността. В природата има малко течности, чийто вискозитет е по-малък от вискозитета на водата, но има много течности с висок вискозитет (масла, нефт) и има много вискозни течности (глицерин, меласа).

Идеална течност. В хидравликата концепцията се използва често и играе важна роля. "идеален"течности.

Идеалната течност се разбира като течност, чиито частици имат абсолютна подвижност, тоест идеалната течност няма вискозитет, не изпитва термично разширение и е абсолютно несвиваема. Въвеждането на такава научна абстракция вместо разглеждане на реална течност опростява решаването на редица хидравлични проблеми, дава възможност за широко използване на математически методи и прави обобщения и аналогии. Този подход е научно обоснован и е полезен и плодотворен. Разбира се, при прилагане на решенията и изводите, получени за идеална течност в конкретни обстоятелства, е необходимо да се направят необходимите изменения и допълнения, които произтичат от практиката и отчитат реалните условия. Въпреки това, както показва опитът, моделите на потока, получени по този начин, се съгласуват доста добре с реалните процеси.

Коефициентът на повърхностно напрежение на течност е стойност, която доста точно характеризира способността на течността да се свива и се измерва чрез силата на повърхностното напрежение, упражнявана на единица дължина на линия, разположена на повърхността на течността. В случай, че размерът на дължината на границата на течната повърхност е обозначен като l, а силата на повърхностното напрежение на филма, която действа върху тази граница, е F, по този начин стойността на коефициента на повърхностно напрежение ще бъде:

Наименованието на коефициента на повърхностно напрежение се изразява в N/m. Колкото по-висока е температурата, толкова по-ниска е стойността на σ за чистите течности.

Следствие от асиметрията на силите на молекулярно взаимодействие на преходния слой с молекулите, които ги заобикалят, е идеята за съществуването на нормални и тангенциални сили по отношение на фазовия интерфейс. Тези сили оказват значително влияние върху молекулите на преходния слой. Те са силите на молекулярното налягане и повърхностното напрежение между фазите.

Зависимост на коефициента σ от наличието на различни примеси

Коефициентът на повърхностно напрежение е пряко свързан със силите на молекулярно взаимодействие и може да приеме голямо разнообразие от стойности за различни течности. При течности, които се изпаряват много добре (алкохол, бензин, етер), повърхностното напрежение не е толкова високо, колкото при течности, които не са летливи. Първо поставяме мрежата върху хидрометъра и след това я спускаме във водата. Благодарение на плътната мрежа хидрометърът ще се задържи на определена дълбочина. След това трябва да пуснете малко етер върху решетката, след което хидрометърът веднага ще се издигне от водата.

Коефициентът е свързан с това колко примеси има във водата. Малко парче кибрит се поставя на повърхността на водата. След това парче сапун се спуска във водата. След определен период от време ще бъде възможно да се наблюдава движението на парчето сапун към ръба на съда. В резултат на това можем да заключим: коефициентът на повърхностно напрежение може да бъде намален с помощта на сапун. Ако добавите вещества, които са биологично активни (паста, сапун), тогава ще се намали.Тогава, ако трябва да получите мехурчета, защо хората добавят сапун?

Много от нас вярват, че сапунът увеличава σ. Всъщност, той действително намалява повърхностното напрежение до около една трета от стойността σ на чистата вода. Трябва да се отбележи, че когато сапуненият филм се разтегне, сапунът на повърхността намалява, докато повърхностното напрежение се увеличава. Следователно, под въздействието на сапуна, слабите зони на балона се укрепват и не се разтягат допълнително. Освен това, благодарение на сапуна, водата не се изпарява, което означава, че "животът" на балона се увеличава.

Сега нека направим следния експеримент: поставете захарен бонбон във вода. Това ще накара парчето да се придвижи към бонбона. Изводът е ясен: под въздействието на захарта повърхностното напрежение се увеличава.

Как да определим коефициента σ с помощта на капиляри?

За да проведете този най-прост опит по рода си, трябва да имате няколко съда с вода и капиляри.

Капилярът трябва да се спусне в съд с вода и след това да се измери височината на издигане на течността. След това друга капилярка се поставя в сапунена вода, след което се измерва височината на издигане на течността. Коефициентът σ може да се намери от съответната формула:

Повърхностно напрежение, желанието на дадено вещество (течна или твърда фаза) да намали своята излишна потенциална енергия на границата с друга фаза (повърхностна енергия). Дефинира се като работата, изразходвана за създаване на единица интерфейсна площ (размер J/m 2). Според друго определение, повърхностно напрежение- сила на единица дължина на контура, ограничаваща границата на фазите (размер N/m); тази сила действа тангенциално на повърхността и предотвратява нейното спонтанно нарастване.

Повърхностно напрежение- основната термодинамична характеристика на повърхностния слой на течност на границата с газовата фаза или друга течност. Повърхностно напрежениена различни течности на границата със собствените си пари варира в широки граници: от единици за втечнени нискокипящи газове до няколко хиляди mN/m за разтопени огнеупорни вещества. Повърхностно напрежениезависи от температурата. За много еднокомпонентни несвързани течности (вода, разтопени соли, течни метали), далеч от критичната температура, линейната зависимост се запазва добре:

където s и s 0 са повърхностно напрежение при температури TИ T 0 съответно, α≈0,1 mN/(m K) - температурен коефициент повърхностно напрежение. Основният метод на регулиране повърхностно напрежениесе състои в използването на повърхностноактивни вещества (повърхностно активни вещества).

Повърхностно напрежениее включен в много уравнения на физиката, физическата и колоидна химия, електрохимията.

