Το κείμενο της εργασίας τοποθετείται χωρίς εικόνες και τύπους.
Πλήρη έκδοσηη εργασία είναι διαθέσιμη στην καρτέλα "Αρχεία εργασίας" σε μορφή PDF
Εισαγωγή
Συνάφεια του θέματος: Η γνώση των φυσικών επιστημών είναι απαραίτητη για τους ανθρώπους όχι μόνο για να εξηγήσουν τα φαινόμενα της φύσης, αλλά και για χρήση σε πρακτικές δραστηριότητες. Δείχνοντας ενδιαφέρον για τη φυσική, μπορεί να μην γίνω θεωρητικός φυσικός, αλλά θα είμαι μηχανικός, τεχνικός. Η επιτυχία της δραστηριότητάς μου θα διασφαλιστεί όχι μόνο από την ικανότητα σκέψης, αλλά και από την ικανότητα να κάνω, και το θέμα που επέλεξα δεν είναι μόνο σχετικό για μελέτη, αλλά παρέχει μια ευκαιρία για μια τέτοια επιτυχημένη δραστηριότητα. Στον κόσμο γύρω μας, μαζί με τη βαρύτητα και την τριβή, υπάρχει μια άλλη δύναμη που δεν δίνουμε ιδιαίτερη σημασία. Αυτή η δύναμη είναι σχετικά μικρή και δεν προκαλεί ποτέ εντυπωσιακά αποτελέσματα. Ωστόσο, δεν μπορούμε να ρίξουμε νερό σε ένα ποτήρι, δεν μπορούμε να κάνουμε τίποτα με κανένα απολύτως υγρό, χωρίς να θέσουμε σε κίνηση αυτή τη δύναμη - τη δύναμη της επιφανειακής τάσης. Παίζει σημαντικό ρόλο στη φύση και την τεχνολογία, στη φυσιολογία του οργανισμού μας και στη ζωή των εντόμων.
Τομέας Σπουδών -Μοριακή φυσική
Αντικείμενο μελέτηςυγρό (νερό, διάλυμα σαπουνιού, γάλα, φυτικό έλαιο.)
Στόχος:η μελέτη επιφανειακών φαινομένων σε υγρά και η μελέτη βασικών μεθόδων για τον προσδιορισμό του συντελεστή επιφανειακής τάσης στη διεπιφάνεια «υγρού – αέρα».
Καθήκοντα αυτής της εργασίας:
Η μελέτη των θεμελιωδών στοιχείων της μοριακής φυσικής που σχετίζονται με τα επιφανειακά φαινόμενα στα υγρά.
Η μελέτη της χρήσης της επιφανειακής τάσης, ο ρόλος της στην πραγματικότητα γύρω μας.
Προσδιορίστε πειραματικά τον συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού με διαχωρισμό σταγονιδίων και τάση συρμάτινου πλαισίου.
Συγκρίνετε τα ληφθέντα δεδομένα με τιμές πίνακα.
Μέθοδοι έρευνας: θεωρητικήσυλλογή πληροφοριών, ανάλυση, σύνθεση,
γενίκευση; πειραματικός- δήλωση ερώτησης. Σχεδιασμός μελέτης? συλλογή δεδομένων; ανάλυση των αποτελεσμάτων· συμπεράσματα για το πείραμα· δημοσίευση αποτελεσμάτων.
Στο θεωρητικό μέροςΗ εργασία πραγματεύεται τις βασικές θεωρητικές πληροφορίες από το πεδίο της μοριακής φυσικής του επιφανειακού στρώματος ενός υγρού.
Στο πειραματικό μέροςδίνονται αποτελέσματα ερευνητικό έργο. Οι συντελεστές επιφανειακής τάσης υγρών (νερό, γάλα, φυτικό λάδι, διάλυμα σαπουνιού), και ανακάλυψα πώς η επιφανειακή τάση ενός υγρού εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τον τύπο του υγρού.
2.Θεωρητικό μέρος 2.1. Ενδιαφέροντα γεγονότασχετικά με το σχήμα του υγρού.
Τείνουμε να πιστεύουμε ότι τα υγρά δεν έχουν δικό τους σχήμα. Αυτό δεν είναι αληθινό. Το φυσικό σχήμα οποιουδήποτε υγρού είναι μια σφαίρα. Συνήθως, η βαρύτητα εμποδίζει το υγρό να πάρει αυτό το σχήμα και το υγρό είτε απλώνεται σε ένα λεπτό στρώμα εάν χυθεί χωρίς δοχείο, είτε παίρνει τη μορφή δοχείου εάν χυθεί σε αυτό.
Το υγρό (ελλείψει βαρύτητας ή στην περίπτωση που εξισορροπείται από τη δύναμη του Αρχιμήδη) παίρνει σφαιρικό σχήμα, έχοντας ελάχιστη επιφάνεια με τον ίδιο όγκο (βλ. παράρτημα εικ. 1). Όντας μέσα σε ένα άλλο υγρό του ίδιου ειδικού βάρους, το υγρό, σύμφωνα με το νόμο του Αρχιμήδη, «χάνει» το βάρος του: φαίνεται να μην ζυγίζει τίποτα, η βαρύτητα δεν ενεργεί πάνω του - και τότε το υγρό παίρνει το φυσικό, σφαιρικό του σχήμα . ..
Είναι γνωστό ότι το λάδι της Προβηγκίας επιπλέει στο νερό, αλλά βυθίζεται στο αλκοόλ. Επομένως, είναι δυνατό να παρασκευαστεί ένα τέτοιο μείγμα νερού και αλκοόλ στο οποίο το λάδι δεν βυθίζεται και δεν επιπλέει. Έχοντας λίγο λάδι σε αυτό το μείγμα με μια σύριγγα, μπορείτε να κάνετε ένα περίεργο πράγμα : Το λάδι συλλέγεται σε μια μεγάλη στρογγυλή σταγόνα, η οποία δεν επιπλέει ούτε βυθίζεται, αλλά κρέμεται ακίνητη (βλ. παράρτημα εικ. 2).
2.2. Επιφανειακή τάση ενός υγρού.
Τα μόρια μιας ουσίας σε υγρή κατάσταση βρίσκονται σχεδόν κοντά το ένα στο άλλο. Σε αντίθεση με τα στερεά κρυσταλλικά σώματα, στα οποία τα μόρια σχηματίζουν διατεταγμένες δομές σε όλο τον όγκο του κρυστάλλου και μπορούν να εκτελούν θερμικές δονήσεις γύρω από σταθερά κέντρα, τα υγρά μόρια έχουν μεγαλύτερη ελευθερία. Κάθε μόριο ενός υγρού, όπως και σε ένα στερεό σώμα, «σφίγγει» από όλες τις πλευρές από γειτονικά μόρια και εκτελεί θερμικές δονήσεις γύρω από μια ορισμένη θέση ισορροπίας. Ωστόσο, από καιρό σε καιρό οποιοδήποτε μόριο μπορεί να μετακινηθεί σε μια κοντινή κενή θέση. Τέτοια άλματα σε υγρά συμβαίνουν αρκετά συχνά. Ως εκ τούτου, τα μόρια δεν συνδέονται με ορισμένα κέντρα, όπως στους κρυστάλλους, και μπορούν να κινηθούν σε όλο τον όγκο του υγρού. Αυτό εξηγεί τη ρευστότητα των υγρών. Λόγω της ισχυρής αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων σε κοντινή απόσταση, μπορούν να σχηματίσουν τοπικές (ασταθές) διατεταγμένες ομάδες που περιέχουν πολλά μόρια. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σειρά μικρής εμβέλειας (βλ. εφαρμογή. εικ. 3).
Το υγρό, σε αντίθεση με τα αέρια, δεν γεμίζει ολόκληρο τον όγκο του δοχείου στο οποίο χύνεται. Μεταξύ του υγρού και του αερίου (ή ατμού) σχηματίζεται μια διεπαφή, η οποία βρίσκεται σε ειδικές συνθήκες σε σύγκριση με την υπόλοιπη μάζα του υγρού. Τα μόρια στο οριακό στρώμα ενός υγρού, σε αντίθεση με τα μόρια στο βάθος του, δεν περιβάλλονται από άλλα μόρια του ίδιου υγρού από όλες τις πλευρές. Οι δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης που δρουν σε ένα από τα μόρια μέσα στο υγρό από τα γειτονικά μόρια αντισταθμίζονται αμοιβαία κατά μέσο όρο και μέσα στο υγρό η προκύπτουσα δύναμη έλξης που επενεργεί στα μόρια από τα γειτονικά μόρια είναι ίση με μηδέν (βλ. 4). Τα μόρια του επιφανειακού στρώματος του υγρού έλκονται μόνο από τα μόρια των εσωτερικών στρωμάτων και υπό τη δράση της ελκτικής δύναμης που προκύπτει έλκονται στο υγρό. Ο αριθμός των μορίων παραμένει στην επιφάνεια, στην οποία η επιφάνεια του υγρού είναι ελάχιστη για έναν δεδομένο όγκο.
|
Ένα εξωτ. =σS, |
Ο συντελεστής αναλογικότητας σ ονομάζεται συντελεστής επιφανειακής τάσης ή απλά επιφανειακή τάση (σ> 0) και είναι το κύριο χαρακτηριστικό που εξαρτάται από τη φύση των μέσων και τη θερμική τους κατάσταση. Το Α είναι έργο και χρησιμεύει ως μέτρο της αλλαγής της ενέργειας. Αυτή η ενέργεια πρέπει να είναι δυναμική, καθώς σχετίζεται με τη διάταξη των μορίων στο επιφανειακό στρώμα σε σταθερή θερμοκρασία και κοινή περιουσίατέτοιων συστημάτων είναι μια αυθόρμητη αλλαγή στην κατάσταση του συστήματος προς την κατεύθυνση της μείωσης του αποθέματος δυνητικής ενέργειας προκειμένου να φέρει το σύστημα σε κατάσταση με τη χαμηλότερη δυναμική ενέργεια. [7].
Η κατεύθυνση των διεργασιών για τη μείωση της δυναμικής ενέργειας του υγρού καθορίζει την ιδιότητα της αυθόρμητης μείωσης της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού σε μια πιθανή ελάχιστη τιμή. Η επιθυμία των υγρών να συστέλλουν την επιφάνειά τους, να την κάνουν ελάχιστη, μπορεί να θεωρηθεί ως μια ορισμένη δύναμη που ενεργεί κατά μήκος της επιφάνειας. Η παρουσία δυνάμεων επιφανειακής τάσης κάνει την επιφάνεια του υγρού να μοιάζει με ελαστική τεντωμένη μεμβράνη, με τη μόνη διαφορά ότι οι ελαστικές δυνάμεις στο φιλμ εξαρτώνται από την επιφάνειά της (δηλαδή από το πώς παραμορφώνεται η μεμβράνη) και οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης εξαρτώνται δεν εξαρτώνται από τα υγρά της επιφάνειας. Ορισμένα υγρά, όπως το σαπουνόνερο, έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν λεπτές μεμβράνες. Οι γνωστές σαπουνόφουσκες έχουν κανονικό σφαιρικό σχήμα (βλ. φωτογραφία Νο. 5) - αυτό επίσης εκδηλώνει τη δράση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης. Εάν ένα συρμάτινο πλαίσιο χαμηλώσει στο διάλυμα σαπουνιού, του οποίου η μία πλευρά είναι κινητή, τότε ολόκληρο θα καλυφθεί με μια μεμβράνη υγρού (βλ. παράρτημα εικ. 5). Ως αποτέλεσμα, η επιφανειακή τάση μπορεί ορίζουν ως τη δύναμη που συσφίγγει την επιφάνεια και σχετίζεται με το μοναδιαίο μήκος.
, είναι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης. Στο σύστημα μονάδων μέτρησης - SI, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης μετράται σε τζάουλ ανά τετραγωνικό μέτρο (J / m 2) ή σε newtons ανά μέτρο (1N / m \u003d J / m 2). Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης είναι η πιο σημαντική ποσότητα που χαρακτηρίζει τις φυσικές και χημικές ιδιότητες ενός υγρού, χρησιμοποιείται σε τεχνολογικές διεργασίες και λαμβάνεται υπόψη στην εξήγηση πολλών φαινομένων: διαβροχή, βρασμός, επίπλευση, σπηλαίωση. F - η δύναμη επιφανειακής τάσης κατευθύνεται εφαπτομενικά στην επιφάνεια του υγρού, κάθετα στο τμήμα του περιγράμματος στο οποίο δρα και είναι ανάλογη με το μήκος αυτού του τμήματος.
Τα ακόλουθα απλά πειράματα διευκρινίζουν περαιτέρω την ουσία των δυνάμεων επιφανειακής τάσης. Ένας δακτύλιος από σύρμα με ένα ελεύθερα αναρτημένο (όχι τεντωμένο) νήμα προσαρτημένο σε δύο σημεία (βλ. παράρτημα εικ. 6) βυθίζεται σε διάλυμα σαπουνιού. Σε αυτή την περίπτωση, ο δακτύλιος σφίγγεται από μια λεπτή μεμβράνη υγρού και το νήμα βρίσκεται σε ισορροπία, παίρνοντας ένα τυχαίο σχήμα. Εάν τώρα το φιλμ καταστραφεί στη μία πλευρά του νήματος αγγίζοντας το φιλμ με μια θερμαινόμενη βελόνα, τότε το νήμα θα τεντωθεί παίρνοντας τη μορφή τόξου κύκλου. Η τάση στο νήμα οφειλόταν στη δύναμη της επιφανειακής τάσης από τη συρρικνούμενη μεμβράνη, τη δύναμη που ασκήθηκε στο νήμα, που στην περίπτωση αυτή είναι η διαχωριστική γραμμή. Αυτή η δύναμη, φυσικά, είναι κάθετη στο νήμα σε όλα τα σημεία. Αυτή η δύναμη επέδρασε στο νήμα και. μέχρι την καταστροφή της ταινίας, αλλά ταυτόχρονα, οι ίδιες δυνάμεις έδρασαν πάνω της και από τις δύο πλευρές. Μετά την ανακάλυψη ενός μέρους της ταινίας, το άλλο είχε την ευκαιρία να μειώσει την έκτασή του και, όπως δείχνει το σχήμα στο τεντωμένο νήμα, αυτή η περιοχή έγινε ελάχιστη.
