Текстът на творбата е поместен без изображения и формули.
Пълна версияработата е налична в раздела „Работни файлове“ в PDF формат
Въведение
Уместност на темата: Знанията по природни науки са необходими на хората не само за обяснение на природните явления, но и за използване в практически дейности. Като проявявам интерес към физиката, може и да не стана физик теоретик, но ще бъда инженер, техник. Успехът на работата ми ще бъде осигурен не само от способността да мисля, но и от способността да правя, а избраната от мен тема е не само подходяща за обучение, тя дава възможност за такава успешна дейност. В света около нас, наред с гравитацията и триенето, има и друга сила, на която обръщаме малко внимание. Тази сила е сравнително малка и никога не предизвиква впечатляващи ефекти. Но ние не можем да налеем вода в чаша, не можем да направим нищо с никаква течност, без да задействаме тази сила – силата на повърхностното напрежение. Той играе важна роля в природата и технологиите, във физиологията на нашия организъм и в живота на насекомите.
Специалност -Молекулярна физика
Предмет на изследванетечност (вода, сапунен разтвор, мляко, растително масло.)
Цел:изследването на повърхностните явления в течности и изучаването на основните методи за определяне на коефициента на повърхностно напрежение на границата "течност - въздух".
Задачи на тази работа:
Изучаването на основите на молекулярната физика, свързани с повърхностните явления в течности.
Проучване на използването на повърхностното напрежение, неговата роля в реалността около нас.
Експериментално определете коефициента на повърхностно напрежение на течност чрез метода на отделяне на капчици и напрежение на телената рамка.
Сравнете получените данни с табличните стойности.
Методи на изследване: теоретиченсъбиране на информация, анализ, синтез,
генерализация; експериментален- формулиране на въпрос; уча дизайн; събиране на данни; анализ на резултатите; изводи от експеримента; публикуване на резултатите.
В теоретичната частРаботата се занимава с основните теоретични сведения от областта на молекулярната физика на повърхностния слой на течност.
В експерименталната частса дадени резултати изследователска работа. Коефициентите на повърхностно напрежение на течности (вода, мляко, растително масло, сапунен разтвор) и разбрах как повърхностното напрежение на течност зависи от температурата и вида на течността.
2. Теоретична част 2.1. Интересни фактиза формата на течността.
Склонни сме да мислим, че течностите нямат собствена форма. Това не е вярно. Естествената форма на всяка течност е сфера. Обикновено гравитацията пречи на течността да приеме тази форма и течността или се разпространява в тънък слой, ако се излее без съд, или приема формата на съд, ако се излее в него.
Течността (при отсъствие на гравитация или в случай, че се балансира от силата на Архимед) придобива сферична форма, имаща минимална повърхност със същия обем (виж приложение фиг. 1). Намирайки се вътре в друга течност със същата специфична гравитация, течността, според закона на Архимед, „губи“ теглото си: изглежда, че не тежи нищо, гравитацията не действа върху нея - и тогава течността придобива естествената си сферична форма . ..
Известно е, че маслото Прованс плува във вода, но потъва в алкохол. Следователно е възможно да се приготви такава смес от вода и алкохол, в която маслото не потъва и не плува. Като инжектирате малко масло в тази смес със спринцовка, можете да направите странно нещо : масло се събира в голяма кръгла капка, която не плува и не потъва, а виси неподвижно (виж приложение фиг. 2).
2.2. Повърхностно напрежение на течност.
Молекулите на вещество 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 течност, както и в твърдо тяло, е „притисната“ от всички страни от съседни молекули и извършва топлинни вибрации около определено равновесно положение. Въпреки това, от време на време всяка молекула може да се премести на близко свободно място. Такива скокове в течностите се случват доста често; следователно молекулите не са свързани с определени 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. Това явление се нарича ред от къси разстояния (виж приложение фиг. 3).
Течността, за разлика от газовете, не запълва целия обем на съда, в който се излива. Между течността и газа (или парата) се образува интерфейс, който е в специални условия в сравнение с останалата маса на течността. Молекулите в граничния слой на течността, за разлика от молекулите в нейната дълбочина, не са заобиколени от други молекули на същата течност от всички страни. Силите на междумолекулно взаимодействие, действащи върху една от молекулите вътре в течността от съседните молекули, се взаимно компенсират средно, а вътре в течността резултантната сила на привличане, действаща върху молекулите от съседните молекули, е равна на нула (вижте Приложение Фиг. 4). Молекулите на повърхностния слой на течността се привличат само от молекулите на вътрешните слоеве и под действието на получената сила на привличане се изтеглят в течността. Броят на молекулите остава на повърхността, при което повърхността на течността е минимална за даден обем.
|
A ext. =σS, |
Коефициентът на пропорционалност σ се нарича коефициент на повърхностно напрежение или просто повърхностно напрежение (σ> 0) и е основната характеристика, която зависи от естеството на средата и тяхното топлинно състояние. А е работа и служи като мярка за промяната в енергията. Тази енергия трябва да бъде потенциална, тъй като е свързана с подреждането на молекулите в повърхностния слой при постоянна температура и обща собственостна такива системи е спонтанна промяна в състоянието на системата в посока на намаляване на запаса от потенциална енергия, за да се приведе системата в състояние с най-ниска потенциална енергия. [7].
Посоката на процесите за намаляване на потенциалната енергия на течността определя свойството за спонтанно намаляване на свободната повърхност на течността до възможна минимална стойност. Желанието на течностите да свият повърхността си, за да го направят минимално, може да се разглежда като определена сила, действаща по повърхността. Наличието на сили на повърхностно напрежение прави течната повърхност да изглежда като еластичен разтегнат филм, с единствената разлика, че еластичните сили във филма зависят от неговата повърхност (т.е. от това как филмът е деформиран), а силите на повърхностното напрежение правят не зависи от повърхността на течностите. Някои течности, като сапунена вода, имат способността да образуват тънки филми. Добре познатите сапунени мехури имат правилна сферична форма (виж снимка № 5) - това също проявява действието на силите на повърхностното напрежение. Ако в сапунения разтвор се спусне телена рамка, чиято една от страните е подвижна, тогава цялата тя ще бъде покрита с филм от течност (вижте приложение фиг. 5). В резултат на това повърхностното напрежение може дефинирайте като силата, която стяга повърхността и е свързана с единицата дължина.
, е коефициентът на повърхностно напрежение. В системата от мерни единици - SI, коефициентът на повърхностно напрежение се измерва в джаули на квадратен метър (J / m 2) или в нютони на метър (1N / m \u003d J / m 2). Коефициентът на повърхностно напрежение е най-важното количество, което характеризира физичните и химичните свойства на течността, използва се в технологичните процеси и се взема предвид при обяснението на много явления: намокряне, кипене, флотация, кавитация. F - силата на повърхностното напрежение е насочена тангенциално към повърхността на течността, перпендикулярна на участъка от контура, върху който действа и е пропорционална на дължината на този участък.
Следните прости експерименти допълнително изясняват същността на силите на повърхностно напрежение. Пръстен от тел със свободно окачена (неопъната) нишка, прикрепена към нея в две точки (вижте допълнение фиг. 6), се потапя в сапунен разтвор. В този случай пръстенът се затяга от тънък слой течност и нишката е в равновесие, приемайки произволна форма. Ако сега филмът се разруши от едната страна на конеца чрез докосване на филма с нагрята игла, тогава конецът ще се разтегне, приемайки формата на дъга от кръг. Напрежението в нишката се дължи на силата на повърхностното напрежение от страната на свиващия се филм, силата, приложена към нишката, която в този случай е разделителната линия. Тази сила, разбира се, е перпендикулярна на нишката във всички точки. Тази сила е действала върху нишката и. до унищожаването на филма, но в същото време върху него са действали едни и същи сили от двете страни. След пробива на едната част от филма, другата получи възможност да намали площта си и, както показва формата на опъващата нишка, тази площ стана минимална.
2.3. Феноменът на намокряне и ненамокряне
Поведението на течност на границата с твърдо тяло е тясно свързано с повърхностните явления. На границата на контакт с твърдо тяло повърхността на течността може да се издигне над хоризонталната повърхност на течността или да падне под хоризонталната повърхност. . Течност, която се разпространява по повърхността на твърдо тяло, се нарича намокрянеи течността, която се свива в капка, - немокрене(Вижте допълнение фиг. 7). Ако силите на привличане между молекулите на твърдо тяло и течност > F привличане между молекулите течност, течността ще бъде омокряща. Ако молекулярното привличане на течността (отвътре) > F на привличането между молекулите на твърдото тяло и течността, тогава течността ще бъде немокряща.