Той определя следните количества:

1. капилярно налягане, където r 1 и r 2 - основни радиуси на кривина на повърхността и налягане на наситените пари rвърху извита течна повърхност: , където r- радиус на кривина на повърхността, Р- газова константа, Вн- моларен обем на течността, стр 0 - налягане над равна повърхност (закони на Лаплас и Келвин, вижте Капилярни явления).

2. Контактен ъгъл θ при контакт на течност с повърхността на твърдо тяло: cos, където е специфичната свободна повърхностна енергия на твърдото тяло на границата с газ и течност, - повърхностно напрежениетечности (закон на Йънг, виж Намокряне).

3. Адсорбция на ПАВ където μ е химичният потенциал на адсорбираното вещество (уравнение на Гибс, вижте Адсорбция). За разредени разтвори, където с- моларна концентрация на ПАВ.

4. Състояние на адсорбционния слой на повърхностно активното вещество върху повърхността на течността: (стр с + а/А 2)·( А- b)=k T, където p с=(s 0 -s) - двумерно налягане, s 0 и s - съответно повърхностно напрежениечиста течност и същата течност в присъствието на адсорбционен слой, А- константа (аналогична на константата на Ван дер Ваалс), А- площ на повърхностния слой на адсорбирана молекула, b- площ, заета от 1 молекула течност, к- Константа на Болцман (уравнение на Фрумкин-Фолмер, виж Повърхностна активност).

5. Електрокапилярен ефект: - дс/ д f = r s, където r s е повърхностната плътност на заряда, f е потенциалът на електрода (уравнение на Липман, вижте Електрокапилярни явления).

6. Работата по образуване на критичното ядро ​​на нова фаза Тоалетна. Например, по време на хомогенна кондензация на пара при налягане, където стр 0 - налягане на парите над плоска течна повърхност (уравнение на Гибс, вижте Произход на нова фаза).

7. Дължина l на капилярните вълни на повърхността на течността: , където ρ е плътността на течността, τ е периодът на трептене, ж- ускорение на гравитацията.

8. Еластичност на течни филми със слой повърхностно активно вещество: модул на еластичност, където с- площ на филма (уравнение на Гибс, вижте Тънки филми).

Повърхностно напрежениеизмерено за много чисти вещества и смеси (разтвори, стопи) в широк диапазон от температури и състави. Тъй като повърхностно напрежениее много чувствителен към наличието на примеси; измерванията с различни методи не винаги дават еднакви стойности.

Основните методи за измерване са както следва:

1. покачване на омокрящи течности в капилярите. Височина на повдигане, къде - разлика в плътността на течността и изместения газ, ρ - радиус на капиляра. Точност на определяне повърхностно напрежениенараства с намаляване на съотношението ρ/α (α - капилярна константа на течността).

2. Измерване на максималното налягане в газов мехур (метод на Ребиндер); Изчислението се основава на уравнението на Лаплас. Когато мехур се притисне в течност през калибрирана капилярка с радиус r преди момента на отделяне, налягането p m = 2σ/r

3. Метод за претегляне на капки (сталагмометрия): (уравнение на Тейт), където Ж- общо тегло нкапки, отделени под въздействието на гравитацията от среза на капилярна тръба с радиус r. За да се подобри точността, дясната страна се умножава по корекционен коефициент в зависимост от r и обема на капката.

4. Метод за балансиране на плочи (метод на Вилхелми). При потапяне на плоча с периметър на напречното сечение Лв омокрящата течност е теглото на плочата, където Ж 0 - сухо тегло на плочата.

5. Метод за откъсване на пръстена (метод на Du Nouy). За да откъснете телеен пръстен с радиус Рсе изисква сила от повърхността на течността

6. Метод на сесилна капка. Профилът на капка върху ненамокрящ се субстрат се определя от условието, че сумата от хидростатичното и капилярното налягане е постоянна. Диференциалното уравнение на профила на падане се решава чрез числено интегриране (метод на Башфорт-Адамс). Чрез измерване на геометричните параметри на профила на капката с помощта на съответните таблици, намерете повърхностно напрежение.

7. Метод на въртяща се капка. Капка течност с плътност r 1 се поставя в епруветка с по-тежка (плътност r 2) течност. Когато тръбата се върти с ъглова скорост ω, капката се разтяга по оста, приблизително заемайки формата на цилиндър с радиус r. Проектно уравнение: . Методът се използва за измерване на малки повърхностно напрежениена границата на две течности.

Повърхностно напрежениее определящ фактор в много технологични процеси: флотация, импрегниране на порести материали, покритие, детергентно действие, прахова металургия, запояване и др. Ролята е голяма повърхностно напрежениев процеси, протичащи при нулева гравитация.

Концепция повърхностно напрежениевъведен за първи път от J. Segner (1752). През първата половина на 19в. въз основа на идеята за повърхностно напрежениее разработена математическата теория на капилярните явления (П. Лаплас, С. Поасон, К. Гаус, А. Ю. Давидов). През втората половина на 19в. Дж. Гибс развива термодинамичната теория на повърхностните явления, в която решаващата роля се играе повърхностно напрежение. През 20 век разработват се методи за регулиране повърхностно напрежениеизползване на повърхностно активни вещества и електрокапилярни ефекти (I. Langmuir, P.A. Rebinder, A.H. Frumknn). Сред съвременните актуални проблеми е развитието на молекулярната теория повърхностно напрежениеразлични течности (включително разтопени метали), ефектът от повърхностната кривина върху повърхностно напрежение.