2.3. Το φαινόμενο της διαβροχής και της μη διαβροχής
Η συμπεριφορά ενός υγρού στο όριο με ένα στερεό σχετίζεται στενά με τα επιφανειακά φαινόμενα. Στο όριο επαφής με ένα στερεό σώμα, η επιφάνεια του υγρού μπορεί να ανυψωθεί πάνω από την οριζόντια επιφάνεια του υγρού ή να πέσει κάτω από την οριζόντια επιφάνεια. . Ένα υγρό που απλώνεται στην επιφάνεια ενός στερεού ονομάζεται ύγρανσηκαι το υγρό, το οποίο συστέλλεται σε σταγόνα, - μη διαβρέχοντας(Βλέπε παράρτημα εικ. 7) Η διαφορά στις γωνίες επαφής στα φαινόμενα διαβροχής και μη διαβροχής εξηγείται από την αντιστοιχία μεταξύ των δυνάμεων έλξης μεταξύ των μορίων ενός στερεού και των υγρών και των δυνάμεων διαμοριακής έλξης στα υγρά. Εάν οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων ενός στερεού και ενός υγρού> F έλξη μεταξύ των μορίων υγρού, το υγρό θα διαβρέχεται. Εάν η μοριακή έλξη του υγρού (μέσα) > F της έλξης μεταξύ των μορίων του στερεού και του υγρού, τότε το υγρό θα είναι μη διαβρεκτικό.
2.4. Τριχοειδή φαινόμενα
"Сapillaris" - μαλλιά (μετάφραση από τα λατινικά) - στενοί κυλινδρικοί σωλήνες με διάμετρο περίπου ενός χιλιοστού ή λιγότερο ονομάζονται τριχοειδή. Δηλαδή, τα τριχοειδή φαινόμενα είναι φαινόμενα σε λεπτούς σωλήνες (τριχοειδή). Στη ζωή, συχνά έχουμε να κάνουμε με σώματα που τρυπούνται από πολλά μικρά κανάλια (χαρτί, νήματα, δέρμα, διάφορα ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ, χώμα, δέντρο). Όταν έρχονται σε επαφή με νερό ή άλλα υγρά, τέτοια σώματα πολύ συχνά τα απορροφούν. Αυτή είναι η βάση της δράσης μιας πετσέτας κατά το σκούπισμα των χεριών, η δράση ενός φυτιλιού σε μια λάμπα κηροζίνης.
Πολύ συχνά, το υγρό, που απορροφάται στο πορώδες σώμα, ανεβαίνει. Τριχοειδής - το φαινόμενο της ανόδου ή της πτώσης του υγρού στα τριχοειδή αγγεία [ 13] Στην περίπτωση υγρού διαβροχής (Α) (βλ. παράρτημα εικ. 8), οι δυνάμεις έλξης Fl-t μεταξύ των μορίων του υγρού και του στερεού (τριχοειδή τοιχώματα) υπερβαίνουν τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης Fl μεταξύ των μορίων του υγρού, επομένως το υγρό έλκεται στο τριχοειδή και το υγρό ανεβαίνει στο τριχοειδές μέχρις ότου η προκύπτουσα δύναμη Fv, που επενεργεί στο υγρό προς τα πάνω, εξισορροπηθεί από τη βαρύτητα mg της στήλης υγρού με ύψος h: (βλ. παράρτημα Εικ. 8 - Β) Fv = mg. Ένα υγρό που δεν βρέχει τα τοιχώματα των τριχοειδών αγγείων (Β) κατεβαίνει σε αυτό σε απόσταση h (βλ. παράρτημα εικ. 8). Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, η δύναμη Fv που ασκεί το υγρό είναι ίση με τη δύναμη επιφανειακής τάσης Fs που ενεργεί στον τοίχο κατά μήκος της γραμμής επαφής με το υγρό: Fv = Fs [ 8]
3. Πρακτική εργασία
3.1 Μέθοδοι προσδιορισμού επιφανειακής τάσης. Στη μελέτη επιφανειακών φαινομένων στη διεπιφάνεια αερίου-υγρού, η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος βασίζεται στη μέτρηση της επιφανειακής τάσης αυτής της διεπαφής, η οποία, παρά την απλότητά της, επιτρέπει τη λήψη επαρκώς αξιόπιστων δεδομένων. [ 15] . Οι υπάρχουσες μέθοδοι για τον προσδιορισμό της επιφανειακής τάσης χωρίζονται σε τρεις ομάδες: στατικές, ημιστατικές και δυναμικές.
στατικές μέθοδοιπροσδιορίζεται η επιφανειακή τάση των πρακτικά ακίνητων επιφανειών που σχηματίστηκε πολύ πριν από την έναρξη των μετρήσεων και επομένως σε ισορροπία με τον όγκο του υγρού. Αυτές οι μέθοδοι περιλαμβάνουν τη μέθοδο τριχοειδούς ανύψωσης και τη μέθοδο άμισθης ή κρεμαστής σταγόνας (φυσαλίδας).
Δυναμικές Μέθοδοιβασίζονται στο γεγονός ότι ορισμένοι τύποι μηχανικών επιδράσεων σε ένα υγρό συνοδεύονται από περιοδική τάνυση και συμπίεση της επιφάνειάς του, τα οποία επηρεάζονται από την επιφανειακή τάση. Αυτές οι μέθοδοι καθορίζουν την τιμή μη ισορροπίας . Οι δυναμικές μέθοδοι περιλαμβάνουν μεθόδους τριχοειδών κυμάτων και ταλαντευόμενου πίδακα.
ημιστατικήονομάζονται μέθοδοι προσδιορισμού της επιφανειακής τάσης του ορίου φάσης που προκύπτει και ενημερώνεται περιοδικά στη διαδικασία μέτρησης (μέθοδος μέγιστης πίεσης φυσαλίδων και σταλαγμομετρική μέθοδος), καθώς και μέθοδοι αποκοπής του δακτυλίου και απόσυρσης της πλάκας. Αυτές οι μέθοδοι καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό της τιμής ισορροπίας της επιφανειακής τάσης εάν οι μετρήσεις γίνονται υπό τέτοιες συνθήκες ώστε ο χρόνος κατά τον οποίο συμβαίνει ο σχηματισμός της διεπαφής να είναι πολύ μεγαλύτερος από τον χρόνο ισορροπίας στο σύστημα που πρόκειται να δημιουργηθεί.
Σε αυτή την εργασία, για τον προσδιορισμό του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού, χρησιμοποιώ μια ημι-στατική μέθοδο: τη μέθοδο διαχωρισμού σταγονιδίων(σταλαγμομετρικό ) και τη μέθοδο wireframe.(ανάσυρση πλάκας).
3.2 Μέθοδος διαχωρισμού σταγονιδίων . Παρατηρώντας την αποκόλληση μιας σταγόνας υγρού από έναν κατακόρυφο στενό σωλήνα, μπορεί κανείς να καθορίσει τον συντελεστή επιφανειακής τάσης του υγρού . Σκεφτείτε πώς μεγαλώνει μια σταγόνα υγρού (βλ. παράρτημα εικ. 9). Το μέγεθος της σταγόνας αυξάνεται σταδιακά, αλλά φεύγει μόνο όταν φτάσει σε ένα ορισμένο μέγεθος (βλ. παράρτημα εικ. 9, α). Ενώ η σταγόνα δεν είναι μεγάλη αρκετά, οι επιφανειακές δυνάμεις στις τάσεις είναι επαρκείς για να αντισταθούν στη βαρύτητα και να αποτρέψουν την ανύψωση. Πριν από το διαχωρισμό, σχηματίζεται ένα στένωση - ο λαιμός της σταγόνας (βλ. παράρτημα εικ. 9 β). Όσο η σταγόνα συγκρατείται στο άκρο του τριχοειδούς σωλήνα, οι ακόλουθες δυνάμεις θα δράσουν σε αυτό: (1) - βαρύτητα, κατευθυνόμενη κάθετα προς τα κάτω και τείνει να αποκόψει τη σταγόνα. δυνάμεις επιφανειακής τάσης που κατευθύνονται εφαπτομενικά στην επιφάνεια του υγρού και κάθετα στο περίγραμμα μεγάλοσταγόνες στο λαιμό. (βλ. παράρτημα εικ. 10). Αυτές οι δυνάμεις τείνουν να συγκρατούν την πτώση. Η δύναμη επιφανειακής τάσης που προκύπτει κατευθύνεται προς τα πάνω και είναι ίση με (2), όπου μεγάλο- το μήκος του περιγράμματος του λαιμού της σταγόνας. Όταν η δύναμη της βαρύτητας γίνει ίση με τη δύναμη της επιφανειακής τάσης, η σταγόνα θα αποκολληθεί: (3). Για μονάδες δύναμης: λαμβάνοντας υπόψη τα (2) και (3), γράφουμε: [ 11]
Δεδομένου ότι το μήκος του περιγράμματος του λαιμού της σταγόνας είναι ρεείναι η διάμετρος του λαιμού της σταγόνας. Επομένως, από πού (4), πού Μ-μάζα μιας σταγόνας . Ο τύπος (4) είναι ένας λειτουργικός τύπος υπολογισμού.
Η περιγραφόμενη μέθοδος πειραματικού προσδιορισμού του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού δίνει καλά αποτελέσματα, παρά το γεγονός ότι στην πραγματικότητα η σταγόνα δεν αποκολλάται ακριβώς όπως περιγράφεται παραπάνω.Στην πραγματικότητα, η σταγόνα δεν αποκολλάται κατά μήκος της περιφέρειας του λαιμού. Τη στιγμή που το μέγεθος της σταγόνας φτάσει στην τιμή που καθορίζεται από την εξίσωση (3), ο λαιμός αρχίζει να στενεύει γρήγορα (βλ. Εφαρμ. Εικ. 9 β) και συνοδεύεται από μια άλλη μικρή πτώση (βλ. Εφαρμ. Εικ. 9 γ) . Επιπλέον, στους υπολογισμούς, η διάμετρος του λαιμού πτώσης τη στιγμή της αποκόλλησης μπορεί να ληφθεί ίση με την εσωτερική διάμετρο του σωλήνα, καθώς ο σωλήνας είναι αρκετά στενός και η διάμετρός του είναι συγκρίσιμη με τη διάμετρο του λαιμού πτώσης. Για υπολογισμό σύμφωνα με τον τύπο (4), είναι απαραίτητο να παρακολουθείται η καθαρότητα του τριχοειδούς και του νερού κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Επιπλέον, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από τη θερμοκρασία του υπό μελέτη υγρού: με την αύξηση της θερμοκρασίας, μειώνεται. Σε θερμοκρασία δωματίου 20 С, η πινακική τιμή του συντελεστή για νερό τραπέζι = 72,510 3 N/m. [ 9][ 2] .
Εξοπλισμός:ένα δοχείο με νερό, ένα άδειο ποτήρι, ένα μικρόμετρο, μια ζυγαριά με ένα βάρος, ένας λεπτός γυάλινος σωλήνας (προχοΐδα).
Πρόοδος εργασιών: 1. Συναρμολογήστε την εγκατάσταση. Μετρήστε τη θερμοκρασία στο δωμάτιο και δ.
2. Προσδιορίστε τη μάζα ενός άδειου ποτηριού m 1 και στάξτε 30 σταγόνες καθαρού νερού. (βλ. συνημμένη φωτογραφία 1).
3. Προσδιορίστε - m 2 - τη μάζα ενός ποτηριού με σταγονίδια νερού. (βλ. συνημμένη φωτογραφία 2).
4. Βρείτε τη μάζα μιας σταγόνας νερού
6. Πραγματοποιήστε το πείραμα 3 φορές χρησιμοποιώντας 40 και 50 σταγόνες.
7. Να βρείτε δ βλ. = = [ 11]
│Δδ│ 1 =│δav.-δ 1 │ │Δδ│ 2 =│δav.-δ 2 │Δδ│ 3 =│δav.-δ 3
Δδ βλ. = και E = 100%
Εισαγάγετε τα δεδομένα στον πίνακα (βλ. παράρτημα πίνακα αρ. 1). 9. Συγκρίνετε την υπολογιζόμενη τιμή του συντελεστή επιφανειακής τάσης του νερού με τον πίνακα και προσδιορίστε τα απόλυτα και σχετικά σφάλματα χρησιμοποιώντας τους τύπους: και συμπέρασμα : σε ερευνητική εργασία, προσδιόρισα τον συντελεστή επιφανειακής τάσης του νερού σε θερμοκρασία 19 0 C με τη μέθοδο αποκόλλησης σταγόνων και έλαβα δ = (74,33 + 0,89) mN/m, Ε = 1,2%. Συγκρίνοντας με την τιμή του πίνακα, παίρνουμε απόλυτο λάθοςΔδ = 1,38 mN/m και σχετικό σφάλμα Ε = 1,9%.
Αναλύοντας τα αποτελέσματα που προέκυψαν, μπορεί κανείς να δει τη διαφορά στο σφάλμα μέτρησης (την τιμή της φυσικής ποσότητας που λήφθηκε πειραματικά και τόσο κοντά στην πραγματική τιμή). Το σφάλμα μέτρησης είναι χαρακτηριστικό της ακρίβειας μέτρησης και το έχουμε προσδιορίσει με διαφορετικούς τρόπους). Αυτό μπορεί να εξηγηθεί:
Ο αριθμός των σταγόνων ως αποτέλεσμα της μέτρησης είναι ένας ακριβής αριθμός και αν πάρουμε π = 3,14 και g = 9,81 m / s 2, τότε τα σχετικά σφάλματα αυτών των ποσοτήτων, καθώς και για τη μάζα σταγόνας, θα είναι πολύ μικρά σε σύγκριση με το σχετικό σφάλμα μέτρησης της διαμέτρου του καναλιού του σωλήνα).
Οι μετρήσεις ήταν έμμεσες (κατά τύπο).
Οι μελέτες πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία υγρού t = 19 0 C;
Σφάλμα οργάνου (μικρόμετρο, ζυγαριά).