2.4. Капилярни явления
"Сapillaris" - коса (в превод от латински) - тесни цилиндрични тръбички с диаметър около милиметър или по-малко се наричат капиляри. Тоест, капилярните явления са явления в тънки тръби (капиляри). В живота често имаме работа с тела, пробити от много малки канали (хартия, прежда, кожа, различни Строителни материали, почва, дърво). Влизайки в контакт с вода или други течности, такива тела много често ги абсорбират. Това е в основата на действието на кърпата при избърсване на ръцете, действието на фитила в керосиновата лампа.
Много често течността, абсорбирана в порестото тяло, се издига нагоре. Капилярност - феноменът на покачване или спадане на течността в капилярите [ 13] .В случай на овлажняваща течност (A) (вижте допълнение фиг. 8), силите на привличане Fl-t между молекулите на течността и твърдото тяло (капилярни стени) надвишават силите на взаимодействие Fl между молекулите на течността, следователно течността се изтегля в капиляра и течността се издига в капиляра, докато получената сила Fv, действаща върху течността нагоре, се балансира от гравитацията mg на течния стълб с височина h: (вижте допълнение. Фиг. 8 - B) Fv = mg. В него на разстояние h се спуска течност, която не намокря стените на капилярите (В) (виж приложение фиг. 8). Според третия закон на Нютон силата Fv, действаща върху течността, е равна на силата на повърхностното напрежение Fs, действаща върху стената по линията на контакт с течността: Fv = Fs [ 8]
3. Практическа работа
3.1 Методи за определяне на повърхностното напрежение. При изследването на повърхностните явления на границата газ-течност най-често използваният метод се основава на измерване на повърхностното напрежение на тази граница, което въпреки своята простота позволява получаване на достатъчно надеждни данни. [ 15] . Съществуващите методи за определяне на повърхностното напрежение са разделени на три групи: статични, полустатични и динамични.
статични методиопределя се повърхностното напрежение на практически неподвижни повърхности, образувани много преди началото на измерванията и следователно в равновесие с обема на течността. Тези методи включват метода на капилярно издигане и метода на сесилна или висяща капка (балон).
Динамични методисе основават на факта, че някои видове механични въздействия върху течност са придружени от периодично разтягане и компресия на нейната повърхност, които се влияят от повърхностното напрежение. Тези методи определят неравновесната стойност . Динамичните методи включват методи на капилярни вълни и осцилираща струя.
полустатиченнаречени методи за определяне на повърхностното напрежение на фазовата граница, което възниква и периодично се актуализира в процеса на измерване (методът на максималното налягане на мехурчетата и сталагмометричният метод), както и методи за откъсване на пръстена и прибиране на плочата. Тези методи позволяват да се определи равновесната стойност на повърхностното напрежение, ако измерванията се извършват при такива условия, че времето, през което се образува границата, е много по-дълго от времето за установяване на равновесие в системата.
В тази работа, за да определя коефициента на повърхностно напрежение на течност, използвам полустатичен метод: методът за разделяне на капките(сталагмометричен ) и метода на телената рамка.(прибиране на плочата).
3.2 Метод за отделяне на капките . Наблюдавайки отделянето на капка течност от вертикална тясна тръба, може да се определи коефициентът на повърхностно напрежение на течността . Помислете как расте капка течност (вижте приложение фиг. 9). Размерът на капката постепенно се увеличава, но се отделя само когато достигне определен размер (вижте приложение фиг. 9, а). Докато капката не е голяма достатъчно, повърхностните сили и напрежението са достатъчни, за да устоят на гравитацията и да предотвратят излитане. Преди отделянето се образува стеснение - шийката на капката (виж приложение фиг. 9 б). Докато капката се задържа в края на капилярната тръба, върху нея ще действат следните сили: (1) - гравитация, насочена вертикално надолу и стремяща се да откъсне капката; сили на повърхностно напрежение, насочени тангенциално към повърхността на течността и перпендикулярни на контура лкапки за врата. (вижте приложение фиг. 10). Тези сили се стремят да задържат капката. Получената сила на повърхностно напрежение е насочена нагоре и е равна на (2), където л- дължината на контура на гърлото на капката. Когато силата на гравитацията стане равна на силата на повърхностното напрежение, капката ще се отдели: (3). За модули на сила: като вземем предвид (2) и (3), пишем: [ 11]
Тъй като дължината на контура на гърлото на капката е де диаметърът на гърлото на капката. Следователно, откъде (4), къде м-маса на една капка . Формула (4) е работеща формула за изчисление.
Описаният метод за експериментално определяне на коефициента на повърхностно напрежение на течност дава добри резултати, въпреки факта, че в действителност капката не се отделя точно както е описано по-горе.В действителност капката не се отделя по обиколката на врата. В момента, когато размерът на капката достигне стойността, определена от уравнение (3), шийката започва да се стеснява бързо (вижте приложение фиг. 9 b) и е придружено от друго малко падане (вижте приложение фиг. 9 c). Освен това при изчисленията диаметърът на гърлото на капката в момента на отделяне може да се приеме равен на вътрешния диаметър на тръбата, тъй като тръбата е доста тясна и диаметърът й е сравним с диаметъра на гърлото на капката. За изчисление съгласно формула (4) е необходимо да се следи чистотата на капиляра и водата по време на измерването. В допълнение, коефициентът на повърхностно напрежение зависи от температурата на изследваната течност: с повишаване на температурата тя намалява. При стайна температура 20 С, табличната стойност на коеф за вода маса = 72,510 3 N/m. [ 9][ 2] .
Оборудване:съд с вода, празна чаша, микрометър, везна с тежест, тънка стъклена тръбичка (бюрета).
Ход на работата: 1. Сглобете инсталацията. Измерете температурата в стаята и d.
2. Определете масата на празна чаша m 1 и капнете 30 капки чиста вода. (вижте приложената снимка 1).
3. Определете - m 2 - масата на чаша с водни капки. (вижте приложената снимка 2).
4. Намерете масата на една капка вода
6. Проведете експеримента 3 пъти, като използвате 40 и 50 капки.
7. Намерете δ вж. = = [ 11]
│Δδ│ 1 =│δср.-δ 1 │ │Δδ│ 2 =│δср.-δ 2 │Δδ│ 3 =│δср.-δ 3
Δδ вж. = и E = 100%
Въведете данните в таблицата (виж таблица № 1 в приложението). 9. Сравнете изчислената стойност на коефициента на повърхностно напрежение на водата с таблицата и определете абсолютните и относителните грешки, като използвате формулите: и Заключение : в изследователска работа определих коефициента на повърхностно напрежение на водата при температура 19 0 C, използвайки метода за разделяне на капките и получих δ = (74,33 + 0,89) mN/m, E = 1,2%. Сравнявайки със стойността на таблицата, получаваме абсолютна грешкаΔδ = 1,38 mN/m и относителна грешка E = 1,9%.
Анализирайки получените резултати, можете да видите разликата в грешката на измерване (стойността на физичната величина, получена експериментално и толкова близка до истинската стойност). Грешката на измерване е характеристика на точността на измерването и ние сме я определили по различни начини). Това може да се обясни:
Броят на капките в резултат на преброяването е точно число и ако вземем π = 3,14 и g = 9,81 m / s 2, тогава относителните грешки на тези количества, както и за масата на капката, ще бъдат твърде малки в сравнение с относителната грешка при измерване на диаметъра на тръбния канал).
Измерванията са индиректни (по формула);
Изследванията са проведени при температура на течността t = 19 0 С;
Инструментална грешка (микрометър, везни);
действие на експериментатора.
3.3 Метод на телена рамка
В течностите средните разстояния между молекулите са много по-малки, отколкото в газовете. Следователно силите на взаимодействие играят съществена роля в течностите. В повърхностния слой на течността се появяват прекомерни междумолекулни връзки: молекулите в този слой изпитват насочена навътре сила на привличане от молекулите на останалата част от течността. Силата на повърхностното напрежение е насочена тангенциално към повърхността на течността, така че не действа върху стените на съда и тялото, потопено в течността. Помислете за телена правоъгълна рамка с дължина лдокосвайки повърхността на течността (вижте приложение фиг. 11). Когато рамката се повдигне над повърхността на течността, между рамката и повърхността се образува филм, който се дърпа надолу. Силата, която държи рамката е: (1) л- дължината на телената рамка, σ - коефициентът на повърхностно напрежение на течността. Познавайки тази сила с помощта на динамометър, ще намерим коефициента на повърхностно напрежение на всяка течност σ = F / 2l (2).