Този урок ще обсъди течностите и техните свойства. От гледна точка на съвременната физика течностите са най-трудният обект на изследване, тъй като в сравнение с газовете вече не може да се говори за пренебрежимо малка енергия на взаимодействие между молекулите, а в сравнение с твърдите тела не може да се говори за подредено подреждане на течните молекули (няма ред на дълги разстояния в течността) . Това води до факта, че течностите имат редица интересни свойства и техните проявления. Едно такова свойство ще бъде обсъдено в този урок.

Като начало, нека обсъдим специалните свойства, които имат молекулите в повърхностния слой на течността в сравнение с молекулите, разположени в обема.

Ориз. 1. Разлика между молекулите на повърхностния слой и молекулите, разположени в обема на течността

Нека разгледаме две молекули A и B. Молекула A е вътре в течността, молекула B е на нейната повърхност (фиг. 1). Молекула А е равномерно заобиколена от други молекули на течността, поради което силите, действащи върху молекула А от молекули, попадащи в сферата на междумолекулно взаимодействие, се компенсират или техният резултат е нула.

Какво се случва с молекула B, която се намира на повърхността на течността? Нека си припомним, че концентрацията на газовите молекули, разположени над течността, е много по-малка от концентрацията на течните молекули. Молекула B е заобиколена от едната страна от течни молекули, а от другата страна от силно разредени газови молекули. Тъй като върху него действат много повече молекули от страната на течността, резултатът от всички междумолекулни сили ще бъде насочен в течността.

По този начин, за да може една молекула от дълбините на течността да влезе в повърхностния слой, трябва да се извърши работа срещу некомпенсирани междумолекулни сили.

Спомнете си, че работата е промяната в потенциалната енергия, взета със знак минус.

Това означава, че молекулите на повърхностния слой, в сравнение с молекулите вътре в течността, имат излишък от потенциална енергия.

Тази излишна енергия е компонент на вътрешната енергия на течността и се нарича повърхностна енергия. Означава се като и се измерва, както всяка друга енергия, в джаули.

Очевидно е, че колкото по-голяма е повърхността на течността, толкова повече молекули имат излишна потенциална енергия и следователно по-голяма е повърхностната енергия. Този факт може да се запише под формата на следната връзка:

,

където е площта на повърхността и е коефициентът на пропорционалност, който ще наричаме коефициент на повърхностно напрежение, този коефициент характеризира тази или онази течност. Нека напишем строго определение на това количество.

Повърхностното напрежение на течност (коефициент на повърхностно напрежение на течност) е физическо количество, което характеризира дадена течност и е равно на съотношението на повърхностната енергия към повърхността на течността

Коефициентът на повърхностно напрежение се измерва в нютони, разделени на метър.

Нека обсъдим от какво зависи коефициентът на повърхностно напрежение на течност. Като начало нека си припомним, че коефициентът на повърхностно напрежение характеризира специфичната енергия на взаимодействие на молекулите, което означава, че факторите, които променят тази енергия, ще променят и коефициента на повърхностно напрежение на течността.

И така, коефициентът на повърхностно напрежение зависи от:

1. Естеството на течността ("летливите" течности, като етер, алкохол и бензин, имат по-малко повърхностно напрежение от "нелетливите" течности - вода, живак и течни метали).

2. Температури (колкото по-висока е температурата, толкова по-ниско е повърхностното напрежение).

3. Наличието на повърхностно активни вещества, които намаляват повърхностното напрежение (повърхностно активни вещества), като сапун или прах за пране.

4. Свойства на газа, граничещ с течност.

Имайте предвид, че коефициентът на повърхностно напрежение не зависи от площта на повърхността, тъй като за една отделна близка до повърхността молекула е абсолютно без значение колко подобни молекули има наоколо. Обърнете внимание на таблицата, която показва коефициентите на повърхностно напрежение на различни вещества при температура:

Таблица 1. Коефициенти на повърхностно напрежение на течности на границата с въздух, при

Така че молекулите на повърхностния слой имат излишък от потенциална енергия в сравнение с молекулите в обема на течността. В курса по механика беше показано, че всяка система се стреми към минимум потенциална енергия. Например, тяло, хвърлено от определена височина, ще се стреми да падне надолу. Освен това се чувствате много по-удобно в легнало положение, тъй като в този случай центърът на масата на тялото ви е възможно най-ниско. До какво води желанието да се намали потенциалната енергия в случая на течност? Тъй като повърхностната енергия зависи от повърхностната площ, енергийно неизгодно е всяка течност да има голяма повърхност. С други думи, в свободно състояние течността ще се стреми да направи повърхността си минимална.

Можете лесно да проверите това, като експериментирате със сапунен филм. Ако потопите определена телена рамка в сапунен разтвор, върху нея ще се образува сапунен филм, който ще придобие такава форма, че повърхността му е минимална (фиг. 2).

Ориз. 2. Фигури от сапунен разтвор

Можете да проверите съществуването на сили на повърхностно напрежение с помощта на прост експеримент. Ако конецът е вързан към телеен пръстен на две места, така че дължината на конеца да е малко по-голяма от дължината на хордата, свързваща точките на закрепване на конеца, и потопете теления пръстен в сапунен разтвор (фиг. 3а), сапуненият филм ще покрие цялата повърхност на пръстена и нишката ще лежи върху сапунения филм. Ако сега разкъсате филма от едната страна на конеца, сапуненият филм, останал от другата страна на конеца, ще се свие и ще стегне конеца (фиг. 3b).

Ориз. 3. Експериментирайте за откриване на сили на повърхностно напрежение

Защо се случи това? Факт е, че сапуненият разтвор, който остава отгоре, тоест течността, има тенденция да намалява повърхността си. Така конецът се изтегля нагоре.