πειραματική δράση.
3.3 Μέθοδος συρμάτινου πλαισίου
Στα υγρά, οι μέσες αποστάσεις μεταξύ των μορίων είναι πολύ μικρότερες από ό,τι στα αέρια. Επομένως, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης παίζουν ουσιαστικό ρόλο στα υγρά. Στο επιφανειακό στρώμα του υγρού εμφανίζονται υπερβολικοί διαμοριακοί δεσμοί: τα μόρια σε αυτό το στρώμα βιώνουν μια δύναμη έλξης που κατευθύνεται προς τα μέσα από τα μόρια του υπόλοιπου υγρού. Η δύναμη επιφανειακής τάσης κατευθύνεται εφαπτομενικά στην επιφάνεια του υγρού, επομένως δεν δρα στα τοιχώματα του δοχείου και στο σώμα που είναι βυθισμένο στο υγρό. Σκεφτείτε ένα συρμάτινο ορθογώνιο πλαίσιο μήκους μεγάλοαγγίζοντας την επιφάνεια του υγρού (βλ. εφαρμογή. εικ. 11). Όταν το πλαίσιο ανυψωθεί πάνω από την υγρή επιφάνεια, σχηματίζεται μια μεμβράνη μεταξύ του πλαισίου και της επιφάνειας, η οποία τραβά προς τα κάτω. Η δύναμη που συγκρατεί το πλαίσιο είναι: (1) μεγάλο- το μήκος του συρμάτινου πλαισίου, σ - ο συντελεστής επιφανειακής τάσης του υγρού. Γνωρίζοντας αυτή τη δύναμη με τη βοήθεια ενός δυναμόμετρου, θα βρούμε τον συντελεστή επιφανειακής τάσης οποιουδήποτε υγρού σ = F / 2l (2).
Εξοπλισμός:δυναμόμετρο, ορθογώνιο συρμάτινο πλαίσιο, δοχείο, χάρακας, υγρό δοκιμής.
Πρόοδος
1. Μετρήστε το μήκος του καλωδίου μεγάλο
2. Ρίξτε το υγρό δοκιμής στο ποτήρι ζέσεως, χαμηλώστε προσεκτικά το συρμάτινο πλαίσιο μέχρι να έρθει σε επαφή με το υγρό, ρυθμίστε το δείκτη του δυναμόμετρου στο 0.
Σημείωση: βεβαιωθείτε ότι το πλαίσιο είναι σε επαφή με το υγρό ομοιόμορφα σε όλη την περίμετρό του.
4. Ανασηκώνοντας απαλά το δυναμόμετρο, σηκώστε το πλαίσιο μέχρι να διαχωριστεί από το υγρό. Σημειώστε και καταγράψτε τις ενδείξεις του δυναμομέτρου στον πίνακα φάτη στιγμή του διαχωρισμού του πλαισίου από το υγρό. (βλέπε συνημμένη φωτογραφία 3)
5. Πραγματοποιήστε πειράματα για διάφορα υγρά και υπολογίστε την τιμή του συντελεστή επιφανειακής τάσης χρησιμοποιώντας τον τύπο (2).
6. Καταγράψτε τα δεδομένα σε πίνακα (βλ. παράρτημα πίνακα Νο. 2).
7. Οι λαμβανόμενες τιμές της επιφανειακής τάσης των υγρών που μελετήθηκαν συγκρίνονται με την τιμή του πίνακα σε t = 20 0 C.
8. Προσδιορίστε πειραματικά την εξάρτηση του συντελεστή επιφανειακής τάσης του νερού από τη θερμοκρασία του υγρού - t. Καταγράψτε τα δεδομένα σε πίνακα (βλ. παράρτημα πίνακα αρ. 3).
9. Παρουσιάστε τα αποτελέσματα της μελέτης με τη μορφή γραφημάτων.
10. Προσδιορίστε το απόλυτο και το σχετικό σφάλμα μέτρησης.
Συμπέρασμα: Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του συρμάτινου πλαισίου, προσδιόρισα τον συντελεστή επιφανειακής τάσης των υγρών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στον πίνακα και στο γράφημα, προκύπτει ότι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από τον τύπο του υγρού και τη θερμοκρασία του. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μικρότερη είναι η επιφανειακή τάση. Τα αποτελέσματα των σφαλμάτων παρουσιάζονται στον πίνακα Νο. 4.
Εκδηλώσεις δυνάμεων επιφανειακής τάσης
Η έννοια της επιφανειακής τάσης εισήχθη για πρώτη φορά από τον J. Segner (1752). Στο 1ο μισό του 19ου αιώνα. με βάση την έννοια της επιφανειακής τάσης αναπτύχθηκε μαθηματική θεωρίατριχοειδή φαινόμενα (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). Στο 2ο μισό του 19ου αι. Ο J. Gibbs ανέπτυξε τη θερμοδυναμική θεωρία των επιφανειακών φαινομένων, στην οποία η επιφανειακή τάση παίζει καθοριστικό ρόλο. Τον 20ο αιώνα αναπτύσσονται μέθοδοι για τη ρύθμιση της επιφανειακής τάσης με τη βοήθεια επιφανειοδραστικών ουσιών και ηλεκτροτριχοειδών επιδράσεων (I. Langmuir, P. A. Rehbinder, A. H. Frumkin).
Μεταξύ των σημερινών επίκαιρων προβλημάτων είναι η ανάπτυξη της μοριακής θεωρίας της επιφανειακής τάσης διαφόρων υγρών, συμπεριλαμβανομένων των τηγμένων μετάλλων. . Η επιφανειακή τάση του μετάλλου και του λιωμένου ηλεκτρολύτη θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για τους ακόλουθους λόγους. Όταν απελευθερώνεται λιωμένο μέταλλο, είναι απαραίτητο να βρέξει καλά την κάθοδο και να ληφθεί με τη μορφή συμπαγούς στρώματος. Το μέταλλο που δεν βρέχει την κάθοδο σχηματίζει μικρές σταγόνες, γεγονός που αυξάνει την επιφάνεια επαφής του με τον ηλεκτρολύτη και τη διαλυτότητά του. Κατά την καθίζηση ενός στερεού μετάλλου, η διαβρεξιμότητά του με ηλεκτρολύτη προάγει το σχηματισμό προστατευτικής μεμβράνης και αποτρέπει την οξείδωση. Το οξυγόνο μειώνει την επιφανειακή τάση του μετάλλου , και επομένως, με την αύξηση της περιεκτικότητάς του σε ένα μείγμα με βάση το αργό, το κρίσιμο ρεύμα μειώνεται. . Το άζωτο αυξάνει την επιφανειακή τάση του μετάλλου· επομένως, με την αύξηση της περιεκτικότητας σε άζωτο σε αργό με την ίδια ισχύ ρεύματος, το μέγεθος των σταγονιδίων αυξάνεται. Κατά τη συγκόλληση σε ατμόσφαιρα αζώτου, πραγματοποιείται μεταφορά μετάλλου μεγάλης σταγόνας με έντονο πιτσίλισμα.
Εξετάζονται οι μέθοδοι και τα τεχνικά μέσα συλλογής προϊόντων πετρελαίου από την επιφάνεια του νερού. Η επιφανειακή τάση είναι καθοριστικός παράγοντας σε πολλούς τεχνολογικές διαδικασίες: επίπλευση, εμποτισμός πορωδών υλικών, επίστρωση, δράση πλύσης, μεταλλουργία σκόνης, συγκόλληση. Ο ρόλος της επιφανειακής τάσης στις διεργασίες που συμβαίνουν στην έλλειψη βαρύτητας είναι μεγάλος [ 3] .
Οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης παίζουν ουσιαστικό ρόλο σε φυσικά φαινόμενα, βιολογία, ιατρική, σε διάφορα σύγχρονες τεχνολογίες, πολυγραφία, τεχνολογία, στη φυσιολογία του σώματός μας.
Χωρίς αυτές τις δυνάμεις, δεν θα μπορούσαμε να γράφουμε με μελάνι. Ένα συνηθισμένο στυλό δεν θα έβγαζε μελάνι από ένα μελανοδοχείο, αλλά ένα αυτόματο θα έβαζε αμέσως μια μεγάλη κηλίδα μελανιού, αδειάζοντας ολόκληρη τη δεξαμενή του (βλ. παράρτημα εικ. 12). .
Τοποθετήστε προσεκτικά τη βελόνα στην επιφάνεια του νερού (βλέπε συνημμένη φωτογραφία 4). Η επιφανειακή μεμβράνη θα λυγίσει και θα αποτρέψει τη βύθιση της βελόνας. Για τον ίδιο λόγο, οι ελαφροί βηματιστές νερού μπορούν γρήγορα να γλιστρήσουν πάνω από την επιφάνεια του νερού (βλ. παράρτημα εικ. 13), όπως οι σκέιτερ στον πάγο.
Στην ιατρική, μετράται η δυναμική και ισορροπημένη επιφανειακή τάση του φλεβικού ορού αίματος, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάγνωση μιας νόσου και τον έλεγχο της συνεχιζόμενης θεραπείας (βλ. Παράρτημα Εικ. 14). Έχει βρεθεί ότι το νερό με χαμηλή επιφανειακή τάση είναι βιολογικά πιο προσιτό. Εισέρχεται σε μοριακές αλληλεπιδράσεις πιο εύκολα, τότε τα κύτταρα δεν θα χρειαστεί να ξοδέψουν ενέργεια για να ξεπεράσουν την επιφανειακή τάση.
Ο όγκος της εκτύπωσης σε πολυμερικές μεμβράνες αυξάνεται συνεχώς λόγω της ταχείας ανάπτυξης της βιομηχανίας συσκευασίας, της υψηλής ζήτησης για καταναλωτικά αγαθά σε πολύχρωμες πολυμερείς συσκευασίες. Μια σημαντική προϋπόθεση για την κατάλληλη εφαρμογή τέτοιων τεχνολογιών είναι ακριβής ορισμόςπροϋποθέσεις εφαρμογής τους στις εκτυπωτικές διαδικασίες.
Στην εκτύπωση, η επεξεργασία του πλαστικού πριν την εκτύπωση είναι απαραίτητη ώστε το χρώμα να πέσει πάνω στο υλικό. Ο λόγος είναι η επιφανειακή τάση του υλικού. Το αποτέλεσμα καθορίζεται από το πώς το υγρό βρέχει την επιφάνεια του προϊόντος. Η διαβροχή θεωρείται βέλτιστη όταν μια σταγόνα υγρού παραμένει στο σημείο που εφαρμόστηκε. Σε άλλες περιπτώσεις, το υγρό μπορεί να κυλήσει σε μια σταγόνα ή, αντίθετα, να εξαπλωθεί. Και οι δύο περιπτώσεις οδηγούν εξίσου σε αρνητικά αποτελέσματα κατά τη μεταφορά μελανιού.
συμπέρασμαΣτην αρχή της εργασίας μου, έθεσα ως στόχο τη μελέτη των επιφανειακών φαινομένων σε υγρά και τη μελέτη βασικών μεθόδων για τον προσδιορισμό του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού στο όριο «υγρού-αέρα». Κατά τη διάρκεια της ερευνητικής μου εργασίας έμαθα:
1 ) σχετικά με τις βασικές πειραματικές μεθόδους για τη μέτρηση του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού.
2 ) χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αποκόλλησης σταγόνων και συρμάτινου πλαισίου, προσδιορίστηκε ο συντελεστής επιφανειακής τάσης του υγρού στο όριο "υγρού-αέρα". 3 ) Οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης είναι μικρές και εμφανίζονται σε μικρούς όγκους υγρού.
4 ) η επιφανειακή ενέργεια ενός υγρού εξαρτάται από τον τύπο του υγρού, από το μέσο με το οποίο συνορεύει, καθώς και από τη θερμοκρασία του υγρού.
5 ) όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται η εσωτερική ενέργεια και, φυσικά, μειώνεται η τάση στο οριακό στρώμα του υγρού και, κατά συνέπεια, μειώνονται οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης.
6) σαπουνόνερο, έχει την ικανότητα να σχηματίζει λεπτές μεμβράνες. Η υγρή μεμβράνη μετατρέπεται σε ελαστική επιφάνεια, τείνει να ελαχιστοποιεί την έκτασή της και, κατά συνέπεια, να ελαχιστοποιεί την ενέργεια τάσης ανά μονάδα επιφάνειας (βλ. συνημμένη φωτογραφία Νο. 6). (αυτό είναι το σχήμα της μπάλας).
7 ) υπάρχουν δυνάμεις επιφανειακής τάσης, παίζουν σημαντικό ρόλο στη φύση, την τεχνολογία και την ανθρώπινη ζωή. Θα ήταν αδύνατο να σαπουνίσετε τα χέρια σας: ο αφρός δεν θα σχηματιζόταν. Το υδατικό καθεστώς του εδάφους θα διαταρασσόταν, κάτι που θα ήταν καταστροφικό για τα φυτά. θα υπέφερε σημαντικά χαρακτηριστικάτο σώμα μας. Οι εκδηλώσεις των δυνάμεων επιφανειακής τάσης είναι τόσο διαφορετικές.
6. Λογοτεχνία
1. Detlaf, Α.Α., Yavorsky B.M. μάθημα φυσικής. Μ.: μεταπτυχιακό σχολείο, 2002. 718 σελ.
2. Kasyanov V.A. Η φυσικη. 10η τάξη: Εγχειρίδιο για γενικές εικόνες. ιδρύματα. - 6η έκδ., στερεότυπο. - M.: Bustard, 2008 .
3. Kuhling, H. Handbook of Physics. - Μ., 1982. - Δεκαετία 520
4. Landsberga Γ.Σ. Δημοτικό εγχειρίδιο φυσικής. Τόμος 1: Μηχανική. Θερμότητα. Μοριακή φυσική. - Μ., Βιβλίο κατά παραγγελία, 2012. - 618 σελ.
5. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. «Φυσική: Μοριακή Φυσική και Θερμοδυναμική». Εγχειρίδιο για το επίπεδο προφίλ της 10ης τάξης. Μόσχα, 2012.