Оборудване:динамометър, правоъгълна телена рамка, съд, линийка, тестова течност.
Напредък
1. Измерете дължината на телената рамка л
2. Изсипете тестовата течност в чашата, внимателно спуснете телената рамка, докато влезе в контакт с течността, поставете стрелката на динамометъра на 0.
Забележка: уверете се, че рамката е в контакт с течността равномерно по целия си периметър.
4. Внимателно повдигнете динамометъра, повдигнете рамката, докато се отдели от течността. Отбележете и запишете показанията на динамометъра в таблицата Ев момента на отделяне на рамката от течността. (вижте приложената снимка 3)
5. Проведете експерименти за различни течности и изчислете стойността на коефициента на повърхностно напрежение, като използвате формула (2).
6. Запишете данните в таблица (виж таблица № 2 на приложението).
7. Получените стойности на повърхностното напрежение на изследваните течности се сравняват с табличната стойност при t = 20 0 С.
8. Определете експериментално зависимостта на коефициента на повърхностно напрежение на водата от температурата на течността - t. Запишете данните в таблица (виж таблица № 3 в приложението).
9. Представете резултатите от изследването под формата на графики.
10. Определете абсолютната и относителната грешка на измерване.
Заключение: Използвайки метода на телената рамка, определих коефициента на повърхностно напрежение на течности. Според резултатите, представени в таблицата и на графиката, следва, че коефициентът на повърхностно напрежение зависи от вида на течността и нейната температура. Колкото по-висока е температурата, толкова по-ниско е повърхностното напрежение. Резултатите от грешките са представени в таблица № 4.
Прояви на силите на повърхностно напрежение
Концепцията за повърхностно напрежение е въведена за първи път от J. Segner (1752). През 1-вата половина на 19в. въз основа на концепцията за повърхностното напрежение е разработена математическа теориякапилярни явления (П. Лаплас, С. Поасон, К. Гаус, А. Ю. Давидов). През 2-рата половина на 19в. Дж. Гибс развива термодинамичната теория на повърхностните явления, в която повърхностното напрежение играе решаваща роля. През 20 век разработват се методи за регулиране на повърхностното напрежение с помощта на повърхностноактивни вещества и електрокапилярни ефекти (I. Langmuir, P. A. Rehbinder, A. H. Frumkin).
Сред съвременните актуални проблеми е развитието на молекулярната теория за повърхностното напрежение на различни течности, включително разтопени метали. . Повърхностното напрежение на метала и разтопения електролит трябва да се вземе предвид поради следните причини. При отделяне на разтопен метал е необходимо той да намокри добре катода и да се получи под формата на компактен слой. Металът, който не намокря катода, образува малки капки, което увеличава повърхността на контакта му с електролита и неговата разтворимост. По време на утаяването на твърд метал, неговата омокряемост с електролит насърчава образуването на защитен филм и предотвратява окисляването. Кислородът намалява повърхностното напрежение на метала , и следователно, с увеличаване на съдържанието му в смес на базата на аргон, критичният ток намалява. . Азотът увеличава повърхностното напрежение на метала; следователно, с увеличаване на съдържанието на азот в аргона при същата сила на тока, размерът на капката се увеличава. При заваряване в азотна атмосфера се получава прехвърляне на големи капки метал с интензивно пръскане.
Разгледани са методите и техническите средства за събиране на нефтопродукти от повърхността на водата. Повърхностното напрежение е определящ фактор при много технологични процеси: флотация, импрегниране на порести материали, покритие, измиващо действие, прахова металургия, запояване. Ролята на повърхностното напрежение в процесите, протичащи в безтегловност, е голяма [ 3] .
Силите на повърхностното напрежение играят значителна роля в природните явления, биологията, медицината, в различни модерни технологии, полиграфия, технологии, във физиологията на нашето тяло.
Без тези сили не бихме могли да пишем с мастило. Обикновената писалка не би изгребвала мастило от мастилницата, но автоматичната веднага би поставила голямо мастилено петно, изпразвайки целия си резервоар (вижте приложението фиг. 12). .
Внимателно поставете иглата върху повърхността на водата (вижте приложена снимка 4). Повърхностният филм ще се огъне и ще предотврати потъването на иглата. По същата причина леките водни страйдъри могат бързо да се плъзгат по повърхността на водата (вижте допълнение фиг. 13), като скейтъри на лед.
В медицината се измерва динамичното и равновесно повърхностно напрежение на венозния кръвен серум, което може да се използва за диагностициране на заболяване и контрол на провежданото лечение (виж Приложение Фиг. 14). Установено е, че водата с ниско повърхностно напрежение е биологично по-достъпна. Той по-лесно влиза в молекулярни взаимодействия, тогава клетките няма да изразходват енергия за преодоляване на повърхностното напрежение.
Обемът на печат върху полимерни фолиа непрекъснато нараства поради бързото развитие на опаковъчната индустрия, голямото търсене на потребителски стоки в цветни полимерни опаковки. Важно условие за компетентното прилагане на такива технологии е точно определениеусловията за тяхното приложение в печатните процеси.
При печата е необходима обработка на пластмаса преди печат, така че боята да попадне върху материала. Причината е повърхностното напрежение на материала. Резултатът се определя от това как течността намокря повърхността на продукта. Намокрянето се счита за оптимално, когато капка течност остане там, където е нанесена. В други случаи течността може да се търкаля в капка или, обратно, да се разтече. И двата случая еднакво водят до отрицателни резултати по време на трансфер на мастило.
ЗаключениеВ началото на моята работа си поставих за цел да изучавам повърхностните явления в течности и да изучавам основните методи за определяне на коефициента на повърхностно напрежение на течност на границата "течност-въздух". По време на изследователската си работа научих:
1 ) относно основните експериментални методи за измерване на коефициента на повърхностно напрежение на течност;
2 ) използвайки метода за отделяне на капки и телена рамка, определи коефициента на повърхностно напрежение на течността на границата „течност-въздух“; 3 ) силите на повърхностно напрежение са малки и се появяват при малки обеми течност;
4 ) повърхностната енергия на течност зависи от вида на течността, от средата, с която граничи, а също и от температурата на течността.
5 ) с повишаване на температурата вътрешната енергия се увеличава и, естествено, напрежението в граничния слой на течността намалява и следователно силите на повърхностното напрежение намаляват.
6) сапунена вода, има способността да образува тънки филми. Течният филм се превръща в еластична повърхност, стремяща се да минимизира площта си и, следователно, да минимизира енергията на опън на единица площ (вижте приложената снимка № 6); (това е формата на топката).
7 ) силите на повърхностно напрежение съществуват, играят важна роля в природата, технологиите и човешкия живот. Би било невъзможно да насапунисвате ръцете си: няма да се образува пяна. Би се нарушил водният режим на почвата, което би било пагубно за растенията. щеше да страда важни характеристикинашето тяло. Проявите на силите на повърхностното напрежение са толкова разнообразни.
6. Литература
1. Детлаф, А.А., Яворски Б.М. Курс по физика. М.: висше училище, 2002. 718 с.
2. Касянов V.A. Физика. 10 клас: Учебник за общи изображения. институции. - 6-то изд., стереотип. - М.: Дропла, 2008 .
3. Kuhling, H. Наръчник по физика. - М., 1982. - 520-те
4. Ландсберга Г.С. Начален учебник по физика. Том 1: Механика. Топлина. Молекулярна физика. - М., Книга по поръчка, 2012. - 618 с.
5. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. „Физика: Молекулярна физика и термодинамика“. Учебник за 10 клас профилно ниво. Москва, 2012 г.
6. Матвеев, А.Н. Молекулярна физика. М.: Висше училище, 1987. 360-те.
7. Пински А.А. Кабардин О.Ф. Учебник по физика 10 клетки. Ниво на профил, 13-то изд. - М.: Просвещение, 2011
8. Перелман Я.И. Занимателна физика. В две книги. Книга. 1. -20-то изд., стереотип. - М.: Наука, 1979
9. Трофимова, Т.И. Курс по физика. - М: Академия, 2007. - 560 с.