И така, ние сме убедени в съществуването на повърхностно напрежение. Сега нека се научим как да го изчисляваме. За да направим това, нека проведем мисловен експеримент. Нека спуснем телена рамка в сапунения разтвор, едната страна на която е подвижна (фиг. 4). Ще разтегнем сапуненото фолио, като приложим сила към движещата се страна на рамката. По този начин върху напречната греда действат три сили - външна сила и две сили на повърхностно напрежение, действащи по протежение на всяка повърхност на фолиото. Използвайки втория закон на Нютон, можем да напишем това

Ориз. 4. Изчисляване на силата на повърхностно напрежение

Ако под въздействието на външна сила напречната греда се премести на разстояние, тогава тази външна сила ще извърши работа

Естествено, поради тази работа, повърхностната площ на филма ще се увеличи, което означава, че повърхностната енергия също ще се увеличи, което можем да определим чрез коефициента на повърхностно напрежение:

Промяната в площта от своя страна може да се определи, както следва:

където е дължината на подвижната част на телената рамка. Като вземем това предвид, можем да запишем, че работата, извършена от външната сила, е равна на

Приравнявайки десните части в (*) и (**), получаваме израз за силата на повърхностното напрежение:

По този начин коефициентът на повърхностно напрежение е числено равен на силата на повърхностното напрежение, която действа на единица дължина на линията, ограничаваща повърхността

И така, ние отново се убеждаваме, че течността се стреми да приеме такава форма, че повърхността й да е минимална. Може да се покаже, че за даден обем повърхността на една сфера ще бъде минимална. По този начин, ако върху течността не действат други сили или техният ефект е малък, течността ще има тенденция да придобие сферична форма. Ето как например ще се държи водата при нулева гравитация (фиг. 5) или сапунени мехурчета (фиг. 6).

Ориз. 5. Вода при нулева гравитация

Ориз. 6. Сапунени мехури

Наличието на сили на повърхностно напрежение също може да обясни защо метална игла „лежи” на повърхността на водата (фиг. 7). Игла, която е внимателно поставена върху повърхност, я деформира, като по този начин увеличава площта на тази повърхност. По този начин възниква сила на повърхностно напрежение, която се стреми да намали такава промяна в площта. Резултантните сили на повърхностното напрежение ще бъдат насочени нагоре и ще компенсират силата на гравитацията.

Ориз. 7. Игла на повърхността на водата

Принципът на действие на пипетата може да се обясни по същия начин. Капката, която се влияе от гравитацията, се издърпва надолу, като по този начин се увеличава повърхността й. Естествено възникват сили на повърхностно напрежение, чиято резултантна е противоположна на посоката на гравитацията и които пречат на капката да се разтегне (фиг. 8). Когато натиснете надолу гумената капачка на пипетата, вие създавате допълнително налягане, което подпомага гравитацията и в резултат на това капката пада надолу.

Ориз. 8. Как работи пипетата

Нека дадем още един пример от ежедневието. Ако потопите четка за рисуване в чаша вода, косъмчетата ще се разпушат. Ако сега извадите тази четка от водата, ще забележите, че всички косми са залепнали един за друг. Това се дължи на факта, че повърхността на водата, полепнала върху четката, тогава ще бъде минимална.

И още един пример. Ако искате да построите замък от сух пясък, едва ли ще успеете, тъй като пясъкът ще се разпадне под въздействието на гравитацията. Въпреки това, ако намокрите пясък, той ще запази формата си благодарение на силите на повърхностното напрежение на водата между песъчинките.

И накрая, отбелязваме, че теорията за повърхностното напрежение помага да се намерят красиви и прости аналогии за решаване на по-сложни физически проблеми. Например, когато трябва да изградите лека и в същото време здрава структура, физиката на това, което се случва в сапунените мехурчета, идва на помощ. И беше възможно да се конструира първият адекватен модел на атомното ядро, като се оприличи това атомно ядро ​​на капка заредена течност.

Библиография

1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцки. "Физика 10". - М.: Образование, 2008.
2. Я. Е. Гегузин “Мехурчета”, Квантова библиотека. - М.: Наука, 1985.
3. Б. М. Яворски, А. А. Пински “Основи на физиката” том 1.
4. Г. С. Ландсберг “Начален учебник по физика” том 1.

1. Nkj.ru ().
2. Youtube.com().
3. Youtube.com().
4. Youtube.com().

Домашна работа

1. След като решите задачите за този урок, можете да се подготвите за въпроси 7,8,9 от държавния изпит и въпроси A8, A9, A10 от Единния държавен изпит.
2. Гелфгат И.М., Ненашев И.Ю. "Физика. Сборник задачи за 10 клас" 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. Въз основа на задача 5.47 определете коефициента на повърхностно напрежение на вода и сапунен разтвор.

Списък с въпроси и отговори

Въпрос:Защо повърхностното напрежение се променя с температурата?

Отговор:С повишаване на температурата молекулите на течността започват да се движат по-бързо и следователно молекулите по-лесно преодоляват потенциалните сили на привличане. Което води до намаляване на силите на повърхностното напрежение, които са потенциални сили, които свързват молекулите на повърхностния слой на течността.

Въпрос:Зависи ли коефициентът на повърхностно напрежение от плътността на течността?

Отговор:Да, така е, тъй като енергията на молекулите в повърхностния слой на течността зависи от плътността на течността.

Въпрос:Какви методи съществуват за определяне на коефициента на повърхностно напрежение на течност?

Отговор:В училищния курс те изучават два начина за определяне на коефициента на повърхностно напрежение на течност. Първият е методът за късане на тел, принципът му е описан в задача 5.44 от домашна работа, вторият е методът за броене на капки, описан в задача 5.47.

Въпрос:Защо сапунените мехури се свиват след известно време?