6. Matveev, A.N. Μοριακή φυσική. Μ.: Γυμνάσιο, 1987. Δεκαετία 360.
7. Pinsky A.A. Kabardin O.F. Εγχειρίδιο φυσικής 10 κύτταρα. Επίπεδο προφίλ 13η έκδ. - Μ.: Διαφωτισμός, 2011
8. Perelman Ya.I. Διασκεδαστική φυσική. Σε δύο βιβλία. Βιβλίο. 1. -20η έκδ., στερεότυπο. - Μ.: Nauka, 1979
9. Trofimova, T.I. μάθημα φυσικής. - Μ: Ακαδημία, 2007. - 560 σελ.
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Surface_tension
11. Φόρμουλες http://studyport.ru/referaty/tochnyje-nauki/3948
12. Ιδιότητες υγρών. Επιφανειακή τάση http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph5/theory.html#.Vo9nifmLTcc
13. Διαβροχή, τριχοειδές http://phys-bsu.narod.ru/lib/mkt/mkt/207.htm
14. Μέθοδος συρμάτινου πλαισίου http://allrefs.net/c12/3smth/p5/
15. Επιφανειακή τάση ενός υγρού http://physflash.narod.ru/Search/mechanics/24.htm
16. Ενδιαφέροντα στοιχεία για το σχήμα του υγρού http://www.afizika.ru/svojstvazhidkostejgazov/95-estestvennayaformazidkosti
17. http://www.ngpedia.ru/id181006p1.html
Εφαρμογή
Εικόνα 1. [ 6] Διατομή σφαιρικής σταγόνας υγρού
Σχήμα 2.σταγόνα λαδιού κολύμβησης
Εικόνα 3 [ 2] Ένα παράδειγμα της τάξης μικρής εμβέλειας των μορίων υγρών και της σειράς μορίων μιας κρυσταλλικής ουσίας μεγάλης εμβέλειας: 1 - νερό. 2 - πάγος.
Εικόνα 4 Μοριακός μηχανισμός επιφανειακής τάσης
Εικόνα 5 [ 10] Κινητός πλευρά ενός συρμάτινου πλαισίου σε ισορροπία υπό την επίδραση μιας εξωτερικής δύναμης και της δύναμης επιφανειακής τάσης που προκύπτει
Εικόνα 6 [ 2][ 0] Επιφανειακή τάση φιλμ σαπουνιού
Εικόνα 7 [ 14] Οροι ισορροπία στη διεπιφάνεια υγρού-στερεού
Q90° - μη διαβρέχοντας
Q - Γωνία επαφής
Q = 0 ° - τέλεια μη διαβροχή
Q=180 ° - τέλεια διαβροχή
Εικόνα 8τριχοειδή [ 13]
Α Β Γ.
Εικόνα 9Σχηματισμός σταγόνας υγρού [ 10]
Εικόνα 10. [ 12]
Εικόνα 11.
συρμάτινο πλαίσιο [ 14]
Εικόνα 12.Οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης παίζουν σημαντικό ρόλο στα φυσικά φαινόμενα, τη βιολογία, την ιατρική, διάφορες σύγχρονες τεχνολογίες, την εκτύπωση και τη μηχανική.
Εικόνα 13.
Εικόνα 14.Οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης παίζουν ουσιαστικό ρόλο στη φυσιολογία του σώματός μας.
Πίνακας Νο. 1 Συντελεστής επιφανειακής τάσης του νερού στο όριο με τον αέρα.
|
Δ δavg. (mN/m) |
|||||||||
Πίνακας Νο. 2 Συντελεστής επιφανειακής τάσης υγρών στο όριο με αέρα
Πίνακας Νο. 3 Συντελεστής επιφανειακής τάσης του νερού στο όριο με τον αέρα σε διαφορετικές θερμοκρασίες
Πίνακας Νο. 4 Απόλυτο και σχετικό σφάλμα στη μέτρηση του συντελεστή επιφανειακής τάσης διαφόρων τύπων υγρών
Πρόγραμμα #1. Εξάρτηση του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού από τον τύπο του υγρού, και σύγκριση των αποτελεσμάτων του πειράματος με τον πίνακα.
Γράφημα Νο 2. Η εξάρτηση του συντελεστή επιφανειακής τάσης του νερού από τη θερμοκρασία
Φωτογραφία #1
Φωτογραφία #2
Φωτογραφία #3
Φωτογραφία #4
Φωτογραφία #5
Φωτογραφία #6
Ένα υγρό είναι μια αθροιστική κατάσταση της ύλης, ενδιάμεση μεταξύ αερίου και στερεού, επομένως έχει τις ιδιότητες τόσο των αέριων όσο και των στερεών ουσιών. Τα υγρά, όπως και τα στερεά, έχουν ορισμένο όγκο και όπως τα αέρια παίρνουν το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκονται. Τα μόρια αερίου πρακτικά δεν αλληλοσυνδέονται με τις δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης. Σε αυτή την περίπτωση, η μέση ενέργεια της θερμικής κίνησης των μορίων αερίου είναι πολύ μεγαλύτερη από τη μέση δυναμική ενέργεια λόγω των δυνάμεων έλξης μεταξύ τους, έτσι τα μόρια του αερίου διασκορπίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και το αέριο καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο που του παρέχεται .
Σε στερεά και υγρά σώματα, οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων είναι ήδη σημαντικές και διατηρούν τα μόρια σε μια ορισμένη απόσταση μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, η μέση ενέργεια της χαοτικής θερμικής κίνησης των μορίων είναι μικρότερη από τη μέση δυναμική ενέργεια λόγω των δυνάμεων της διαμοριακής αλληλεπίδρασης και δεν αρκεί για να υπερνικηθούν οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων, επομένως τα στερεά και τα υγρά έχουν μια ορισμένη Ενταση ΗΧΟΥ.
Η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ υγρών έδειξε ότι η φύση της διάταξης των υγρών σωματιδίων είναι ενδιάμεση μεταξύ ενός αερίου και ενός στερεού. Στα αέρια, τα μόρια κινούνται τυχαία, επομένως δεν υπάρχει μοτίβο σε αυτά σχετική θέση. Για τα στερεά, τα λεγόμενα παραγγελία μεγάλης εμβέλειαςστη διάταξη των σωματιδίων, δηλ. την τακτική τους διάταξη, επαναλαμβανόμενη σε μεγάλες αποστάσεις. Στα υγρά, τα λεγόμενα παραγγελία μικρής εμβέλειαςστη διάταξη των σωματιδίων, δηλ. η διατεταγμένη τους διάταξη, επαναλαμβανόμενη σε αποστάσεις συγκρίσιμες με τις διατομικές.
Η θεωρία του υγρού δεν έχει αναπτυχθεί πλήρως μέχρι σήμερα. Η θερμική κίνηση σε ένα υγρό εξηγείται από το γεγονός ότι κάθε μόριο ταλαντώνεται για κάποιο χρονικό διάστημα γύρω από μια ορισμένη θέση ισορροπίας, μετά την οποία μεταβαίνει σε μια νέα θέση, η οποία βρίσκεται σε απόσταση της τάξης της διατομικής απόστασης από την αρχική. Έτσι, τα μόρια ενός υγρού κινούνται αρκετά αργά σε όλη τη μάζα του υγρού και η διάχυση γίνεται πολύ πιο αργά από ότι στα αέρια. Με την αύξηση της θερμοκρασίας του υγρού, η συχνότητα της ταλαντωτικής κίνησης αυξάνεται απότομα, η κινητικότητα των μορίων αυξάνεται, γεγονός που είναι ο λόγος για τη μείωση του ιξώδους του υγρού.
Ελκτικές δυνάμεις δρουν σε κάθε μόριο του υγρού από την πλευρά των γύρω μορίων, μειώνοντας γρήγορα με την απόσταση, επομένως, ξεκινώντας από μια ορισμένη ελάχιστη απόσταση, οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων μπορούν να παραβλεφθούν. Αυτή η απόσταση (περίπου 10 -9 m) ονομάζεται ακτίνα μοριακής δράσης r , και μια σφαίρα ακτίνας r-σφαίρα μοριακής δράσης.
Επιλέξτε ένα μόριο μέσα στο υγρό ΑΛΛΑκαι σχεδιάστε μια σφαίρα ακτίνας γύρω της r(εικ.10.1). Αρκεί, σύμφωνα με τον ορισμό, να ληφθεί υπόψη η δράση σε ένα δεδομένο μόριο μόνο εκείνων των μορίων που βρίσκονται μέσα στη σφαίρα
Εικ.10.1. μοριακή δράση. Οι δυνάμεις με τις οποίες αυτά τα μόρια δρουν στο μόριο ΑΛΛΑ,κατευθύνονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και, κατά μέσο όρο, αντισταθμίζονται, επομένως η προκύπτουσα δύναμη που επενεργεί σε ένα μόριο μέσα στο υγρό από άλλα μόρια είναι ίση με μηδέν. Η κατάσταση είναι διαφορετική εάν το μόριο, για παράδειγμα το μόριο ΣΤΟ,βρίσκεται σε απόσταση από την επιφάνεια r.Σε αυτή την περίπτωση, η σφαίρα μοριακής δράσης βρίσκεται μόνο εν μέρει μέσα στο υγρό. Δεδομένου ότι η συγκέντρωση των μορίων στο αέριο που βρίσκεται πάνω από το υγρό είναι μικρή σε σύγκριση με τη συγκέντρωσή τους στο υγρό, η προκύπτουσα δύναμη φά, που εφαρμόζεται σε κάθε μόριο της επιφανειακής στιβάδας, δεν ισούται με μηδέν και κατευθύνεται μέσα στο υγρό. Έτσι, οι δυνάμεις που προκύπτουν από όλα τα μόρια του επιφανειακού στρώματος ασκούν πίεση στο υγρό, που ονομάζεται μοριακός(ή εσωτερικός).Η μοριακή πίεση δεν δρα σε ένα σώμα που βρίσκεται σε ένα υγρό, καθώς οφείλεται σε δυνάμεις που δρουν μόνο μεταξύ των μορίων του ίδιου του υγρού.
Η συνολική ενέργεια των υγρών σωματιδίων είναι το άθροισμα της ενέργειας της χαοτικής θερμικής τους κίνησης και της δυναμικής ενέργειας που οφείλεται στις δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης. Για να μετακινήσετε ένα μόριο από το βάθος του υγρού στο επιφανειακό στρώμα, πρέπει να δαπανηθεί εργασία. Αυτή η εργασία γίνεται σε βάρος της κινητικής ενέργειας των μορίων και πηγαίνει στην αύξηση της δυναμικής τους ενέργειας. Επομένως, τα μόρια του επιφανειακού στρώματος του υγρού έχουν μεγαλύτερη δυναμική ενέργεια από τα μόρια μέσα στο υγρό. Αυτή η επιπλέον ενέργεια που διαθέτουν τα μόρια στο επιφανειακό στρώμα ενός υγρού ονομάζεται επιφανειακή ενέργεια,είναι ανάλογο με το εμβαδόν του στρώματος Δ μικρό:
Δ W=σ Δ μικρό,(10.1)
όπου σ – συντελεστής επιφανειακής τάσης, ορίζεται ως η επιφανειακή ενεργειακή πυκνότητα.
Επειδή κατάσταση ισορροπίαςχαρακτηρίζεται από ελάχιστη δυναμική ενέργεια, τότε το υγρό, ελλείψει εξωτερικών δυνάμεων, θα πάρει τέτοιο σχήμα ώστε, για έναν δεδομένο όγκο, να έχει ελάχιστη επιφάνεια, δηλ. σχήμα μπάλας. Παρατηρώντας τα μικρότερα σταγονίδια που αιωρούνται στον αέρα, μπορούμε να δούμε ότι έχουν πραγματικά το σχήμα μπάλες, αλλά κάπως παραμορφωμένα λόγω της δράσης των δυνάμεων της βαρύτητας. Σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, μια σταγόνα οποιουδήποτε υγρού (ανεξαρτήτως μεγέθους) έχει σφαιρικό σχήμα, κάτι που έχει αποδειχθεί πειραματικά σε διαστημόπλοια.
Άρα, προϋπόθεση για σταθερή ισορροπία ενός υγρού είναι η ελάχιστη επιφανειακή ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι το υγρό για έναν δεδομένο όγκο θα πρέπει να έχει τη μικρότερη επιφάνεια, δηλ. Το υγρό τείνει να μειώνει την ελεύθερη επιφάνεια. Σε αυτή την περίπτωση, το επιφανειακό στρώμα του υγρού μπορεί να παρομοιαστεί με ένα τεντωμένο ελαστικό φιλμ στο οποίο δρουν δυνάμεις τάσης.
Θεωρήστε την επιφάνεια ενός υγρού που οριοθετείται από ένα κλειστό περίγραμμα. Υπό τη δράση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης (κατευθύνονται εφαπτομενικά στην επιφάνεια του υγρού και κάθετα στο τμήμα του περιγράμματος στο οποίο δρουν), η επιφάνεια του υγρού συσπάται και το εξεταζόμενο περίγραμμα μετακινείται. Οι δυνάμεις που δρουν από την επιλεγμένη περιοχή στις παρακείμενες περιοχές κάνουν το έργο:
Δ Α=στΔ μεγάλοΔ Χ,
όπου f=F/Δ λ -δύναμη επιφανειακής τάσης, που ενεργεί ανά μονάδα μήκους του περιγράμματος της επιφάνειας του υγρού. Μπορεί να φανεί ότι ο Δ μεγάλοΔ Χ= Δ μικρό, εκείνοι.
Δ A=f∆S.
Αυτή η εργασία γίνεται με τη μείωση της επιφανειακής ενέργειας, δηλ.
Δ Α =Δ W.
Από τη σύγκριση των εκφράσεων φαίνεται ότι
δηλ. ο συντελεστής επιφανειακής τάσης σ είναι ίσος με τη δύναμη επιφανειακής τάσης ανά μονάδα μήκους του περιγράμματος που οριοθετεί την επιφάνεια. Η μονάδα επιφανειακής τάσης είναι το newton ανά μέτρο (N/m) ή τζάουλ ανά τετραγωνικό μέτρο(J / m 2). Τα περισσότερα υγρά σε θερμοκρασία 300K έχουν επιφανειακή τάση της τάξης των 10 -2 -10 -1 N/m. Η επιφανειακή τάση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, καθώς αυξάνονται οι μέσες αποστάσεις μεταξύ των μορίων του υγρού.