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Surface_tension
11. Формули http://studyport.ru/referaty/tochnyje-nauki/3948
12. Свойства на течностите. Повърхностно напрежение http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph5/theory.html#.Vo9nifmLTcc
13. Намокряне, капилярна http://phys-bsu.narod.ru/lib/mkt/mkt/207.htm
14. Метод на телена рамка http://allrefs.net/c12/3smth/p5/
15. Повърхностно напрежение на течност http://physflash.narod.ru/Search/mechanics/24.htm
16. Интересни факти за формата на течността http://www.afizika.ru/svojstvazhidkostejgazov/95-estestvennayaformazidkosti
17. http://www.ngpedia.ru/id181006p1.html
Приложение
Снимка 1. [ 6] Напречно сечение на сферична течна капка
Фигура 2.капка масло за плуване
Фигура 3 [ 2] Пример за късия ред на течните молекули и далечния ред на молекулите на кристално вещество: 1 - вода; 2 - лед.
Фигура 4 Молекулен механизъм на повърхностното напрежение
Фигура 5 [ 10] Подвижен страна на телена рамка в равновесие под действието на външна сила и произтичащата сила на повърхностно напрежение
Фигура 6 [ 2][ 0] Повърхностно напрежение на сапунен филм
Фигура 7 [ 14] Условия равновесие на границата течност-твърдо вещество
Q90° - не мокри
Q - Контактен ъгъл
Q = 0 ° - перфектно ненамокряне
Q=180° - перфектно омокряне
Фигура 8капиляри [ 13]
A B C.
Фигура 9Образуване на течна капка [ 10]
Фигура 10. [ 12]
Фигура 11.
телена рамка [ 14]
Фигура 12.Силите на повърхностното напрежение играят важна роля в природните явления, биологията, медицината, различните съвременни технологии, печата и инженерството.
Фигура 13.
Фигура 14.Силите на повърхностното напрежение играят съществена роля във физиологията на нашето тяло.
Таблица № 1 Коефициент на повърхностно напрежение на водата на границата с въздуха.
|
Δ δср. (mN/m) |
|||||||||
Таблица № 2 Коефициент на повърхностно напрежение на течности на границата с въздух
Таблица № 3 Коефициент на повърхностно напрежение на водата на границата с въздуха при различни температури
Таблица № 4 Абсолютна и относителна грешка при измерване на коефициента на повърхностно напрежение на различни видове течности
График #1. Зависимост на коефициента на повърхностно напрежение на течност от вида на течността и сравнение на резултатите от експеримента с таблицата.
Графика № 2. Зависимостта на коефициента на повърхностно напрежение на водата от температурата
Снимка #1
Снимка #2
Снимка #3
Снимка #4
Снимка #5
Снимка #6
Течността е агрегатно състояние на материята, междинно между газообразно и твърдо състояние, следователно притежава свойствата както на газообразни, така и на твърди вещества. Течностите, както и твърдите тела, имат определен обем и като газовете приемат формата на съда, в който се намират. Газовите молекули практически не са свързани помежду си от силите на междумолекулно взаимодействие. В този случай средната енергия на топлинното движение на газовите молекули е много по-голяма от средната потенциална енергия поради силите на привличане между тях, така че газовите молекули се разпръскват в различни посоки и газът заема целия предоставен му обем .
В твърдите и течните тела силите на привличане между молекулите вече са значителни и държат молекулите на определено разстояние една от друга. В този случай средната енергия на хаотичното топлинно движение на молекулите е по-малка от средната потенциална енергия поради силите на междумолекулно взаимодействие и не е достатъчна за преодоляване на силите на привличане между молекулите, така че твърдите вещества и течностите имат определена сила на звука.
Рентгеновият дифракционен анализ на течности показа, че естеството на разположението на течните частици е междинно между газ и твърдо вещество. В газовете молекулите се движат произволно, така че в тях няма модел относителна позиция. За твърди вещества, т.нар дълга поръчкав подреждането на частиците, т.е. тяхното подредено подреждане, повтарящо се на големи разстояния. В течностите, т.нар поръчка с малък обхватв подреждането на частиците, т.е. тяхната подредена подредба, повтаряща се на разстояния, сравними с междуатомните.
Теорията за течността не е напълно развита до днес. Топлинното движение в течността се обяснява с факта, че всяка молекула осцилира известно време около определено равновесно положение, след което скача в ново положение, което е на разстояние от порядъка на междуатомното разстояние от първоначалното. По този начин молекулите на течността се движат доста бавно в цялата маса на течността и дифузията се извършва много по-бавно, отколкото в газовете. С повишаване на температурата на течността честотата на осцилаторното движение рязко се увеличава, подвижността на молекулите се увеличава, което е причината за намаляване на вискозитета на течността.
Силите на привличане действат върху всяка молекула на течността от страната на околните молекули, като бързо намаляват с разстоянието, следователно, започвайки от определено минимално разстояние, силите на привличане между молекулите могат да бъдат пренебрегнати. Това разстояние (приблизително 10 -9 m) се нарича радиус на молекулярно действие r , и сфера с радиус р-сфера на молекулярно действие.
Изберете молекула вътре в течността НОи начертайте сфера с радиус около него r(фиг.10.1). Достатъчно е, според определението, да се вземе предвид действието върху дадена молекула само на тези молекули, които са вътре в сферата
Фиг.10.1. молекулярно действие. Силите, с които тези молекули действат върху молекулата НО,са насочени в различни посоки и средно се компенсират, следователно резултантната сила, действаща върху молекула вътре в течността от други молекули, е равна на нула. Ситуацията е различна, ако молекулата, например молекулата AT,разположени на разстояние от повърхността r.В този случай сферата на молекулярно действие е само частично разположена вътре в течността. Тъй като концентрацията на молекулите в газа, разположен над течността, е малка в сравнение с тяхната концентрация в течността, резултантната сила Е, приложен към всяка молекула от повърхностния слой, не е равен на нула и е насочен вътре в течността. Така възникващите сили на всички молекули на повърхностния слой оказват натиск върху течността, т.нар молекулярно(или вътрешни).Молекулярното налягане не действа върху тяло, поставено в течност, тъй като се дължи на сили, действащи само между молекулите на самата течност.
Общата енергия на течните частици е сумата от енергията на тяхното хаотично топлинно движение и потенциалната енергия, дължаща се на силите на междумолекулно взаимодействие. За да се премести молекула от дълбочината на течността до повърхностния слой, трябва да се изразходва работа. Тази работа се извършва за сметка на кинетичната енергия на молекулите и отива за увеличаване на тяхната потенциална енергия. Следователно молекулите на повърхностния слой на течността имат по-голяма потенциална енергия от молекулите вътре в течността. Тази допълнителна енергия, притежавана от молекулите в повърхностния слой на течността, се нарича повърхностна енергия,е пропорционална на площта на слоя Δ С:
Δ У=σ Δ С,(10.1)
където σ – коефициент на повърхностно напрежение, определена като плътност на повърхностната енергия.
защото равновесно състояниесе характеризира с минимална потенциална енергия, тогава течността, при липса на външни сили, ще приеме такава форма, че за даден обем да има минимална повърхност, т.е. форма на топка. Наблюдавайки най-малките капчици, висящи във въздуха, можем да видим, че те наистина имат формата на топки, но донякъде изкривени поради действието на силите на гравитацията. В условията на безтегловност капка всяка течност (независимо от размера й) има сферична форма, което е доказано експериментално на космически кораби.
И така, условието за стабилно равновесие на течност е минималната повърхностна енергия. Това означава, че течността за даден обем трябва да има най-малката повърхност, т.е. течността има тенденция да намалява свободната повърхност. В този случай повърхностният слой на течността може да се оприличи на опънат еластичен филм, в който действат сили на опън.
Помислете за повърхността на течност, ограничена от затворен контур. Под действието на силите на повърхностното напрежение (те са насочени тангенциално към повърхността на течността и перпендикулярно на участъка от контура, върху който действат), повърхността на течността се свива и разглежданият контур се премества. Силите, действащи от избраната зона към съседните области, извършват работата:
Δ A=fΔ лΔ х,
където f=F/Δ аз -сила на повърхностно напрежение, действащи на единица дължина от контура на повърхността на течността. Вижда се, че Δ лΔ х= Δ С, тези.
Δ A=f∆S.
Тази работа се извършва чрез намаляване на повърхностната енергия, т.е.
Δ Α =Δ У.