Отговор:Факт е, че след известно време, под въздействието на гравитацията, мехурът става по-дебел отдолу, отколкото отгоре, и след това под въздействието на изпарението се срутва в даден момент. Това води до факта, че целият балон, подобно на балон, се разпада под въздействието на некомпенсирани сили на повърхностно напрежение.

Текстът на работата е публикуван без изображения и формули.
Пълната версия на произведението е достъпна в раздела "Работни файлове" в PDF формат

Въведение

В света около нас, наред с гравитацията, еластичността и триенето, съществува и друга сила, на която обикновено не обръщаме внимание. Тази сила действа по допирателната към повърхностите на всички течности. Силата, която действа по повърхността на течност, перпендикулярна на линията, ограничаваща тази повърхност, се стреми да я намали до минимум, се нарича сила на повърхностно напрежение. Той е сравнително малък, действието му никога не предизвиква силни ефекти. Въпреки това не можем да налеем вода в чаша, нито можем да направим нещо с каквато и да е течност, без да включим в действие силите на повърхностното напрежение. Толкова сме свикнали с ефектите, наречени повърхностно напрежение, че не ги забелязваме. Проявите на повърхностно напрежение на течности в природата и технологията са изненадващо разнообразни. Те играят важна роля в природата и в живота ни. Без тях не бихме могли да пишем с хелиеви химикалки, касетите за принтер веднага биха направили голямо петно, изпразвайки целия си резервоар. Би било невъзможно да насапунисвате ръцете си - няма да се образува пяна. Лек дъжд щеше да ни намокри и дъгата щеше да е невъзможно да се види независимо от времето. Повърхностното напрежение събира водата в капчици и благодарение на повърхностното напрежение може да се издуха сапунен мехур. Използвайки правилото „Бъдете изненадани навреме“ на белгийския професор Плато за изследователите, нека разгледаме необичайни експерименти в нашата работа.

Цел на работата: експериментално тестване на проявите на повърхностно напрежение на течности, определяне на коефициента на повърхностно напрежение на течности с помощта на метода за разделяне на капки

Изучавайте образователна, научно-популярна литература, използвайте материали в Интернет по темата „Повърхностно напрежение“;

провеждат експерименти, за да докажат, че правилната форма на течност е сфера;

провеждат експерименти с намаляване и увеличаване на повърхностното напрежение;

проектират и сглобяват експериментална инсталация, с която да определят коефициента на повърхностно напрежение на някои течности чрез метода за разделяне на капките.

обработете получените данни и направете заключение.

Обект на изследване: течности.

Главна част. Повърхностно напрежение

Фиг. 1. Г. Галилей

Многобройни наблюдения и експерименти показват, че течността може да приеме форма, при която свободната й повърхност е с най-малка площ. В желанието си да се свие, повърхностният филм би придал на течността сферична форма, ако не беше привличането към Земята. Колкото по-малък е спадът, толкова по-голяма е ролята на силите на повърхностното напрежение. Следователно малките капки роса по листата на дърветата и по тревата са близки по форма до топка; когато падат в свободно падане, дъждовните капки са почти строго сферични. Тенденцията на течността да се свие до възможно най-малко може да се наблюдава в много явления, които изглеждат изненадващи. Галилей също се замисли върху въпроса: защо капките роса, които той видя на зелевите листа сутрин, придобиват сферична форма? Твърдението, че течността няма собствена форма, се оказва не съвсем точно. Правилната форма на течността е сфера, като най-вместимата форма. Молекулите на веществото в течно състояние са разположени почти близо една до друга. За разлика от твърдите кристални тела, в които молекулите образуват подредени структури в целия обем на кристала и могат да извършват топлинни вибрации около фиксирани центрове, течните молекули имат по-голяма свобода. Всяка молекула на течността, точно както в твърдото тяло, е „притисната“ от всички страни от съседни молекули и претърпява топлинни вибрации около определено равновесно положение. От време на време обаче всяка молекула може да се премести на близко свободно място. Такива скокове в течностите се случват доста често; следователно молекулите не са свързани със специфични центрове, както в кристалите, и могат да се движат в целия обем на течността. Това обяснява течливостта на течностите. Поради силното взаимодействие между близко разположени молекули, те могат да образуват локални (нестабилни) подредени групи, съдържащи няколко молекули. 1

Фигура 2. Пример за близък ред на течни молекули и далечен ред на молекули на кристално вещество: 1 - вода; 2 - лед

Как може да се обясни спонтанното свиване на повърхността на течност? Молекулите на повърхността и дълбоко в течността са в различни условия. Всяка молекула в течност е подложена на привличащи сили от съседни молекули, които я заобикалят от всички страни. Резултатът от тези сили е нула. Над повърхността на течността има пара, чиято плътност е многократно по-малка от плътността на течността и взаимодействието на молекулите на парата с молекулите на течността може да бъде пренебрегнато. Молекулите, които са на повърхността на течността, се привличат само от молекули, които са вътре в течността. Под въздействието на тези сили молекулите на повърхностния слой се изтеглят навътре, броят на молекулите на повърхността намалява и повърхностната площ намалява. Но не всички молекули могат да се преместят от повърхността в течността; това се предотвратява от отблъскващи сили, които възникват, когато разстоянията между молекулите намаляват. При определени разстояния между молекулите, изтеглени навътре, и молекулите, разположени под повърхността, силите на взаимодействие стават равни на нула и процесът на свиване на повърхността спира. Броят на молекулите, останали на повърхността, е такъв, че площта му е минимална за даден обем течност. Тъй като течността е течна, тя приема форма, при която броят на молекулите на повърхността е минимален, а сферата има минималната повърхност за даден обем, тоест капка течност приема форма, близка до сферична. Най-лесният начин да разберете природата на силите на повърхностно напрежение е като наблюдавате образуването на капка. Погледнете внимателно как капката постепенно расте, образува се стеснение - шийка - и капката се отчупва. Не е нужно много въображение, за да си представите, че водата е затворена в еластична торба, която се счупва, когато тежестта надхвърли силата й. В действителност, разбира се, в капката няма нищо друго освен вода, но самият повърхностен слой вода се държи като опънат еластичен филм. Филмът на сапунен мехур създава същото впечатление.