Η επιφανειακή τάση εξαρτάται ουσιαστικά από τις ακαθαρσίες που υπάρχουν στα υγρά , Τα υγρά που μειώνουν την επιφανειακή τάση ονομάζονται επιφανειοδραστικές ουσίες (επιφανειοδραστικές ουσίες).Το σαπούνι είναι το πιο γνωστό επιφανειοδραστικό για το νερό. Μειώνει πολύ την επιφανειακή του τάση (από περίπου 7,5 10 -2 έως 4,5 10 -2 N/m). Τασιενεργά που μειώνουν την επιφανειακή τάση του νερού είναι επίσης αλκοόλες, αιθέρες, λάδι κ.λπ.
Υπάρχουν ουσίες (ζάχαρη, αλάτι) που αυξάνουν την επιφανειακή τάση ενός υγρού λόγω του γεγονότος ότι τα μόριά τους αλληλεπιδρούν με τα μόρια του υγρού πιο έντονα από ότι τα μόρια του υγρού αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Στις κατασκευές, τα επιφανειοδραστικά χρησιμοποιούνται για την παρασκευή διαλυμάτων που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία εξαρτημάτων και κατασκευών που λειτουργούν σε αντίξοες ατμοσφαιρικές συνθήκες (υψηλή υγρασία, υψηλές θερμοκρασίες, έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία κ.λπ.).
Φαινόμενο διαβροχής
Είναι γνωστό από την πρακτική ότι μια σταγόνα νερού απλώνεται στο γυαλί και παίρνει τη μορφή που φαίνεται στο Σχ. 10.2, ενώ ο υδράργυρος στην ίδια επιφάνεια μετατρέπεται σε μια κάπως πεπλατυσμένη σταγόνα. Στην πρώτη περίπτωση λέγεται ότι το υγρό βρέχεταισκληρή επιφάνεια, στη δεύτερη - δεν βρέχεταιαυτήν. Η διαβροχή εξαρτάται από τη φύση των δυνάμεων που δρουν μεταξύ των μορίων των επιφανειακών στρωμάτων των μέσων που έρχονται σε επαφή. Για ένα υγρό διαβροχής, οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων του υγρού και του στερεού είναι μεγαλύτερες από ό,τι μεταξύ των μορίων του ίδιου του υγρού και το υγρό τείνει να αυξάνεται
επιφάνεια επαφής με στερεό σώμα. Για ένα μη διαβρέχον υγρό, οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων του υγρού και του στερεού είναι μικρότερες από εκείνες μεταξύ των μορίων του υγρού και το υγρό τείνει να μειώσει την επιφάνεια της επαφής του με το στερεό.
Τρεις δυνάμεις επιφανειακής τάσης εφαρμόζονται στη γραμμή επαφής τριών μέσων (σημείο 0 είναι η τομή του με το επίπεδο του σχεδίου), οι οποίες κατευθύνονται εφαπτομενικά στην επιφάνεια επαφής των αντίστοιχων δύο μέσων. Αυτές οι δυνάμεις, ανά μονάδα μήκους της γραμμής επαφής, είναι ίσες με τις αντίστοιχες επιφανειακές τάσεις σ 12 , σ 13 , σ 23 . Γωνία θ μεταξύ των εφαπτομένων στην επιφάνεια ενός υγρού και ενός στερεού ονομάζεται γωνία άκρης.Η προϋπόθεση για την ισορροπία μιας σταγόνας είναι η ισότητα προς το μηδέν του αθροίσματος των προεξοχών των δυνάμεων επιφανειακής τάσης στην κατεύθυνση της εφαπτομένης στην επιφάνεια του στερεού, δηλ.
–σ 13 + σ 12 + σ 23 κοσ θ =0 (10.2)
cos θ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)
Από την προϋπόθεση ότι η γωνία επαφής μπορεί να είναι οξεία ή αμβλεία ανάλογα με τις τιμές σ 13 και σ 12 . Αν ένα σ 13 >σ 12, στη συνέχεια cos θ >0 και γωνία θ αιχμηρός, δηλ. υγρό βρέχει μια στερεή επιφάνεια. Αν ένα σ 13 <σ 12, στη συνέχεια cos θ <0 и угол θ – αμβλύ, δηλαδή το υγρό δεν βρέχει τη σκληρή επιφάνεια.
Η γωνία επαφής ικανοποιεί την προϋπόθεση (10.3) εάν
(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.
Εάν δεν πληρούται η προϋπόθεση, τότε η σταγόνα υγρού για τυχόν τιμές θ δεν μπορεί να είναι σε ισορροπία. Αν ένα σ 13 >σ 12 +σ 23 , τότε το υγρό απλώνεται στην επιφάνεια του στερεού, καλύπτοντάς το με μια λεπτή μεμβράνη (για παράδειγμα, κηροζίνη στην επιφάνεια του γυαλιού), - έχουμε πλήρη διαβροχή(σε αυτήν την περίπτωση θ =0).
Αν ένα σ 12 >σ 13 +σ 23 , τότε το υγρό συρρικνώνεται σε μια σφαιρική σταγόνα, στο όριο που έχει μόνο ένα σημείο επαφής μαζί του (για παράδειγμα, μια σταγόνα νερού στην επιφάνεια της παραφίνης), - έχουμε πλήρης μη διαβροχή(σε αυτήν την περίπτωση θ =π).
Η διαβροχή και η μη διαβροχή είναι σχετικές έννοιες, δηλ. Ένα υγρό που βρέχει μια στερεή επιφάνεια δεν βρέχει μια άλλη. Για παράδειγμα, το νερό βρέχει το γυαλί αλλά δεν βρέχει την παραφίνη. Ο υδράργυρος δεν βρέχει το γυαλί, αλλά καθαρίζει τις μεταλλικές επιφάνειες.
Τα φαινόμενα διαβροχής και μη διαβροχής έχουν μεγάλη σημασία στην τεχνολογία. Για παράδειγμα, στη μέθοδο του εμπλουτισμού μεταλλεύματος με επίπλευση (διαχωρισμός μεταλλεύματος από άχρηστο πέτρωμα), το λεπτόκοκκο μετάλλευμα ανακινείται σε ένα υγρό που βρέχει το απόβλητο πέτρωμα και δεν διαβρέχει το μετάλλευμα. Ο αέρας διοχετεύεται μέσα από αυτό το μείγμα και στη συνέχεια καθιζάνει. Ταυτόχρονα, σωματίδια βράχου βρεγμένα με υγρό βυθίζονται στον πυθμένα και κόκκοι ορυκτών «κολλούν» στις φυσαλίδες αέρα και επιπλέουν στην επιφάνεια του υγρού. Κατά την κατεργασία μετάλλων, διαβρέχονται με ειδικά υγρά, τα οποία διευκολύνουν και επιταχύνουν την επεξεργασία της επιφάνειας.
Στις κατασκευές το φαινόμενο της διαβροχής είναι σημαντικό για την παρασκευή υγρών μειγμάτων (στόκοι, στόκοι, κονιάματα για την τοποθέτηση τούβλων και την προετοιμασία του σκυροδέματος). Είναι απαραίτητο αυτά τα υγρά μείγματα να βρέχουν καλά τις επιφάνειες των κτιριακών κατασκευών στις οποίες εφαρμόζονται. Κατά την επιλογή των συστατικών του μείγματος, λαμβάνονται υπόψη όχι μόνο οι γωνίες επαφής για ζεύγη μείγματος-επιφάνειας, αλλά και οι επιφανειοδραστικές ιδιότητες των υγρών συστατικών.
Μετατροπέας μήκους και απόστασης Μετατροπέας μάζας Μετατροπέας όγκου φαγητού και φαγητού Μετατροπέας περιοχής όγκου και μονάδων συνταγής Μετατροπέας θερμοκρασίας Μετατροπέας πίεσης, καταπόνησης, μετατροπέας μονάδας Young's Μετατροπέας ενέργειας και εργασίας Μετατροπέας ισχύος Μετατροπέας δύναμης Μετατροπέας χρόνου Μετατροπέας γραμμικής ταχύτητας μετατροπής καυσίμου των αριθμών σε διάφορα συστήματα αριθμών Μετατροπέας μονάδων μέτρησης της ποσότητας πληροφοριών Ισοτιμίες συναλλάγματος Μεγέθη γυναικείων ενδυμάτων και παπουτσιών Μεγέθη ανδρικά ενδύματαΜετατροπέας γωνιακής ταχύτητας και περιστροφικής ταχύτητας Μετατροπέας επιτάχυνσης Μετατροπέας γωνιακής επιτάχυνσης Μετατροπέας πυκνότητας Μετατροπέας ειδικού όγκου Μετατροπέας ροπής αδράνειας Μετατροπέας ροπής αδράνειας Μετατροπέας ροπής Μετατροπέας θερμικής αντίστασης Μετατροπέας θερμικής αντίστασης Μετατροπέας θερμικής αγωγιμότητας Μετατροπέας θερμικής αγωγιμότητας Ειδικός μετατροπέας θερμότητας Heat Converter Heat Converter Exposurex Μετατροπέας ροής όγκου συντελεστή μεταφοράς Μετατροπέας ροής μάζας Μετατροπέας μοριακής ροής Μετατροπέας πυκνότητας ροής μάζας Μετατροπέας μοριακής συγκέντρωσης Λύση μάζας Μετατροπέας συγκέντρωσης μάζας Μετατροπέας δυναμικής δυναμικής (απόλυτο) ιξώδες κινηματικός μετατροπέας ιξώδους Μετατροπέας επιφανείας μετατροπέας Μετατροπέας πυκνότητας ροής υδρατμών Μετατροπέας στάθμης ήχου Μετατροπέας ευαισθησίας μικροφώνου Μετατροπέας στάθμης πίεσης ήχου (SPL) Μετατροπέας στάθμης πίεσης ήχου με επιλεγμένη πίεση αναφοράς Μετατροπέας φωτεινότητας Μετατροπέας φωτεινής έντασης γραφικά υπολογιστήΜετατροπέας συχνότητας και μήκους κύματος Ισχύς και εστιακό μήκος διόπτρας Ισχύς και μεγέθυνση φακού (×) Μετατροπέας ηλεκτρικού φορτίου Μετατροπέας γραμμικής πυκνότητας φορτίου Μετατροπέας πυκνότητας επιφανειακής φόρτισης Μετατροπέας πυκνότητας φόρτισης όγκου ηλεκτρικό ρεύμαΓραμμικός μετατροπέας πυκνότητας ρεύματος Επιφανειακός μετατροπέας πυκνότητας ρεύματος Μετατροπέας ισχύος ηλεκτρικού πεδίου Ηλεκτροστατικός μετατροπέας δυναμικού και τάσης Μετατροπέας ηλεκτρικής αντίστασης Μετατροπέας ηλεκτρικής αντίστασης Μετατροπέας ηλεκτρικής αγωγιμότητας Μετατροπέας ηλεκτρικής αγωγιμότητας Μετατροπέας ηλεκτρικής αγωγιμότητας Μετατροπέας ηλεκτρικής αγωγιμότητας Μετατροπέας ηλεκτρικής αγωγιμότητας Μετατροπέας ισχύος μετατροπής μετατροπής μετατροπέα μετατροπέα μετατροπέα ηλεκτρικού ρεύματος κ.λπ. μαγνητικό πεδίοΜετατροπέας Μαγνητικής Ροής Μετατροπέας Μαγνητικής Επαγωγής Ακτινοβολία. Ραδιενέργεια μετατροπέα ρυθμού απορροφούμενης δόσης ιονίζουσας ακτινοβολίας. Ακτινοβολία μετατροπέα ραδιενεργού αποσύνθεσης. Ακτινοβολία μετατροπέα δόσης έκθεσης. Μετατροπέας απορροφημένης δόσης Δεκαδικός μετατροπέας προθέματος Μεταφορά δεδομένων Τυπογραφία και μονάδα επεξεργασίας εικόνας Μετατροπέας μονάδας όγκου ξυλείας Μετατροπέας μονάδας όγκου Υπολογισμός μοριακής μάζας Περιοδικός Πίνακας Χημικών Στοιχείων του D. I. Mendeleev
Αρχική τιμή
Τιμή μετατροπής
Newton ανά μέτρο millineewton ανά μέτρο γραμμάριο δύναμη ανά εκατοστό dyne ανά εκατοστό erg ανά τετραγωνικό εκατοστό erg ανά τετραγωνικό χιλιοστό λίβρα ανά ίντσα λίβρα δύναμη ανά ίντσα
Ένταση ηλεκτρικού πεδίου
Περισσότερα για την επιφανειακή τάση
Γενικές πληροφορίες
Η επιφανειακή τάση είναι η ιδιότητα ενός υγρού να αντιστέκεται στη δύναμη που ασκεί πάνω του. Σε σύγκριση με άλλα υγρά, επιφανειακή τάση νερόένα από τα υψηλότερα. Αυτή η ιδιότητα του νερού οφείλεται στη μοριακή του δομή, λόγω της οποίας οι δεσμοί μεταξύ των μορίων είναι πολύ ισχυρότεροι από αυτούς των άλλων υγρών.
Η επιφανειακή τάση εξαρτάται από το ίδιο το υγρό και τη μοριακή του δομή, αλλά και από το υλικό με το οποίο έρχεται σε επαφή αυτό το υγρό. Όταν πρόκειται για επιφανειακή τάση στον κόσμο των ζώων και σε πολλά άλλα παραδείγματα παρακάτω, συνήθως εξετάζεται είτε το σύστημα νερού-αέρα είτε τα υδατικά διαλύματα διαφόρων ουσιών, καθώς αυτά είναι τα πιο κοινά συστήματα που εμφανίζονται στη φύση.