От сравнението на изразите се вижда, че
т.е. коефициентът на повърхностно напрежение σ е равен на силата на повърхностното напрежение на единица дължина на контура, който ограничава повърхността. Единицата за повърхностно напрежение е нютон на метър (N/m) или джаул на квадратен метър(J / m 2). Повечето течности при температура 300K имат повърхностно напрежение от порядъка на 10 -2 -10 -1 N/m. Повърхностното напрежение намалява с повишаване на температурата, тъй като средните разстояния между молекулите на течността се увеличават.
Повърхностното напрежение по същество зависи от примесите, присъстващи в течностите , наричат се течности, които намаляват повърхностното напрежение повърхностно активни вещества (ПАВ).Сапунът е най-известното повърхностно активно вещество за вода. Той значително намалява повърхностното си напрежение (от около 7,5 10 -2 до 4,5·10 -2 N/m). Повърхностноактивни вещества, които намаляват повърхностното напрежение на водата, са също алкохоли, етери, масла и др.
Има вещества (захар, сол), които увеличават повърхностното напрежение на течността поради факта, че техните молекули взаимодействат с молекулите на течността по-силно, отколкото молекулите на течността взаимодействат една с друга.
В строителството повърхностноактивните вещества се използват за приготвяне на разтвори, използвани при обработката на части и конструкции, работещи при неблагоприятни атмосферни условия (висока влажност, повишени температури, излагане на слънчева радиация и др.).
Феномен на намокряне
От практиката е известно, че капка вода се разпространява върху стъклото и приема формата, показана на фиг. 10.2, докато живакът върху същата повърхност се превръща в малко сплескана капка. В първия случай се казва, че течността мокритвърда повърхност, във втория - не мокринея. Намокрянето зависи от естеството на силите, действащи между молекулите на повърхностните слоеве на съседни среди. За омокряща течност силите на привличане между молекулите на течността и твърдото вещество са по-големи, отколкото между молекулите на самата течност и течността има тенденция да се увеличава
контактна повърхност с твърдо тяло. За немокряща се течност силите на привличане между молекулите на течността и твърдото тяло са по-малки от тези между молекулите на течността и течността се стреми да намали повърхността на своя контакт с твърдото тяло.
Към линията на контакт на три среди (точка 0 е нейната пресечна точка с равнината на чертежа) се прилагат три сили на повърхностно напрежение, които са насочени тангенциално към контактната повърхност на съответните две среди. Тези сили, на единица дължина на контактната линия, са равни на съответните повърхностни напрежения σ 12 , σ 13 , σ 23 . Ъгъл θ между допирателните към повърхността на течност и твърдо тяло се нарича ръбов ъгъл.Условието за равновесие на капка е равенството на нула на сумата от проекциите на силите на повърхностното напрежение върху посоката на допирателната към повърхността на твърдото тяло, т.е.
–σ 13 + σ 12 + σ 23 cos θ =0 (10.2)
cos θ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)
От условието следва, че контактният ъгъл може да бъде остър или тъп в зависимост от стойностите σ 13 и σ 12 . Ако σ 13 >σ 12 , тогава cos θ >0 и ъгъл θ остър, т.е. течността намокря твърда повърхност. Ако σ 13 <σ 12 , тогава cos θ <0 и угол θ – тъп, т.е. течността не намокря твърдата повърхност.
Контактният ъгъл удовлетворява условието (10.3), ако
(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.
Ако условието не е изпълнено, тогава капката течност за всякакви стойности θ не може да бъде в баланс. Ако σ 13 >σ 12 +σ 23 , тогава течността се разпространява по повърхността на твърдото вещество, покривайки го с тънък филм (например керосин върху повърхността на стъкло), - имаме пълно намокряне(в такъв случай θ =0).
Ако σ 12 >σ 13 +σ 23 , тогава течността се свива в сферична капка, като в границите има само една точка на контакт с нея (например капка вода върху повърхността на парафин), - имаме пълно ненамокряне(в такъв случай θ =π).
Намокряне и ненамокряне са относителни понятия, т.е. Течност, която намокря една твърда повърхност, не намокря друга. Например водата намокря стъклото, но не намокря парафина; Живакът не мокри стъкло, но мокри метални повърхности.
Явленията на намокряне и ненамокряне са от голямо значение в технологиите. Например, при метода за обогатяване на рудата с флотация (отделяне на рудата от отпадъчната скала), фино натрошената руда се разклаща в течност, която намокря отпадъчната скала и не намокря рудата. През тази смес се продухва въздух и след това се утаява. В същото време скалните частици, намокрени с течност, потъват на дъното, а зърната от минерали се „залепват“ за въздушни мехурчета и изплуват на повърхността на течността. При обработката на металите те се намокрят със специални течности, което улеснява и ускорява повърхностната обработка.
В строителството явлението намокряне е важно за приготвянето на течни смеси (китове, замазки, разтвори за полагане на тухли и приготвяне на бетон). Необходимо е тези течни смеси да намокрят добре повърхностите на строителните конструкции, върху които се прилагат. При избора на компонентите на смесите се вземат предвид не само контактните ъгли за двойки смес-повърхност, но и повърхностно-активните свойства на течните компоненти.
Конвертор на дължина и разстояние Конвертор на маса Конвертор на обемна храна и хранителен обем Конвертор на площ Конвертор на единици за обем и рецепта Конвертор на температура Конвертор на налягане, напрежение, модул на Йънг Конвертор на енергия и работа Конвертор на мощност Конвертор на сила Конвертор на време Конвертор на линейна скорост Конвертор на плосък ъгъл Конвертор на топлинна ефективност и горивна ефективност на числата в различни бройни системи Преобразувател на единици за измерване на количеството информация Обменни курсове Размери на дамски дрехи и обувки Размери мъжко облеклоПреобразувател на ъглова скорост и скорост на въртене Преобразувател на ускорение Преобразувател на ъглово ускорение Преобразувател на плътност Преобразувател на специфичен обем Преобразувател на инерционен момент Преобразувател на сила Преобразувател на въртящ момент Специфична топлина на изгаряне (по маса) Преобразувател Преобразувател на коефициента на топлинно разширение Преобразувател на термичното съпротивление Преобразувател на топлопроводимост Преобразувател на специфична топлина Излагане на енергия и лъчиста мощност Преобразувател на плътност на топлинния поток Преобразувател на коефициента на топлопредаване Преобразувател на обемен поток Преобразувател на масов поток Преобразувател на моларен поток Преобразувател на плътност на масовия поток Преобразувател на моларна концентрация Преобразувател на масов разтвор Преобразувател на масова концентрация Динамичен динамичен преобразувател (Абсолютен) Вискозитет Преобразувател на кинематичен вискозитет Преобразувател на повърхностно напрежение Преобразувател на паропропускливост Конвертор на плътността на потока на водната пара Конвертор на нивото на звука Конвертор на чувствителността на микрофона Конвертор на нивото на звуковото налягане (SPL) Конвертор на нивото на звуковото налягане с избираемо референтно налягане Конвертор на яркост Конвертор на интензитета на светлината компютърна графикаКонвертор на честота и дължина на вълната Диоптрична мощност и фокусно разстояние Диоптрична мощност и увеличение на обектива (×) Конвертор на електрически заряд Конвертор на линеен заряд Конвертор на плътност на заряда Конвертор на плътност на повърхностния заряд Конвертор на обемен конвертор на плътност на заряд електрически токКонвертор на линейна плътност на тока Конвертор на повърхностна плътност на тока Конвертор на силата на електрическото поле Конвертор на електростатичния потенциал и напрежението Конвертор на електрическото съпротивление Конвертор на електрическото съпротивление Конвертор на електрическата проводимост Конвертор на електрическата проводимост Конвертор на индуктивността на капацитета Конвертор на US Wire Gauge dBV), ватове и др. единици Преобразувател на магнитна сила Конвертор на сила магнитно полеПреобразувател на магнитен поток Преобразувател на магнитна индукция Радиация. Преобразувател на мощността на погълнатата доза йонизиращо лъчение Радиоактивност. Преобразувател на радиоактивен разпад Радиация. Преобразувател на експозиционна доза радиация. Конвертор на абсорбираната доза Конвертор на десетични префикси Пренос на данни Типография и обработка на изображения Конвертор на единици Конвертор на дървен материал Обем на единици Изчисляване на моларна маса Периодична таблица на химичните елементи от Д. И. Менделеев
Първоначална стойност
Преобразувана стойност
нютон на метър милинютон на метър грам-сила на сантиметър дин на сантиметър ерг на квадратен сантиметър ерг на квадратен милиметър паундал на инч паунд-сила на инч
Сила на електрическото поле
Повече за повърхностното напрежение
Главна информация
Повърхностното напрежение е свойството на течността да устои на силата, която действа върху нея. В сравнение с други течности, повърхностното напрежение водаедин от най-високите. Това свойство на водата се дължи на нейната молекулна структура, поради която връзките между молекулите са много по-силни от тези на другите течности.