Опит No1

Триенето на течност към минимална потенциална енергия може да се наблюдава с помощта на сапунени мехурчета. Сапуненият филм е двоен повърхностен слой. Ако издухате сапунен мехур и след това спрете да го надувате, той ще започне да намалява в обем, изтласквайки поток въздух.

Повърхностното напрежение е явление на молекулярно налягане върху течност, причинено от привличането на молекулите на повърхностния слой към молекулите вътре в течността 5

Преживяването на платото (1849)

Ориз. 4. Дж.Плато

Овенът, който подтикнал белгийския професор да експериментира, е случайността. Той случайно изля малко масло в смес от алкохол и вода и тя придоби формата на топка. Размишлявайки върху този факт, Платон очерта поредица от експерименти, които по-късно бяха блестящо изпълнени от неговите приятели и ученици. В дневника си той пише правило за изследователите: „Време е да бъдете изненадани“. Реших да изследвам опита на Plateau, но по различен начин: да използвам слънчогледово масло и оцветена манганова вода в експеримента.

Експеримент, доказващ, че хомогенна течност придобива форма с минимална свободна повърхност

Опция за изживяване на плато №2

1) Слънчогледовото масло се изсипва в чаша.

2) С помощта на капкомер капнете капка оцветена манганова вода с диаметър приблизително 5 mm в слънчогледовото масло.

) Наблюдавахме водни топки с различни размери, които бавно падат на дъното и заемат сплескана овална форма (Снимка 2).

5) Наблюдавахме как капката приема правилната форма на топка (Снимка 2).

Заключение: Течността, привличайки молекулите на повърхностния слой, се компресира. Овалната сплескана форма се обяснява с факта, че теглото на капката, която не се смесва с маслото, е по-голямо от плаващата сила. Правилната форма на топката се обяснява с факта, че капката плува в маслото: теглото на капката се балансира от плаващата сила.

Когато падат свободно, в състояние на безтегловност, дъждовните капки практически имат формата на топка. В космически кораб доста голяма маса течност също придобива сферична форма.

Коефициент на повърхностно напрежение

При липса на външна сила, силата на повърхностно напрежение действа по повърхността на течността, което намалява повърхността на филма до минимум. Силата на повърхностно напрежение е сила, насочена тангенциално към повърхността на течност, перпендикулярна на участъка от контура, който ограничава повърхността, в посоката на нейното свиване.

Ơ - коефициент на повърхностно напрежение - това е отношението на модула F на силата на повърхностното напрежение, действаща на границата на повърхностния слой ℓ към тази дължина, постоянна стойност, която не зависи от дължината ℓ. Коефициентът на повърхностно напрежение зависи от природата на околната среда и температурата. Изразява се в нютони на метър (N/m).

Експерименти с намаляване и увеличаване

Снимка 3

Опит No3

Докоснете центъра на повърхността на водата с парче сапун.

Парчетата пяна започват да се движат от центъра към краищата на съда (Снимка 3).

Пуснат бензин, алкохол, препарат в центъра на съда "фея"

Заключение: Повърхностното напрежение на тези вещества е по-малко от това на водата.

Тези вещества се използват за отстраняване на мръсотия, петна от мазнини, сажди, т.е. вещества, които са неразтворими във вода.Поради доста високото повърхностно напрежение самата вода няма много добър почистващ ефект. Например, когато водните молекули влязат в контакт с петно, те се привличат една към друга повече, отколкото към частици неразтворима мръсотия.Сапуните и синтетичните детергенти (SDC) съдържат вещества, които намаляват повърхностното напрежение на водата. Първият сапун, най-простият перилен препарат, е получен в Близкия изток преди повече от 5000 години. Първоначално се използва главно за измиване и лечение на язви и рани. И едва през 1 век от н.е. мъжът започна да се мие със сапун.

В началото на 1 век се ражда сапунът.

Спасяваше човек от мръсотия и той ставаше чист от малък.

Говоря ви за сапуна, който скоро роди: шампоан, гел, прах.

Светът стана чист, колко е добър!

Фиг. 5. Ф. Гюнтер

Детергентите са естествени и синтетични вещества с почистващ ефект, особено сапуните и праховете за пране, използвани в бита, индустрията и сектора на услугите. Сапунът се получава в резултат на химическото взаимодействие на мазнини и алкали. Най-вероятно е открито случайно, когато месото се пържи на огън и мазнината се стича върху пепелта, която има алкални свойства. Производството на сапун има дълга история, но първият синтетичен детергент (SDC) се появява през 1916 г., той е изобретен от немски химик Фриц Гюнтерза промишлени цели. Домакинските SMS, повече или по-малко безвредни за ръцете, започват да се издават през 1933 г. Оттогава са разработени редица синтетични детергенти (SDC) за тесни цели и тяхното производство се превърна във важен клон на химическата промишленост.

Поради повърхностното напрежение водата сама по себе си няма достатъчен почистващ ефект. Когато водните молекули влязат в контакт с петно, те се привличат една към друга, вместо да улавят частици мръсотия, с други думи, те не мокрят мръсотията.