Υπολογισμοί Επιφανειακής Τάσης
Για να αυξηθεί η επιφάνεια του νερού, δηλαδή να τεντωθεί αυτή η επιφάνεια, είναι απαραίτητο να εκτελεστεί μηχανική εργασία για να ξεπεραστούν οι δυνάμεις της επιφανειακής τάσης. Εάν δεν ασκούνται άλλες εξωτερικές δυνάμεις στο ρευστό, τείνει να λάβει ένα σχήμα στο οποίο η επιφάνεια αυτού του ρευστού είναι ελάχιστη. Όπως θα δούμε παρακάτω, το πιο βέλτιστο σχήμα είναι μια μπάλα. Σε μηδενική βαρύτητα, το υγρό παίρνει πραγματικά τη μορφή μπάλας. Η δυναμική ενέργεια της επιφανειακής τάσης βρίσκεται με τον τύπο:
Ε σερφ = σ Σ
Εδώ σ είναι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης, και μικρό - συνολική έκτασηυγρά. Αυτός ο τύπος μπορεί επίσης να εκφραστεί ως:
σ = surf/S
Όπως φαίνεται από αυτόν τον τύπο, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης σ εκφράζεται σε τζάουλ ανά τετραγωνικό μέτρο (J/m² = N/m). Δηλαδή, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης σε σταθερή θερμοκρασία του υγρού είναι ίσος με την εργασία που πρέπει να γίνει για να αυξηθεί η επιφάνεια του υγρού ανά μονάδα επιφάνειας. Θυμηθείτε ότι ένα τζάουλ ισούται με ένα Νιούτον πολλαπλασιασμένο με ένα μέτρο και παίρνουμε μια άλλη μονάδα για τη μέτρηση της επιφανειακής τάσης - newton ανά μέτρο (N / m).
Περί ορολογίας
Η επιφανειακή τάση δεν εμφανίζεται μόνο σε συστήματα αέρα-υγρού. Τις περισσότερες φορές, όταν οι άνθρωποι μιλούν για δύναμη σε μήκος, εννοούν την επιφανειακή τάση σε συστήματα υγρού-αερίου. Μερικές φορές μιλάμε για συστήματα υγρού-υγρού, τα οποία έχουν και επιφανειακή τάση. Ένα παράδειγμα συστήματος υγρού-υγρού στο οποίο μπορούμε να μιλήσουμε για επιφανειακή τάση είναι οι λαμπτήρες λάβας. Όταν η λάμπα σβήνει, η παραφίνη σε αυτήν είναι σε στερεή κατάσταση, αλλά όταν ανάβει, θερμαίνεται, λιώνει και ανεβαίνει, αφού σε θερμαινόμενη κατάσταση η παραφίνη είναι ελαφρύτερη από το υγρό στο οποίο βρίσκεται , και στην ψυχρή κατάσταση είναι πιο βαρύ.
Μηχανισμός Επιφανειακής Τάνυσης
Κάθε μόριο σε ένα υγρό δρα στα γύρω μόρια με μια ορισμένη δύναμη. Κατά συνέπεια, ένας αριθμός δυνάμεων από διαφορετικές κατευθύνσεις από τις πλευρές άλλων μορίων ενεργούν επίσης σε κάθε μόριο. Η δράση αυτών των δυνάμεων μεταξύ των μορίων φαίνεται στην εικόνα. Αυτές οι δυνάμεις προκύπτουν λόγω του γεγονότος ότι τα άτομα υδρογόνου και οξυγόνου που αποτελούν το νερό έλκονται μεταξύ τους λόγω της διαφοράς των φορτίων (το αρνητικό φορτίο του οξυγόνου έλκεται από το θετικό φορτίο του υδρογόνου). Αυτές οι δυνάμεις τραβούν τα μόρια σε διαφορετικές κατευθύνσεις, το ένα προς το άλλο.
Η κατάσταση με τα μόρια στην επιφάνεια μιας ουσίας είναι λίγο διαφορετική, καθώς το μέγεθος της δύναμης με την οποία τα μόρια του αέρα δρουν στα μόρια του νερού είναι πολύ μικρότερο από τη δύναμη με την οποία δρουν τα μόρια του νερού μεταξύ τους. Όπως φαίνεται στην εικόνα, οι δυνάμεις που ασκούνται στα μόρια στην επιφάνεια ενός υγρού είναι μικρότερες από τις δυνάμεις που ασκούνται σε όλα τα άλλα μόρια μέσα στην ουσία. Οι δυνάμεις που δρουν σε αυτά τα μόρια δρουν πάνω τους από τις πλευρές από τις οποίες περιβάλλονται από άλλα μόρια νερού, αλλά όχι από την επιφάνεια. Εξαιτίας αυτού, τα μόρια στην επιφάνεια έλκονται στο υγρό με μεγαλύτερη δύναμη από ό,τι έλκονται προς την επιφάνεια. Εξαιτίας αυτού, ένα πολύ πιο «ανθεκτικό» στρώμα νερού σχηματίζεται στην επιφάνεια. Οι δυνάμεις που ασκούνται στα μόρια στην επιφάνεια προκαλούν συστολή της επιφάνειας προκειμένου να μειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η επιφάνεια. Σε σύγκριση με άλλους δεσμούς, αυτοί οι δεσμοί είναι πολύ πιο δύσκολο να σπάσουν.
Οι δυνάμεις που δρουν στα μόρια του νερού καθορίζουν την παρουσία δύο ιδιοτήτων του νερού - προσκόλλησηκαι συνοχή. Η συνοχή είναι η ιδιότητα των μορίων της ίδιας ουσίας να ελκύουν το ένα το άλλο. Όπως είδαμε από προηγούμενα παραδείγματα, τα μόρια του νερού είναι εξαιρετικά συνεκτικά. Χάρη στη συνοχή είναι δυνατή η επιφανειακή τάση.
Η πρόσφυση, αντίθετα, είναι η ιδιότητα των μορίων διαφορετικών ουσιών ή υλικών να έλκονται μεταξύ τους. Για παράδειγμα, εάν η πρόσφυση μεταξύ του υγρού και του αγγείου είναι υψηλή, τότε το υγρό «σκαρφαλώνει» στην επιφάνεια του αγγείου, ενώ η περιοχή στο κέντρο του υγρού παραμένει στη θέση του. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα στο παράδειγμα του νερού σε ένα γυάλινο δοχείο - σχηματίζεται νερό κοίλος μηνίσκοςαν το ρίξετε σε ένα στενό σκεύος.
Φυσικά, ένας κοίλος μηνίσκος θα σχηματιστεί σε οποιοδήποτε γυάλινο δοχείο εάν δεν είναι πολύ γεμάτο, αλλά αυτό το φαινόμενο είναι πολύ πιο εύκολο να το δούμε σε ένα στενό αγγείο, όπως ένας σωλήνας. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην εικονογράφηση ενός γεμάτου ποτηριού, ο μηνίσκος κυρτός. Αυτό συμβαίνει γιατί το νερό δεν έχει τίποτα να «αγκιστρώσει» πέρα από άλλα μόρια νερού. Το κυρτό σχήμα του μηνίσκου προκαλείται από τη συνοχή μεταξύ των μορίων του νερού. Η διαδικασία σχηματισμού ενός κυρτού μηνίσκου είναι παρόμοια με τη διαδικασία σχηματισμού σταγονιδίων νερού, η οποία περιγράφεται παρακάτω.
Εάν η πρόσφυση μεταξύ της επιφάνειας της ουσίας και του υγρού είναι μικρή, τότε ο μηνίσκος θα είναι κυρτός. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόρια του υγρού έλκονται από άλλα μόρια του υγρού περισσότερο από ό,τι έλκονται από την επιφάνεια του δοχείου. Ένα καλό παράδειγμα τέτοιου μηνίσκου είναι ο υδράργυρος. Εάν έχετε μια συσκευή μέτρησης με υδράργυρο μέσα, όπως ένα θερμόμετρο, τότε μπορείτε εύκολα να δείτε αυτόν τον μηνίσκο.
Παραδείγματα επιφανειακής τάσης στην εργασία
Παραδείγματα επιφανειακής έντασης στην καθημερινή ζωή και την τεχνολογία μας περιβάλλουν παντού. Το αποτέλεσμα της επιφανειακής τάσης είναι πιο εύκολο να δει κανείς στα συστήματα νερού-αέρα.
Σταγόνες νερού
Ο σχηματισμός σφαιρικών σταγονιδίων συμβαίνει επίσης λόγω των δυνάμεων που έλκουν τα μόρια της επιφάνειας του υγρού προς τα μέσα. Φανταστείτε μια σταγόνα, όπως τη σχεδιάζουν συχνά τα παιδιά - το σχήμα της δεν είναι καθόλου σφαιρικό, αλλά επιμήκη, επίμηκες στο πάνω μέρος και στρογγυλεμένο στο κάτω μέρος. Η πιο συνηθισμένη εικόνα μιας σταγόνας έχει αυτό το σχήμα γιατί τις περισσότερες φορές βλέπουμε τέτοιες σταγόνες όταν δρουν πάνω τους διάφορες δυνάμεις. Για παράδειγμα, έτσι φαίνονται οι σταγόνες που κυλούν στην επιφάνεια των φύλλων και των κλαδιών του δέντρου και μετά ρέουν προς τα κάτω.
Όταν μια σταγόνα δεν είναι ακόμη γυαλισμένη από την επιφάνεια στην οποία βρίσκεται, πολλές δυνάμεις ενεργούν πάνω της, συμπεριλαμβανομένης της δύναμης έλξης. Το νερό αλλάζει εύκολα σχήμα, και μια σταγόνα, πριν πέσει κάτω, τεντώνεται και αντιπροσωπεύει κρεμαστή σταγόνα. Είμαστε εξοικειωμένοι με αυτό το σχήμα, καθώς τέτοιες σταγόνες, σε αντίθεση με τις σφαιρικές, κινούνται μάλλον αργά και είναι εύκολα ορατές.
Καθώς η σταγόνα τεντώνεται, φτάνει σε ένα σημείο μέγιστης έκτασης, μετά από το οποίο οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης δεν μπορούν πλέον να συγκρατήσουν τα μόρια σταγόνας μαζί. Η σταγόνα διασπάται από άλλα μόρια νερού και πέφτει κάτω. Καθώς πετά προς τα κάτω, η επίδραση των γύρω δυνάμεων σε αυτό μειώνεται και λόγω της επιφανειακής τάσης, το σχήμα του γίνεται σφαιρικό, όπως συζητήσαμε παραπάνω.
Όπως μπορείτε να δείτε στη φωτογραφία μιας σταγόνας καφέ που πέφτει σε ένα φλιτζάνι από μια μηχανή καφέ εσπρέσο, το σχήμα αυτής της σταγόνας είναι πολύ κοντά στο σφαιρικό, αν και παραμορφώνεται ελαφρώς από τη δύναμη της βαρύτητας που ασκεί πάνω της.
Για να κατανοήσουμε τον μηχανισμό πίσω από το σχηματισμό μιας σφαιρικής σταγόνας, μπορούμε επίσης να εξετάσουμε την επιφανειακή τάση από την άποψη της ενέργειας, όπως στον ορισμό αυτού του φαινομένου παραπάνω. Τα σωματίδια έλκονται από άλλα σωματίδια με αντίθετα φορτία, επομένως μπορούμε να πούμε ότι αυτά τα σωματίδια έχουν μια δυναμική ενέργεια που εξαρτάται από το πώς αυτά τα μόρια αλληλεπιδρούν με τα γύρω μόρια. Τα μόρια στην επιφάνεια ενός υγρού δεν περιβάλλονται από άλλα μόρια στην πλευρά της επιφάνειας, επομένως η δυναμική τους ενέργεια είναι μεγαλύτερη. Ένα τέτοιο σύστημα τείνει να μειώνει τη δυνητική ενέργεια, σύμφωνα με αρχή της ελάχιστης δυναμικής ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι τα μόρια με υψηλότερη δυναμική ενέργεια τείνουν να τη μειώνουν, για παράδειγμα, αλλάζοντας το σχήμα τους. Στην περίπτωσή μας, αυτό επιτυγχάνεται αλλάζοντας τη μορφή που παίρνει το νερό.
Με σταθερή επιφανειακή τάση, η δυναμική ενέργεια μπορεί να μειωθεί μειώνοντας την περιοχή. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι μιλάμε για την περιοχή μεταξύ των μορίων. Έχοντας εξετάσει τους τύπους για τον υπολογισμό του εμβαδού των διαφόρων γεωμετρικών σχημάτων, σημειώνουμε ότι η μπάλα είναι η καταλληλότερη για να μειώσει την περιοχή μεταξύ των μορίων, δηλαδή αυτή η περιοχή για μόρια στην εξωτερική επιφάνεια της μπάλας είναι ελάχιστη σε σύγκριση με άλλες γεωμετρικές σχήματα. Αυτή η σχέση μπορεί να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας Εξίσωση Euler-Lagrange.
Αλλαγή στην επιφανειακή τάση με μεταβολή της θερμοκρασίας και της χημικής σύστασης μιας ουσίας
Πρέπει να σημειωθεί ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, η επιφανειακή τάση μειώνεται. Αυτό συμβαίνει γιατί όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, τα μόρια γίνονται πιο ενεργά και η ένταση των δονήσεων τους αυξάνεται. Ως αποτέλεσμα, η απόσταση μεταξύ των μορίων αυξάνεται και οι δεσμοί μεταξύ των μορίων εξασθενούν. Ορισμένες ουσίες που προστίθενται στο νερό, όπως το σαπούνι, μειώνουν επίσης την επιφανειακή τάση και αυτό επιτρέπει στο νερό να προσκολλάται καλύτερα σε άλλες επιφάνειες.
Η μειωμένη επιφανειακή τάση επιτρέπει στο νερό να διεισδύσει στους πόρους και στις δυσπρόσιτες τρύπες, όπως μεταξύ των ινών του υφάσματος. Αυτό είναι δυνατό λόγω του γεγονότος ότι τα μόρια του νερού διαχωρίζονται εύκολα μεταξύ τους σε χαμηλή επιφανειακή τάση. Γι' αυτό τα υφάσματα, τα πιάτα και άλλα αντικείμενα και επιφάνειες πλένονται συχνότερα με ζεστό νερό. Τα απορρυπαντικά έχουν την ίδια επίδραση στη μείωση της επιφανειακής τάσης με τη θέρμανση, επομένως χρησιμοποιούνται συχνά και για τον καθαρισμό επιφανειών, συχνά σε συνδυασμό με ζεστό νερό.