Повърхностното напрежение зависи от самата течност и нейната молекулярна структура, но също и от това с какъв материал тази течност е в контакт. Когато става дума за повърхностно напрежение в животинския свят и в много други примери по-долу, обикновено се разглежда или системата вода-въздух, или водните разтвори на различни вещества, тъй като това са най-често срещаните системи, които се срещат в природата.
Изчисления на повърхностното напрежение
За да се увеличи повърхността на водата, тоест да се разтегне тази повърхност, е необходимо да се извърши механична работа, за да се преодолеят силите на повърхностното напрежение. Ако към течността не се прилагат други външни сили, тя има тенденция да приеме форма, в която повърхностната площ на тази течност е минимална. Както ще видим по-долу, най-оптималната форма е топка. При нулева гравитация течността наистина приема формата на топка. Потенциалната енергия на повърхностното напрежение се намира по формулата:
Ε сърфиране = σ S
Тук σ е коефициентът на повърхностно напрежение и С - цялата зонатечности. Тази формула може да се изрази и като:
σ = сърф/С
Както може да се види от тази формула, коефициентът на повърхностно напрежение σ се изразява в джаули на квадратен метър (J/m² = N/m). Тоест, коефициентът на повърхностно напрежение при постоянна температура на течността е равен на работата, която трябва да се извърши, за да се увеличи повърхността на течността на единица площ. Припомнете си, че джаул е равен на нютон, умножен по метър, и получаваме друга единица за измерване на повърхностното напрежение - нютон на метър (N / m).
Относно терминологията
Повърхностното напрежение не се среща само в системи въздух-течност. Най-често, когато хората говорят за сила по дължина, те имат предвид повърхностно напрежение в системи течност-газ. Понякога говорим за системи течност-течност, които също имат повърхностно напрежение. Пример за система течност-течност, в която можем да говорим за повърхностно напрежение, са лавовите лампи. Когато лампата е изключена, парафинът в нея е в твърдо състояние, но когато се включи, той се нагрява, топи и се издига, тъй като в загрято състояние парафинът е по-лек от течността, в която се намира , а в студено състояние е по-тежък.
Механизъм за повърхностно напрежение
Всяка молекула в течност действа върху околните молекули с определена сила. Съответно редица сили от различни посоки от страните на други молекули също действат върху всяка молекула. Действието на тези сили между молекулите е показано на илюстрацията. Тези сили възникват поради факта, че водородните и кислородните атоми, които изграждат водата, се привличат един към друг поради разликата в зарядите (отрицателният заряд на кислорода се привлича от положителния заряд на водорода). Тези сили дърпат молекулите в различни посоки, една към друга.
Ситуацията с молекулите на повърхността на веществото е малко по-различна, тъй като величината на силата, с която въздушните молекули действат върху водните молекули, е много по-малка от силата, с която водните молекули действат една върху друга. Както е показано на илюстрацията, силите, действащи върху молекулите на повърхността на течността, са по-малки от силите, действащи върху всички други молекули вътре в веществото. Силите, действащи върху тези молекули, действат върху тях от страните, от които са заобиколени от други водни молекули, но не и от повърхността. Поради това молекулите на повърхността се привличат в течността с по-голяма сила, отколкото се привличат към повърхността. Поради това на повърхността се образува много по-издръжлив слой вода. Силите, действащи върху молекулите на повърхността, карат повърхността да се свива, за да намали повърхностната площ възможно най-много. В сравнение с други връзки, тези връзки са много по-трудни за прекъсване.
Силите, които действат върху водните молекули, определят наличието на две свойства на водата - адхезияи сплотеност. Кохезията е свойството на молекулите на едно и също вещество да се привличат една друга. Както видяхме от предишните примери, водните молекули са силно кохезивни. Благодарение на кохезията е възможно повърхностното напрежение.
Адхезията, напротив, е свойството на молекулите на различни вещества или материали да се привличат една към друга. Например, ако сцеплението между течността и съда е високо, тогава течността се "изкачва" по повърхността на съда, докато зоната в центъра на течността остава на мястото си. Това ясно се вижда в примера с водата в стъклен съд - образува се вода вдлъбнат менискусако го изсипете в тесен съд.
Разбира се, във всеки стъклен съд ще се образува вдлъбнат менискус, ако не е прекалено пълен, но този ефект се вижда много по-лесно в тесен съд, като лула. Заслужава да се отбележи, че в илюстрацията на пълна чаша менискусът изпъкнал. Това е така, защото водата няма за какво да се "закачи" освен за други водни молекули. Изпъкналата форма на менискуса се дължи на сцеплението между водните молекули. Процесът на образуване на изпъкнал менискус е подобен на процеса на образуване на водни капки, който е описан по-долу.
Ако сцеплението между повърхността на веществото и течността е малко, тогава менискусът ще бъде изпъкнал. Това се дължи на факта, че молекулите на течността се привличат към други молекули на течността повече, отколкото към повърхността на съда. Добър пример за такъв менискус е живакът. Ако имате измервателен уред с живак вътре, като например термометър, тогава можете лесно да видите този менискус.
Примери за повърхностно напрежение при работа
Примери за повърхностно напрежение в ежедневието и технологиите ни заобикалят навсякъде. Ефектът на повърхностното напрежение се вижда най-лесно в системи вода-въздух.
Водни капки
Образуването на сферични капчици също се дължи на силите, които привличат молекулите на повърхността на течността навътре. Представете си капка, както децата често я рисуват - формата й не е съвсем сферична, а продълговата, удължена отгоре и заоблена отдолу. Най-често срещаното изображение на капка има тази форма, защото най-често виждаме капки като тази, когато върху тях действат различни сили. Например, така изглеждат капките, които се търкалят по повърхността на листата и клоните на дърветата и след това се стичат надолу.
Когато една капка все още не е остъклена от повърхността, върху която се намира, върху нея действат няколко сили, включително силата на привличане. Водата лесно променя формата си, а капката, преди да падне, се разтяга и представлява висяща капка. Ние сме запознати с тази форма, тъй като такива капки, за разлика от сферичните, се движат доста бавно и лесно се виждат.
Докато капката се разтяга, тя достига точка на максимално разтягане, след което силите на повърхностното напрежение вече не могат да държат молекулите на капката заедно. Капката се отделя от други водни молекули и пада надолу. Докато лети надолу, влиянието на околните сили върху него намалява и поради повърхностното напрежение формата му става сферична, както обсъдихме по-горе.
Както можете да видите на снимката на капка кафе, падаща в чаша от кафе машина за еспресо, формата на тази капка е много близка до сферичната, въпреки че е леко деформирана от силата на гравитацията, която действа върху нея.
За да се разбере механизмът зад образуването на сферична капка, може също да се разгледа повърхностното напрежение по отношение на енергията, както в дефиницията на това явление по-горе. Частиците се привличат от други частици с противоположни заряди, така че можем да кажем, че тези частици имат потенциална енергия, която зависи от това как тези молекули взаимодействат с околните молекули. Молекулите на повърхността на течността не са заобиколени от други молекули от страната на повърхността, така че тяхната потенциална енергия е по-висока. Такава система има тенденция да намалява потенциалната енергия, според принцип на минимална потенциална енергия. Това означава, че молекулите с по-висока потенциална енергия са склонни да я намалят, например чрез промяна на формата си. В нашия случай това се постига чрез промяна на формата, която приема водата.
При постоянно повърхностно напрежение потенциалната енергия може да бъде намалена чрез намаляване на площта. Важно е да запомните, че говорим за пространството между молекулите. След като разгледахме формулите за изчисляване на площта на различни геометрични фигури, отбелязваме, че топката е най-подходяща за намаляване на площта между молекулите, тоест тази площ за молекули на външната повърхност на топката е минимална в сравнение с други геометрични форми. Тази връзка може да бъде доказана с помощта на Уравнение на Ойлер-Лагранж.