Сапуните и синтетичните детергенти съдържат вещества, които повишават омокрящите свойства на водата чрез намаляване на повърхностното напрежение. Тези вещества се наричат ​​повърхностно активни агенти (повърхностноактивни вещества), защото действат върху повърхността на течността.

В днешно време производството на SMS се превърна във важен клон на химическата промишленост. Тези вещества се наричат повърхностно активно вещество(повърхностноактивни вещества), защото действат върху повърхността на течността. Молекулите на повърхностно активното вещество могат да бъдат представени като попови лъжички. Те се „вкопчват“ във водата с главите си, а в мазнините с „опашките“. Когато повърхностноактивните вещества се смесят с вода, техните молекули на повърхността са обърнати с „главите“ си надолу и с „опашките“ си навън. Като разбиват повърхността на водата по този начин, тези молекули значително намаляват ефекта на повърхностното напрежение, като по този начин помагат на водата да проникне в тъканта. Със същите тези „опашки“ молекулите на повърхностно активното вещество (фиг. 6) улавят молекулите на мазнините, които срещат. 2

Опит No4

1. Налейте мляко в чинийка, така че да покрие дъното (Снимка 4)

2. Капнете 2 капки брилянтно зелено върху повърхността на млякото

3. Наблюдавахме как брилянтното зелено се „отнася“ от центъра към краищата. Две капки брилянтно зелено покриват по-голямата част от повърхността на млякото! (Снимка 5)

Заключение: повърхностното напрежение на брилянтното зелено е много по-малко от това на млякото.

4. Течността за миене на съдове „Fairy” беше капната върху повърхността на брилянтно зеленото, видяхме как тази течност се разпространи по цялата повърхност (Снимка 6)

Заключение:Повърхностното напрежение на перилния препарат е по-малко от това на брилянтното зелено.

Опит No5

В широк стъклен съд се налива вода.

На повърхността бяха хвърлени парчета пяна.

Докоснете центъра на повърхността на водата с парче захар.

Стиропорените нишки започват да се движат от краищата на съда към центъра (Снимка 7).

Заключение:Повърхностното напрежение на водния разтвор на захар е по-голямо от това на чистата вода.

Опит No6

Премахване на мазни петна от повърхността на тъканта

Навлажнихме памучна вата с бензин и навлажнихме краищата на петното с тази памучна вата (не самото петно). Бензинът намалява повърхностното напрежение, така че мазнините се натрупват в центъра на петното и могат да бъдат отстранени оттам; ако намокрите самото петно ​​със същата памучна вата, то може да се увеличи по размер поради намаляване на повърхностното напрежение.

За експериментално определяне на стойността на повърхностното напрежение на течност може да се използва процесът на образуване и отделяне на капчици, изтичащи от капкомер.

Кратка теория на метода за отделяне на капки

Самият малък обем течност придобива форма, близка до сфера, тъй като поради малката маса на течността силата на гравитацията, действаща върху нея, също е малка. Това обяснява сферичната форма на малките капки течност. Фигура 1 показва снимки, показващи различни етапи от процеса на образуване и отделяне на капчици. Снимката е направена с помощта на високоскоростно заснемане; капката расте бавно; можем да предположим, че във всеки момент от времето тя е в равновесие. Повърхностното напрежение причинява свиване на повърхността на капката, има тенденция да придаде на капката сферична форма. Гравитацията поставя центъра на тежестта на капката възможно най-ниско. В резултат на това капката изглежда удължена (фиг. 7а).

Ориз. 7. a B C D

Процесът на образуване и отделяне на капчици

Колкото по-голям е спадът, толкова по-голяма е ролята на потенциалната енергия на гравитацията. С нарастването на капката по-голямата част от масата се събира на дъното и върху капката се образува шийка (фиг. 7b). Силата на повърхностното напрежение е насочена вертикално тангенциално към шийката и балансира силата на гравитацията, действаща върху капката. Сега е достатъчно капката да се увеличи доста и силите на повърхностното напрежение вече не балансират силата на гравитацията. Шийката на капката бързо се стеснява (фиг. 7c) и в резултат на това капката се отчупва (фиг. 7d).

Методът за измерване на коефициента на повърхностно напрежение на някои течности се основава на претеглянето на капките. В случай на бавен поток на течност от малък отвор, размерът на образуваните капчици зависи от плътността на течността, коефициента на повърхностно напрежение, размера и формата на отвора, както и скоростта на потока . Когато овлажняваща течност бавно изтича от вертикална цилиндрична тръба, получената капка има формата, показана на фигура 8. Радиусът r на шийката на капката е свързан с външния радиус на тръбата R чрез връзката r = kR (1)

където k е коефициент, зависещ от размера на тръбата и дебита.

В момента на отделяне теглото на капката трябва да бъде равно на резултантната от силите на повърхностно напрежение, действащи по дължина, равна на дължината на контура на шийката в най-тясната му част. Така можем да пишем

Mg = 2πrơ (2)

Замествайки стойността на радиуса на шийката r от равенството (1) и решавайки го, получаваме

Ơ =mg/2πkR (3)

За да се определи масата на една капка, определен брой n капки се претеглят в чаша с известно тегло. Ако масата на чаша без капки и с капки е съответно M 0 и M, тогава масата на една капка

Замествайки последния израз във формула (3) и въвеждайки неговия диаметър d вместо радиуса на тръбата, получаваме формулата за изчисление

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Изследователска работа "Определяне на коефициента на повърхностно напрежение на някои течности чрез метода на разделяне на капките"

Цел на изследването: определете коефициента на повърхностно напрежение на течност чрез откъсване на капки от някои течности. Устройства: инсталация за измерване на коефициент на повърхностно напрежение, кантар, теглилка, чаша, шублер, хронометър. Материали: препарати: “Фея”, “Аос”, мляко, спирт, бензин, прахообразни разтвори: “Мит”, “Персил”, шампоани "Фрутис", « Pantene», "Шаума"И " Фрутис", душ гелове " Сенсен», "Монпенсие"И " Открийте».