Επιφανειακή τάση στα τριχοειδή αγγεία
Παραπάνω, εξετάσαμε το σχηματισμό μηνίσκου λόγω πρόσφυσης, αλλά αυτό δεν είναι το μόνο παράδειγμα του πώς συμπεριφέρονται τα υγρά σε στενούς σωλήνες και τριχοειδή αγγεία. Τα υγρά ανεβαίνουν στο τριχοειδές ή το σωλήνα λόγω προσκόλλησης, αλλά για να ανέβει το υγρό μέσα από το σωλήνα ως σύνολο χωρίς να διασπάται, απαιτείται επίσης συνοχή εκτός από την πρόσφυση. Όσο στενότερο είναι το τριχοειδές, τόσο πιο ψηλά μπορεί να ανέβει το υγρό, αφού σε έναν ευρύτερο σωλήνα μπορεί να μην υπάρχει αρκετή επιφανειακή τάση για να ανυψωθεί μεγάλη ποσότητα νερού.
Παραδείγματα αυτού του φαινομένου στα τριχοειδή αγγεία είναι οι χαρτοπετσέτες, οι οποίες απορροφούν το χυμένο υγρό, ΑΘΛΗΤΙΚΑ ΡΟΥΧΑαπό ύφασμα που απορροφά τον ιδρώτα και ρίζες που απορροφούν νερό από το έδαφος και το μετακινούν κατά μήκος του κορμού, σε κλαδιά και φύλλα. Αξίζει να σημειωθεί ότι μια τέτοια κίνηση υγρού μπορεί να προκληθεί όχι μόνο από επιφανειακή τάση, αλλά και από όσμωση. Ένα ενδιαφέρον φαινόμενο στους ινδουιστικούς ναούς γνωστό ως θαύμα γάλακτοςεξηγείται επίσης από το έργο των τριχοειδών αγγείων. Το θαύμα του γάλακτος ήταν το εξής. Οι επισκέπτες ενός από τους ινδουιστικούς ναούς στην Ινδία παρατήρησαν ότι τα αγάλματα των θεών στο έδαφος του ναού «έπιναν» γάλα, το οποίο οι πιστοί άφησαν σε πιάτα μπροστά τους. Αυτό το φαινόμενο έχει παρατηρηθεί σε κάποιους άλλους ναούς στην Ινδία καθώς και εκτός της χώρας. Οι επιστήμονες εξηγούν αυτό το φαινόμενο με το έργο των τριχοειδών αγγείων: η πέτρα από την οποία ήταν σκαλισμένα τα αγάλματα ήταν πορώδης και το γάλα ανέβαινε μέσα από τα τριχοειδή αγγεία μέσα στα αγάλματα.
Όπως φαίνεται από αυτά τα παραδείγματα, χωρίς επιφανειακή τάση δεν θα υπήρχαν φαινόμενα κίνησης υγρών μέσω τριχοειδών αγγείων. Το υγρό μπορεί να κολλήσει στα τοιχώματα του δοχείου εάν η πρόσφυση μεταξύ του υγρού και του υλικού του δοχείου είναι υψηλή, αλλά χωρίς επιφανειακή τάση, δεν μπορεί να ερπυσθεί, καθώς δεν μπορεί να κινηθεί ως σύνολο.
Αντικείμενα που επιπλέουν στην επιφάνεια ενός υγρού
Αντικείμενα που δεν βρέχονται σε υγρό και έχουν πυκνότητα μεγαλύτερη από την πυκνότητα του νερού μπορούν να επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού λόγω της ισορροπίας μεταξύ των δυνάμεων που δημιουργούν επιφανειακή τάση και των δυνάμεων που τραβούν το σώμα προς τα κάτω, όπως το σώμα βάρος. Εδώ μιλάμε μόνο για σώματα από αδιάβροχα υλικά. Εάν το νερό διεισδύσει στο υλικό ή κολλήσει στο κέλυφος, τότε η εικόνα γίνεται πολύ πιο περίπλοκη. Αυτή η ιδιότητα του σώματος να παραμένει στην επιφάνεια αποδεικνύεται εύκολα με το παράδειγμα ενός συνδετήρα ή μιας βελόνας που επιπλέει στην επιφάνεια του νερού. Κατεβάστε προσεκτικά τον συνδετήρα μέσα στο νερό, προσπαθώντας να μην ασκήσετε δύναμη, μια μεγάλη δύναμη επιφανειακής τάσης. Για να μειώσετε την ποσότητα του νερού που κολλάει στην επιφάνεια του συνδετήρα και τον κάνει να βυθίζεται κάτω από το νερό, καλύψτε τον συνδετήρα με λάδι. Αν βάλουμε τον συνδετήρα στο νερό αρκετά απαλά, θα μείνει στην επιφάνεια του νερού.
Το σχήμα των σταγονιδίων που κολλάνε σε μια σκληρή επιφάνεια
Στα παραδείγματα που περιγράφηκαν προηγουμένως, είδαμε ότι τα σταγονίδια του νερού τείνουν να γίνονται σφαιρικά για να μειώσουν τη δυναμική ενέργεια στο σύστημα. Μερικές φορές είναι αδύνατο να επιτευχθεί το σχήμα μιας μπάλας, έτσι οι σταγόνες παίρνουν ένα σχήμα που είναι πιο κοντά σε αυτήν. Εάν μια σταγόνα νερού πέσει σε μια στερεή επιφάνεια και κολλήσει πάνω της, τότε το κάτω μέρος της σταγόνας, που είναι σε επαφή με αυτήν την επιφάνεια, θα πάρει τη μορφή αυτής της επιφάνειας, για παράδειγμα, θα γίνει επίπεδο. Αυτό συμβαίνει επειδή η δύναμη της έλξης τραβά την σταγόνα προς την επιφάνεια. Η επιφάνεια της σταγόνας, η οποία έρχεται σε επαφή μόνο με τον αέρα, θα είναι, αντίθετα, κοντά στο σχήμα μιας μπάλας. Ως αποτέλεσμα, οι σταγόνες σε επίπεδες επιφάνειες, όπως σε σεντόνι ή σε γυαλί, αποκτούν σχήμα ημισφαιρίου.
Όταν οι σταγόνες πέφτουν σε μια συμπαγή επιφάνεια, παίρνουν ένα σχήμα που επιτρέπει τη μείωση της επιφάνειας και παραμένουν σε αυτό το σχήμα μέχρι να διαταραχθεί τόσο η ισορροπία μεταξύ των δυνάμεων που η επιφανειακή τάση δεν μπορεί πλέον να συγκρατήσει την πτώση στην επιφάνεια σε αυτό το σχήμα. Για παράδειγμα, οι σταγόνες δροσιάς παραμένουν στο ύφασμα της σκηνής μέχρι να έρθουν σε επαφή με άλλη επιφάνεια. Όταν σχηματιστούν οι σταγόνες εξωτερικά, αν αγγίξετε το ύφασμα της σκηνής από μέσα και αφαιρέσετε το χέρι σας, η επιφανειακή τάση θα σπάσει τόσο πολύ που οι σταγόνες θα εισχωρήσουν στο ύφασμα της σκηνής και το νερό θα παραμείνει στα δάχτυλά σας .
Ένα ενδιαφέρον φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί όταν ένα αλκοολούχο ποτό, όπως το κρασί, χύνεται σε ένα ποτήρι, ειδικά όταν πρόκειται για κρασί με υψηλή περιεκτικότητα σε αλκοόλ. Στα τοιχώματα αυτού του ποτηριού σχηματίζονται σταγόνες νερού, γνωστά ως "δάκρυα του κρασιού".
Αυτό το φαινόμενο προκαλείται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της διαφοράς στην επιφανειακή τάση μεταξύ αιθανόλης και νερού. Όπως αναφέραμε παραπάνω, η επιφανειακή τάση του νερού είναι υψηλή σε σύγκριση με άλλα υγρά. Είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από την επιφανειακή τάση της αιθυλικής αλκοόλης. Σε μείγματα νερού και αλκοόλης, όπως, για παράδειγμα, στο κρασί, τα μόρια του νερού έλκονται μεταξύ τους περισσότερο παρά από τα μόρια αλκοόλης. Εξαιτίας αυτού, το νερό «φεύγει» από τα μόρια του αλκοόλ, μέχρι τα τοιχώματα του ποτηριού. Με άλλα λόγια, το νερό κινείται από τα μόρια της αιθανόλης προς τα μόρια του νερού.
Φυσικά, υπάρχει αιθανόλη στο κρασί σε ένα ποτήρι, αλλά δεν βρίσκεται στην επιφάνεια του ποτηριού πάνω από το επίπεδο του κρασιού, οπότε το νερό κινείται με ακρίβεια πάνω στα τοιχώματα του ποτηριού. Ταυτόχρονα, σταγόνες παρόμοιες με τα δάκρυα σχηματίζονται στους τοίχους πάνω από το επίπεδο του κρασιού. Εξ ου και το όνομα αυτού του φαινομένου.
Όσο περισσότερο νερό μαζεύεται σε μια σταγόνα και όσο πιο ψηλά ανεβαίνει, τόσο πιο δύσκολο είναι να μείνει στο ποτήρι μόνο λόγω επιφανειακής τάσης. Τελικά, η σταγόνα ρέει πίσω στο ποτήρι. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα του κρασιού σε αλκοόλ, τόσο πιο έντονο είναι αυτό το αποτέλεσμα.
Επιφανειακή τάση στην ιατρική διαγνωστική
Οι γιατροί χρησιμοποιούν πληροφορίες σχετικά με την επιφανειακή τάση μιας ουσίας για να προσδιορίσουν την περιεκτικότητά της σε ένα μείγμα. Για παράδειγμα, ορισμένες μορφές ίκτερου χαρακτηρίζονται από υψηλή περιεκτικότητα σε χολικά άλατα στα ούρα. Η παρουσία αυτών των αλάτων μειώνει την επιφανειακή τάση των ούρων και επομένως η περιεκτικότητά τους μπορεί να προσδιοριστεί ελέγχοντας εάν μια συγκεκριμένη ουσία επιπλέει ή βυθίζεται στα ούρα, στην περίπτωσή μας σκόνη θείου. Δεν βυθίζεται στα ούρα ενός υγιούς ασθενούς, αλλά αν υπάρχει πρόσμιξη χολικών αλάτων σε αυτό, τότε η επιφανειακή τάση δεν είναι αρκετή και η σκόνη θείου βυθίζεται. Αυτό το τεστ ονομάζεται Το τεστ του Hay.
Στη φύση
Μέτρηση επιφανειακής τάσης
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να βρείτε την επιφανειακή τάση χρησιμοποιώντας διάφορους όργανα μέτρησης. Παρακάτω εξετάζουμε αρκετά γνωστά συστήματα μέτρησης.
Σε συσκευές του πρώτου τύπου, μετράται η δύναμη που ασκείται στη συσκευή μέτρησης ως αποτέλεσμα επιφανειακής τάσης. Όταν μετράται με τη μέθοδο αποκοπής δακτυλίου du Nouyκαι μέθοδος du Nuy-Padeyεκτιμάται η δύναμη που απαιτείται για την ανύψωση του δακτυλίου ή της βελόνας από την επιφάνεια του υγρού, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, η δύναμη που ασκείται σε έναν δακτύλιο ή τη βελόνα λόγω επιφανειακής τάσης όταν το σηκώνουμε από την επιφάνεια ενός υγρού είναι ίση σε μέγεθος με τη δύναμη που απαιτείται για την ανύψωση αυτών των αντικειμένων από την επιφάνεια του νερού. Δηλαδή, μετρώντας τη δύναμη που χρειάζεται για την ανύψωση αυτών των αντικειμένων, παίρνουμε και την ποσότητα δύναμης που τα εμποδίζει να σηκωθούν.
Μέθοδος Wilhelmyμετρά τη δύναμη που δρα σε μια μεταλλική πλάκα βυθισμένη σε υγρό του οποίου μετράται η επιφανειακή τάση. Το υγρό προσκολλάται σε μια πλάκα, έναν δακτύλιο ή μια βελόνα (όπως στις προηγούμενες μεθόδους μέτρησης) και η επιφανειακή τάση συγκρατεί τα μόρια του υγρού που προσκολλώνται στην επιφάνεια, καθώς και τα υπόλοιπα μόρια, μαζί ως σύνολο. Δηλαδή το υγρό «δεν αφήνει» το πιάτο, το δαχτυλίδι ή τη βελόνα. Το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται η πλάκα είναι γνωστό, καθώς και πόσο ισχυρά προσκολλάται το νερό σε αυτό το υλικό, και αυτό λαμβάνεται υπόψη κατά τον υπολογισμό της δύναμης.
Η επιφανειακή τάση μπορεί επίσης να βρεθεί χρησιμοποιώντας το βάρος των σταγονιδίων νερού που πέφτουν από έναν κατακόρυφο σωλήνα ή τριχοειδές. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται σταλαγμομετρικάκαι η συσκευή που μετρά την επιφανειακή τάση είναι ένα σταλαγμόμετρο. Η επιφανειακή τάση ενός υγρού μπορεί εύκολα να υπολογιστεί από το βάρος μιας σταγόνας, αφού το βάρος και η επιφανειακή τάση σχετίζονται. Εάν η διάμετρος του σωλήνα είναι γνωστή, τότε το βάρος μιας σταγόνας μπορεί να προσδιοριστεί από τον αριθμό των σταγόνων σε μια ορισμένη ποσότητα υγρού.
Μέθοδος προσδιορισμού με το σχήμα μιας κρεμαστής σταγόναςπαρόμοιο με το προηγούμενο στο ότι χρησιμοποιεί επίσης μια σταγόνα για τον προσδιορισμό της δύναμης επιφανειακής τάσης. Σε αυτή την περίπτωση, μετριέται πόσο μπορεί να επιμηκυνθεί η σταγόνα πριν αποχωριστεί από το υπόλοιπο υγρό και πέσει κάτω.