Промяна на повърхностното напрежение с промяна на температурата и химичния състав на веществото
Трябва да се отбележи, че с повишаване на температурата повърхностното напрежение намалява. Това е така, защото с повишаване на температурата молекулите стават по-активни и интензивността на техните вибрации се увеличава. В резултат на това разстоянието между молекулите се увеличава и връзките между молекулите отслабват. Някои вещества, добавени към водата, като сапун, също намаляват повърхностното напрежение и това позволява на водата да се прилепва по-добре към други повърхности.
Намаленото повърхностно напрежение позволява на водата да проникне в порите и труднодостъпните дупки, като например между тъканните влакна. Това е възможно поради факта, че водните молекули лесно се отделят една от друга при ниско повърхностно напрежение. Ето защо тъкани, съдове и други предмети и повърхности най-често се перат с гореща вода. Детергентите имат същия ефект за намаляване на повърхностното напрежение като нагряването, така че често се използват и за почистване на повърхности, често в комбинация с гореща вода.
Повърхностно напрежение в капилярите
По-горе разгледахме образуването на менискус поради адхезия, но това не е единственият пример за това как се държат течностите в тесни тръби и капиляри. Течностите се издигат нагоре по капиляра или тръбата поради адхезия, но за да може течността да се издигне през тръбата като цяло, без да се разпада, е необходима и кохезия в допълнение към адхезията. Колкото по-тесен е капилярът, толкова по-високо може да се издигне течността, тъй като в по-широка тръба може да няма достатъчно повърхностно напрежение, за да повдигне голямо количество вода нагоре.
Примери за това явление в капилярите са хартиени кърпи, които абсорбират разлята течност, спортни дрехиизработени от плат, който абсорбира потта, и корени, които абсорбират вода от земята и я пренасят по ствола, към клони и листа. Струва си да се отбележи, че такова движение на течността може да бъде причинено не само от повърхностно напрежение, но и от осмоза. Интересен феномен в хиндуистките храмове, известни като млечно чудосъщо се обяснява с работата на капилярите. Млечното чудо беше следното. Посетители на един от индуистките храмове в Индия забелязаха, че статуите на боговете на територията на храма „пият“ мляко, което вярващите оставят на чинии пред тях. Този феномен е наблюдаван в някои други храмове в Индия, както и извън страната. Учените обясняват това явление с работата на капилярите: камъкът, от който са издълбани статуите, е порест и млякото се издига през капилярите вътре в статуите.
Както може да се види от тези примери, без повърхностно напрежение не би имало явление на движение на течност през капилярите. Течността може да полепне по стените на съда, ако сцеплението между течността и материала на съда е високо, но без повърхностно напрежение не може да пълзи нагоре, тъй като не може да се движи като цяло.
Предмети, плаващи по повърхността на течност
Предмети, които не се намокрят в течност и имат плътност, по-голяма от плътността на водата, могат да плуват по повърхността на водата поради баланса между силите, които създават повърхностно напрежение, и силите, които дърпат тялото надолу, като тялото тегло. Тук говорим само за тела, изработени от водоустойчиви материали. Ако водата проникне в материала или полепне по черупката, тогава картината става много по-сложна. Това свойство на тялото да остава на повърхността се демонстрира лесно с примера на кламер или игла, плаващи на повърхността на водата. Внимателно спуснете кламера във водата, опитвайки се да не прилагате сила, голяма сила на повърхностно напрежение. За да намалите количеството вода, което полепва по повърхността на кламера и го кара да потъне във водата, покрийте кламера с масло. Ако поставим кламера върху водата достатъчно внимателно, той ще остане на повърхността на водата.
Формата на капчици, които полепват върху твърда повърхност
В примерите, описани по-рано, видяхме, че водните капки са склонни да станат сферични, за да намалят потенциалната енергия в системата. Понякога е невъзможно да се постигне формата на топка, така че капките придобиват форма, която е най-близка до нея. Ако капка вода падне върху твърда повърхност и се залепи за нея, тогава долната част на капката, която е в контакт с тази повърхност, ще приеме формата на тази повърхност, например ще стане плоска. Това е така, защото силата на привличане дърпа капката към повърхността. Повърхността на капката, която е в контакт само с въздуха, напротив, ще бъде близка до формата на топка. В резултат на това капките върху плоски повърхности, например върху лист или върху стъкло, придобиват формата на полусфера.
Когато капките паднат върху твърда повърхност, те приемат форма, която позволява намаляване на площта, и остават в тази форма, докато балансът между силите е толкова нарушен, че повърхностното напрежение вече не може да задържи капката върху повърхността в тази форма. Например, капки роса остават върху тъканта на палатката, докато не влязат в контакт с друга повърхност. Когато капките се образуват отвън, ако докоснете тъканта на палатката отвътре и махнете ръката си, повърхностното напрежение ще се наруши толкова много, че капките ще проникнат в тъканта на палатката и водата ще остане върху пръстите ви .
Интересен феномен може да се види, когато алкохолна напитка, като вино, се налее в чаша, особено когато е вино с високо съдържание на алкохол. По стените на тази чаша, известна като "сълзи от вино".
Това явление се причинява от редица фактори, включително разликата в повърхностното напрежение между етанол и вода. Както споменахме по-горе, повърхностното напрежение на водата е високо в сравнение с други течности. То е многократно по-голямо от повърхностното напрежение на етиловия алкохол. В смеси от вода и алкохол, както например във виното, водните молекули се привличат една към друга повече, отколкото към алкохолните молекули. Поради това водата "бяга" от алкохолните молекули нагоре по стените на чашата. С други думи, водата се движи от молекулите на етанола към водните молекули.
Разбира се, във виното в чаша има етанол, но той не е на повърхността на чашата над нивото на виното, така че водата се движи точно нагоре по стените на чашата. В същото време по стените над нивото на виното се образуват капки, подобни на сълзи. Оттук и името на това явление.
Колкото повече вода се събира в една капка и колкото по-високо се издига, толкова по-трудно се задържа върху стъклото само поради повърхностното напрежение. В крайна сметка капката се връща обратно в чашата. Колкото по-високо е алкохолното съдържание на виното, толкова по-изразен е този ефект.
Повърхностно напрежение в медицинската диагностика
Лекарите използват информация за повърхностното напрежение на дадено вещество, за да определят съдържанието му в смес. Например, някои форми на жълтеница се характеризират с високо съдържание на жлъчни соли в урината. Наличието на тези соли понижава повърхностното напрежение на урината и следователно тяхното съдържание може да се определи, като се провери дали дадено вещество плава или потъва в урината, в нашия случай сяра на прах. Той не потъва в урината на здрав пациент, но ако в него има примес на жлъчни соли, тогава повърхностното напрежение не е достатъчно и серният прах потъва. Този тест се нарича Тестът на Хей.
В природата
Измерване на повърхностно напрежение
Има няколко начина за намиране на повърхностно напрежение с помощта на различни измервателни уреди. По-долу разглеждаме няколко добре познати системи за измерване.
В устройствата от първия тип се измерва силата, приложена към измервателното устройство в резултат на повърхностно напрежение. Когато се измерва по метода на откъсване на пръстена на Дю Нуии метод на Дю Нуи-Падейоценява се силата, необходима за повдигане на пръстена или иглата съответно от повърхността на течността. Според третия закон на Нютон силата, упражнена върху пръстен или игла поради повърхностно напрежение, когато го повдигнем от повърхността на течност, е равна по големина на силата, която е необходима, за да се повдигнат тези предмети от повърхността на водата. Тоест, чрез измерване на силата, която е необходима за повдигане на тези обекти, ние също получаваме количеството сила, която им пречи да се повдигнат.
Метод на Вилхелмиизмерва силата, която действа върху метална плоча, потопена в течност, чието повърхностно напрежение се измерва. Течността се придържа към плоча, пръстен или игла (както при предишните методи за измерване), а повърхностното напрежение държи молекулите на течността, прилепнали към повърхността, както и останалите молекули, заедно като цяло. Тоест течността "не пуска" пластинката, пръстена или иглата. Известен е материалът, от който е направена плочата, както и колко силно се залепва водата за този материал и това се взема предвид при изчисляване на силата.
Повърхностното напрежение може да се намери и с помощта на теглото на водните капки, които падат от вертикална тръба или капиляр. Този метод се нарича сталагмометричен, а уредът, който измерва повърхностното напрежение е сталагмометър. Повърхностното напрежение на течност може лесно да се изчисли от теглото на капка, тъй като теглото и повърхностното напрежение са свързани. Ако диаметърът на тръбата е известен, тогава теглото на една капка може да се определи от броя на капките в определено количество течност.