Описание на устройството.

За определяне на коефициента на повърхностно напрежение е сглобена инсталация, състояща се от триножник, върху който е монтирана бюрета с тестваната течност. В края на бюретата е прикрепен тръбен накрайник, в края на който се образува капка. Капките се претеглят в специална чаша.

Напредък на изследването

С помощта на дебеломер, диаметърът на тръбата на върха се измерва три пъти и се изчислява средната стойност d.

Претеглете чиста, суха чаша (M 0) на везната.

С помощта на кран за бюрета постигнахме скоростта на капковия поток

15 капки в минута.

60 капки течност се изсипват от бюрета в чаша, като се брои точно броят на капките.

Претеглихме чаша течност. (М)

Заместих получените стойности във формулата ơ = ((M-M0)g)/πkdn

Изчислен е коефициентът на повърхностно напрежение.

Експериментът е проведен три пъти

Изчислена е средната стойност на коефициента на повърхностно напрежение.

Коефициентът на повърхностно напрежение в системата SI се измерва в N/m.

Таблица №1

Резултати от определяне на коефициента на повърхностно напрежение (N/m)

Заключение:От изследваните кухненски препарати, при еднакви всички други параметри, които влияят върху качеството на „пране“, е по-добре да използвате продукта „ Фея" От изследваните прахове за пране " Мит“, защото Именно техните разтвори имат най-ниско повърхностно напрежение. Следователно първото лекарство („ Фея") помага по-добре да се измият неразтворимите във вода мазнини от съдовете, като емулгатор - средство, което улеснява производството на емулсии (суспензии от най-малките частици течно вещество във вода). Второ (“ Мит") изпира по-добре прането, прониквайки в порите между влакната на тъканите. Обърнете внимание, че когато използваме кухненски препарати, принуждаваме веществото (по-специално мазнината) да се разтвори във вода поне за известно време, т.к. тя се „смачква“ на малки частици. През това време е препоръчително да изплакнете нанесения препарат с струя чиста вода, вместо да изплаквате съдовете след известно време в съд. Освен това е изследвано повърхностното напрежение на шампоани и душ гелове. Поради доста високия вискозитет на тези течности е трудно да се определи точно техният коефициент на повърхностно напрежение, но може да се сравни. Изследвани са шампоани (по метода на откъсване на капки) „Пантен», "Шаума"И " Фрутис", както и душ гелове " Сенсен», "Монпенсие"И " Открийте».

Заключение:

Повърхностното напрежение намалява в шампоаните в диапазон "Фрутис" - "Шаума" - "Пантен"в гелове - подред "Монпенсие" - "Открийте" - „Сетива“.

Повърхностното напрежение на шампоаните е по-малко от повърхностното напрежение на геловете (Например, " Pantene» < «Сетивата"с 65 mN/m), което оправдава тяхното предназначение: шампоани - за измиване на коса, гелове - за измиване на тяло.

При всички други идентични характеристики, влияещи върху качеството на измиване, е по-добре да използвате изследваните шампоани. "Pantene" (фиг. 9),от изследваните душ гелове - „Сетива“ (фиг. 10).

Методът за откъсване на капки, макар и не много точен, се използва в медицинската практика. Този метод определя повърхностното напрежение на цереброспиналната течност, жлъчката и др. за диагностични цели.

Заключение

1. Получено е експериментално потвърждение на теоретичните заключения , доказване, че хомогенна течност приема форма с минимална свободна повърхност

2. Проведени са експерименти с намаляване и увеличаване на повърхностното напрежение, резултатите от които доказват, че сапунът и синтетичните детергенти съдържат вещества, които повишават омокрящите свойства на водата чрез намаляване на силата на повърхностното напрежение.

3. Да се ​​определи коефициентът на повърхностно напрежение на течности

а) изследвана е кратка теория на метода за разделяне на капките;

б) проектирана и сглобена е експериментална инсталация;

в) изчислени са средните стойности на коефициента на повърхностно напрежение на различни течности и са направени заключения.

4. Резултатите от експериментите и изследванията са представени под формата на таблици и снимки.

Работата по проекта ми позволи да придобия по-широки познания в раздела на физиката „Повърхностно напрежение“.

Бих искал да завърша проекта си с думите на великия физик

А. Айнщайн:

„Достатъчно е да изпитам усещането за вечната мистерия на живота, да осъзная и интуитивно да разбера чудесната структура на всички неща и активно да се стремя да схвана дори най-малкото зрънце интелигентност, което се проявява в Природата.“

Списък на използваните източници и литература

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

http://www.agym.spbu.ru/

Буховцев Б. Б., Климонтович Ю. Л., Мякишев Г. Я., Физика, учебник за 9 клас на средното училище - 4 издание - М.: Образование, 1988 г. - 271 с.

Касянов В. А., Физика, 10 клас, учебник за общообразователни институции, М.: Дропла, 2001. - 410 с.

Пински А.А. Физика: учебник. Помагало за 10 клас със задълбочено изучаване на физиката. М.: Образование, 1993. - 416 с.

Юфанова И.Л. Занимателни вечери по физика в гимназията: книга за учители. - М.: Образование, 1990. -215s

Чуянов В.Я., Енциклопедичен речник на младия физик, М.: Педагогика, 1984. - 350 с.

1 1 http://www.physics.ru/

2 http://greenfuture.ru