Метод за определяне по формата на висяща капкаподобен на предишния по това, че също използва капка за определяне на силата на повърхностното напрежение. В този случай се измерва колко може да се удължи капката, преди да се отдели от останалата течност и да падне надолу.
Има и измервателни устройства, които въртят течност и газ (за системи течност-газ), докато системата достигне равновесие и формата на веществото стане постоянна. В този случай повърхностното напрежение се определя от формата на вещество с по-ниска плътност. Този метод за измерване на повърхностното напрежение се нарича метод на въртяща се капка.
Трудно ли ви е да превеждате мерни единици от един език на друг? Колегите са готови да ви помогнат. Публикувайте въпрос в TCTermsи след няколко минути ще получите отговор.
В този урок ще говорим за течности 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 твърди телане 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.
Първо, нека обсъдим специалните свойства, които молекулите на близкия до повърхността слой на течността имат в сравнение с молекулите в обема.
Ориз. 1. Разликата между молекулите на приповърхностния слой и молекулите в обема на течността
Да разгледаме две молекули A и B. Молекула A е вътре в течността, молекула B е на нейната повърхност (фиг. 1). Молекула А е заобиколена от други течни молекули равномерно, така че силите, действащи върху молекула А от молекули, попадащи в сферата на междумолекулно взаимодействие, се компенсират или техният резултат е нула.
Какво се случва с молекулата B, която се намира на повърхността на течността? Спомнете си, че концентрацията на газовите молекули, която е 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, резултатната от всички междумолекулни сили ще бъде насочена вътре в течността.
По този начин, за да може една молекула да стигне от дълбочината на течността до повърхностния слой, е необходимо да извърши работа срещу некомпенсирани междумолекулни сили.
Спомнете си, че работата е промяната в потенциалната енергия, взета със знак минус.
Това означава, че молекулите на приповърхностния 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 и се измерва, както всяка друга енергия, в джаули.
Очевидно е, че колкото по-голяма е повърхността на течността, толкова повече такива молекули имат излишна потенциална енергия и следователно по-голяма е повърхностната енергия. Този факт може да се запише като следната връзка:
,
където е площта на повърхността и е факторът на пропорционалност, който ще наричаме повърхностно напрежение, този коефициент характеризира една или друга течност. Нека напишем строга дефиниция на това количество.
Повърхностното напрежение на течност (коефициент на повърхностно напрежение на течност) е физична величина, която характеризира дадена течност и е равна на съотношението на повърхностната енергия към повърхностната площ 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 взаимодействието на молекулите, което означава, че факторите, които променят тази енергия, също ще променят коефициента на повърхностно напрежение на течността.
И така, коефициентът на повърхностно напрежение зависи от:
1. Естеството на течността (за "летливи" течности, като етер, алкохол и бензин, повърхностното напрежение е по-малко от това на "нелетливите" - вода, живак и течни метали).
2. Температура (колкото по-висока е температурата, толкова по-ниско е повърхностното напрежение).
3. Повърхностно присъствие активни вещества, намаляващи повърхностното напрежение (повърхностно активно вещество), като сапун или прах за пране.
4. Свойства на газ, съседен на 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 от същите 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 въздуха, при
Така че молекулите на близкия до повърхността слой имат излишък от потенциална енергия в сравнение с молекулите в обема на течността. В хода на механиката 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-комфортно в легнало положение, тъй като в този случай центърът на масата на тялото ви е разположен възможно най-ниско. До какво води желанието да се намали нейната потенциална енергия в случай на течност? Тъй като повърхностната енергия зависи от площта на повърхността, това означава, че е енергийно неизгодно всяка течност да има голяма повърхност. С други думи, в свободно състояние течността ще се стреми да минимизира своята повърхност.
Това е лесно да се провери, като експериментирате със сапунен филм. Ако телена рамка се потопи в сапунен разтвор, тогава върху нея се образува сапунен филм, който придобива 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 към теления пръстен се завърже конец на две места и по такъв начин, че дължината на конеца да е малко по-голяма от дължината на хордата, свързваща точките на закрепване на конеца, и теленият пръстен се потопи в сапун разтвор (фиг. 3а), сапуненият филм ще стегне цялата повърхност на пръстена и нишката ще лежи върху сапунения филм. Ако сега филмът е счупен от едната страна на конеца, сапуненият филм, останал от другата страна на конеца, ще се свие и ще разтегне 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 нишката се издърпва нагоре.
И така, ние сме убедени в съществуването на силата на повърхностното напрежение. Сега нека се научим как да го изчисляваме. За да направим това, нека направим мисловен експеримент. Нека спуснем телена рамка, едната страна на която е подвижна, в сапунения разтвор (фиг. 4). Ще разтегнем сапуненото фолио, действайки върху подвижната страна на рамката със сила. По този начин има три сили, действащи върху напречната греда - външна сила и две сили на повърхностно напрежение, действащи по дължината на всяка повърхност на филма. Използвайки втория закон на Нютон, можем да напишем това
Ориз. 4. Изчисляване на силата на повърхностното напрежение
Ако под действието на външна сила напречната греда се премести на разстояние, тогава тази външна сила ще извърши работа
Естествено, поради изпълнението на 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 имаме предвид това, можем да запишем, че работата на 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, която ограничава повърхността
И така, ние отново видяхме, че течността се стреми да приеме такава форма, че нейната повърхност да е минимална. Може да се покаже, че за даден обем площта на повърхността ще бъде минимална за една сфера. По този начин, ако върху течността не действат други сили или тяхното действие е малко, течността ще има тенденция да придобие сферична форма. Така например водата ще се държи 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). Иглата, която е внимателно поставена върху повърхността, 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. Резултантната сила на повърхностното напрежение ще бъде насочена нагоре и ще компенсира силата на гравитацията.
Ориз. 7. Игла на повърхността на водата
Принципът на действие на пипетата може да се обясни по същия начин. Капката, върху която действа силата на гравитацията, се изтегля 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 не позволяват на капката да се разтегне (фиг. 8). Когато натиснете надолу гумената капачка на пипетата, вие създавате допълнителен натиск, който помага на гравитацията, карайки капката да падне надолу.
Ориз. 8. Как работи пипетата
Да вземем друг пример от ежедневието. Ако потопите четка за рисуване в чаша вода, косъмчетата й ще се разрошат. 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 пясъка, той ще запази формата си поради повърхностното напрежение на водата между песъчинките.
И накрая, отбелязваме, че теорията на повърхностното напрежение помага да се намерят красиви и прости аналогии при решаването на по-сложни физически проблеми. Например, когато трябва да изградите лека и в същото време здрава конструкция, физиката на това, което се случва в сапунените мехури, идва на помощ. И беше възможно да се изгради първият адекватен модел на атомното ядро, като се оприличи това атомно ядро на капка заредена течност.
Библиография
- Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцки. "Физика 10". - М.: Образование, 2008.
- Я. Е. Гегузин "Мехурчета", Библиотека Квант. - М.: Наука, 1985.
- Б. М. Яворски, А. А. Пински "Основи на физиката" том 1.
- Г. С. Ландсберг "Начален учебник по физика" том 1.
- Nkj.ru ().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
Домашна работа
- След като решите задачите за този урок, ще можете да се подготвите за въпроси 7,8,9 от GIA и въпроси A8, A9, A10 от Единния държавен изпит.
- Гелфгат И.М., Ненашев И.Ю. "Физика. Колекция от задачи 10 клас "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
- 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 повишаването на температурата молекулите на течността започват да се движат по-бързо и следователно молекулите по-лесно преодоляват потенциалните сили на привличане. Това води до намаляване на силите на повърхностното напрежение, които са потенциални сили, които свързват молекулите на близкия до повърхността слой на течността.
Въпрос:Зависи ли коефициентът на повърхностно напрежение от плътността на течността?
Отговор:Да, така е, защото енергията на молекулите на приповърхностния слой на течността зависи от плътността на течността.
Въпрос:Какви са начините за определяне на коефициента на повърхностно напрежение на течност?
Отговор: AT училищен курспроучете два начина за определяне на коефициента на повърхностно напрежение на течност. Първият е методът за разкъсване 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, балонът става по-дебел отдолу, отколкото отгоре, и след това под въздействието на изпарението се срутва в даден момент. Това води до това, че целият балон е като балон, се срутва под действието на некомпенсирани сили на повърхностно напрежение.