Υπάρχουν επίσης συσκευές μέτρησης που περιστρέφουν υγρό και αέριο (για συστήματα υγραερίου) έως ότου το σύστημα φτάσει σε ισορροπία και το σχήμα της ουσίας γίνει σταθερό. Σε αυτή την περίπτωση, η επιφανειακή τάση καθορίζεται από το σχήμα μιας ουσίας με μικρότερη πυκνότητα. Αυτή η μέθοδος μέτρησης της επιφανειακής τάσης ονομάζεται μέθοδος περιστρεφόμενης πτώσης.
Δυσκολεύεστε να μεταφράσετε μονάδες μέτρησης από τη μια γλώσσα στην άλλη; Οι συνάδελφοι είναι έτοιμοι να σας βοηθήσουν. Δημοσιεύστε μια ερώτηση στο TCTermsκαι μέσα σε λίγα λεπτά θα λάβετε απάντηση.
Σε αυτό το μάθημα, θα μιλήσουμε για τα υγρά και τις ιδιότητές τους. Από τη σκοπιά της σύγχρονης φυσικής, τα υγρά είναι το πιο δύσκολο αντικείμενο έρευνας, γιατί, σε σύγκριση με τα αέρια, δεν είναι πλέον δυνατό να μιλάμε για αμελητέα μικρή ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων και σε σύγκριση με στερεά σώματαδεν μπορεί κανείς να μιλήσει για μια διατεταγμένη διάταξη υγρών μορίων (δεν υπάρχει σειρά μεγάλης εμβέλειας σε ένα υγρό). Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι τα υγρά έχουν μια σειρά από ενδιαφέρουσες ιδιότητες και τις εκδηλώσεις τους. Μια τέτοια ιδιότητα θα συζητηθεί σε αυτό το μάθημα.
Αρχικά, ας συζητήσουμε τις ειδικές ιδιότητες που έχουν τα μόρια της εγγύς επιφανειακής στιβάδας ενός υγρού σε σύγκριση με τα μόρια του όγκου.
Ρύζι. 1. Η διαφορά μεταξύ των μορίων του σχεδόν επιφανειακού στρώματος και των μορίων στο μεγαλύτερο μέρος του υγρού
Θεωρήστε δύο μόρια Α και Β. Το μόριο Α βρίσκεται μέσα στο υγρό, το μόριο Β βρίσκεται στην επιφάνειά του (Εικ. 1). Το μόριο Α περιβάλλεται από άλλα υγρά μόρια ομοιόμορφα, επομένως οι δυνάμεις που δρουν στο μόριο Α από μόρια που εμπίπτουν στη σφαίρα της διαμοριακής αλληλεπίδρασης αντισταθμίζονται ή το αποτέλεσμα τους είναι μηδέν.
Τι συμβαίνει με το μόριο Β, που βρίσκεται στην επιφάνεια του υγρού; Θυμηθείτε ότι η συγκέντρωση των μορίων αερίου που είναι πάνω από το υγρό είναι πολύ μικρότερη από τη συγκέντρωση των μορίων του υγρού. Το μόριο Β περιβάλλεται από τη μία πλευρά από υγρά μόρια και από την άλλη πλευρά από μόρια αερίου εξαιρετικά σπάνιας. Δεδομένου ότι πολλά περισσότερα μόρια δρουν σε αυτό από την πλευρά του υγρού, το αποτέλεσμα όλων των διαμοριακών δυνάμεων θα κατευθυνθεί μέσα στο υγρό.
Έτσι, για να φτάσει ένα μόριο από το βάθος του υγρού στο επιφανειακό στρώμα, είναι απαραίτητο να εκτελέσει εργασία ενάντια σε μη αντιρροπούμενες διαμοριακές δυνάμεις.
Θυμηθείτε ότι η εργασία είναι η αλλαγή της δυνητικής ενέργειας, που λαμβάνεται με το πρόσημο μείον.
Αυτό σημαίνει ότι τα μόρια του στρώματος κοντά στην επιφάνεια, σε σύγκριση με τα μόρια μέσα στο υγρό, έχουν περίσσεια δυναμικής ενέργειας.
Αυτή η περίσσεια ενέργειας είναι συστατικό της εσωτερικής ενέργειας του ρευστού και ονομάζεται επιφανειακή ενέργεια. Χαρακτηρίζεται ως και μετριέται, όπως κάθε άλλη ενέργεια, σε τζάουλ.
Προφανώς, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του υγρού, τόσο περισσότερα τέτοια μόρια έχουν περίσσεια δυναμικής ενέργειας και επομένως τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή ενέργεια. Αυτό το γεγονός μπορεί να γραφτεί ως η ακόλουθη σχέση:
,
όπου είναι το εμβαδόν της επιφάνειας, και είναι ο παράγοντας αναλογικότητας, που θα ονομάσουμε επιφανειακή τάση, αυτός ο συντελεστής χαρακτηρίζει το ένα ή το άλλο υγρό. Ας γράψουμε έναν αυστηρό ορισμό αυτής της ποσότητας.
Η επιφανειακή τάση ενός υγρού (συντελεστής επιφανειακής τάσης ενός υγρού) είναι μια φυσική ποσότητα που χαρακτηρίζει ένα δεδομένο υγρό και είναι ίση με την αναλογία της επιφανειακής ενέργειας προς την επιφάνεια του υγρού
Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης μετριέται σε Newton διαιρούμενο με ένα μέτρο.
Ας συζητήσουμε από τι εξαρτάται ο συντελεστής επιφανειακής τάσης ενός υγρού. Αρχικά, ας θυμηθούμε ότι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης χαρακτηρίζει την ειδική ενέργεια της αλληλεπίδρασης των μορίων, πράγμα που σημαίνει ότι οι παράγοντες που αλλάζουν αυτή την ενέργεια θα αλλάξουν και τον συντελεστή επιφανειακής τάσης του υγρού.
Έτσι, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από:
1. Η φύση του υγρού (για «πτητικά» υγρά, όπως αιθέρας, αλκοόλη και βενζίνη, η επιφανειακή τάση είναι μικρότερη από αυτή του «μη πτητικού» - νερό, υδράργυρος και υγρά μέταλλα).
2. Θερμοκρασία (όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μικρότερη είναι η επιφανειακή τάση).
3. Παρουσία επιφανειακά δραστικές ουσίες, μειώνοντας την επιφανειακή τάση (τασιενεργό), όπως σαπούνι ή σκόνη πλυσίματος.
4. Ιδιότητες αερίου που γειτνιάζει με υγρό.
Σημειώστε ότι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης δεν εξαρτάται από το εμβαδόν της επιφάνειας, καθώς για ένα μεμονωμένο μόριο κοντά στην επιφάνεια είναι απολύτως ασήμαντο πόσα από τα ίδια μόρια υπάρχουν γύρω. Δώστε προσοχή στον πίνακα, ο οποίος δείχνει τους συντελεστές επιφανειακής τάσης διαφόρων ουσιών, σε θερμοκρασία:
Πίνακας 1. Συντελεστές επιφανειακής τάσης υγρών στο όριο με αέρα, στο
Έτσι, τα μόρια του στρώματος κοντά στην επιφάνεια έχουν περίσσεια δυναμικής ενέργειας σε σύγκριση με τα μόρια στον κύριο όγκο του υγρού. Στο μάθημα της μηχανικής, αποδείχθηκε ότι οποιοδήποτε σύστημα τείνει σε μια ελάχιστη δυναμική ενέργεια. Για παράδειγμα, ένα σώμα που ρίχνεται από ένα ορισμένο ύψος θα έχει την τάση να πέσει κάτω. Επιπλέον, νιώθετε πολύ πιο άνετα όταν ξαπλώνετε, γιατί σε αυτή την περίπτωση το κέντρο μάζας του σώματός σας βρίσκεται όσο πιο χαμηλά γίνεται. Σε τι οδηγεί η επιθυμία να μειώσει τη δυνητική του ενέργεια στην περίπτωση ενός υγρού; Δεδομένου ότι η επιφανειακή ενέργεια εξαρτάται από την επιφάνεια, σημαίνει ότι είναι ενεργειακά δυσμενές για οποιοδήποτε υγρό να έχει μεγάλη επιφάνεια. Με άλλα λόγια, στην ελεύθερη κατάσταση, το υγρό θα τείνει να ελαχιστοποιεί την επιφάνειά του.
Αυτό είναι εύκολο να επαληθευτεί πειραματίζοντας με μια μεμβράνη σαπουνιού. Εάν ένα συρμάτινο πλαίσιο βυθιστεί σε ένα διάλυμα σαπουνιού, τότε σχηματίζεται μια μεμβράνη σαπουνιού πάνω του και η μεμβράνη αποκτά τέτοιο σχήμα ώστε η επιφάνεια της να είναι ελάχιστη (Εικ. 2).
Ρύζι. 2. Σχήματα από διάλυμα σαπουνιού
Μπορείτε να επαληθεύσετε την ύπαρξη δυνάμεων επιφανειακής τάσης χρησιμοποιώντας ένα απλό πείραμα. Εάν ένα νήμα είναι δεμένο στο συρμάτινο δακτύλιο σε δύο σημεία, και με τέτοιο τρόπο ώστε το μήκος του νήματος να είναι κάπως μεγαλύτερο από το μήκος της χορδής που συνδέει τα σημεία σύνδεσης του νήματος, και ο συρμάτινος δακτύλιος βυθίζεται σε σαπούνι διάλυμα (Εικ. 3α), η μεμβράνη σαπουνιού θα σφίξει ολόκληρη την επιφάνεια του δακτυλίου και το νήμα θα απλωθεί σε μεμβράνη σαπουνιού. Εάν τώρα η μεμβράνη σπάσει στη μία πλευρά του νήματος, η μεμβράνη σαπουνιού που παραμένει στην άλλη πλευρά του νήματος θα συρρικνωθεί και θα τεντώσει το νήμα (Εικ. 3β).
Ρύζι. 3. Πειραματιστείτε για να ανιχνεύσετε δυνάμεις επιφανειακής τάσης
Γιατί συνέβη αυτό; Το γεγονός είναι ότι το διάλυμα σαπουνιού που παραμένει στην κορυφή, δηλαδή το υγρό, τείνει να μειώνει την επιφάνεια του. Έτσι, το νήμα τραβιέται προς τα πάνω.
Έτσι, είμαστε πεπεισμένοι για την ύπαρξη της δύναμης επιφανειακής τάσης. Τώρα ας μάθουμε πώς να το υπολογίσουμε. Για να γίνει αυτό, ας κάνουμε ένα πείραμα σκέψης. Ας χαμηλώσουμε ένα συρμάτινο πλαίσιο, του οποίου η μία πλευρά είναι κινητή, μέσα στο διάλυμα σαπουνιού (Εικ. 4). Θα τεντώσουμε τη μεμβράνη σαπουνιού, ενεργώντας στην κινητή πλευρά του πλαισίου με δύναμη. Υπάρχουν λοιπόν τρεις δυνάμεις που δρουν στην εγκάρσια ράβδο - μια εξωτερική δύναμη και δύο δυνάμεις επιφανειακής τάσης που δρουν κατά μήκος κάθε επιφάνειας του φιλμ. Χρησιμοποιώντας τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, μπορούμε να το γράψουμε
Ρύζι. 4. Υπολογισμός της δύναμης επιφανειακής τάσης
Εάν, υπό τη δράση μιας εξωτερικής δύναμης, η εγκάρσια ράβδος μετακινηθεί σε απόσταση, τότε αυτή η εξωτερική δύναμη θα λειτουργήσει
Φυσικά, λόγω της απόδοσης αυτής της εργασίας, η επιφάνεια της μεμβράνης θα αυξηθεί, πράγμα που σημαίνει ότι θα αυξηθεί και η επιφανειακή ενέργεια, την οποία μπορούμε να προσδιορίσουμε μέσω του συντελεστή επιφανειακής τάσης:
Η αλλαγή στην περιοχή, με τη σειρά της, μπορεί να προσδιοριστεί ως εξής:
όπου είναι το μήκος του κινητού τμήματος του συρμάτινου πλαισίου. Με δεδομένο αυτό, μπορούμε να γράψουμε ότι το έργο της εξωτερικής δύναμης είναι ίσο με
Εξισώνοντας τα σωστά μέρη στα (*) και (**), λαμβάνουμε μια έκφραση για τη δύναμη επιφανειακής τάσης:
Έτσι, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης είναι αριθμητικά ίσος με τη δύναμη επιφανειακής τάσης που δρα ανά μονάδα μήκους της γραμμής που οριοθετεί την επιφάνεια
Έτσι, είδαμε για άλλη μια φορά ότι το υγρό τείνει να πάρει τέτοιο σχήμα που η επιφάνειά του είναι ελάχιστη. Μπορεί να αποδειχθεί ότι για έναν δεδομένο όγκο, η επιφάνεια θα είναι ελάχιστη για μια σφαίρα. Έτσι, εάν δεν δράσουν άλλες δυνάμεις στο ρευστό ή η δράση τους είναι μικρή, το ρευστό θα τείνει να πάρει ένα σφαιρικό σχήμα. Έτσι, για παράδειγμα, το νερό θα συμπεριφέρεται χωρίς βαρύτητα (Εικ. 5) ή οι σαπουνόφουσκες (Εικ. 6).
Ρύζι. 5. Νερό σε μηδενική βαρύτητα
Ρύζι. 6. Σαπουνόφουσκες
Η παρουσία δυνάμεων επιφανειακής τάσης μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί μια μεταλλική βελόνα «κείται» στην επιφάνεια του νερού (Εικ. 7). Η βελόνα, που τοποθετείται προσεκτικά στην επιφάνεια, την παραμορφώνει, αυξάνοντας έτσι την περιοχή αυτής της επιφάνειας. Έτσι, προκύπτει μια δύναμη επιφανειακής τάσης, η οποία τείνει να μειώσει μια τέτοια αλλαγή στην περιοχή. Η προκύπτουσα δύναμη της επιφανειακής τάσης θα κατευθυνθεί προς τα πάνω και θα αντισταθμίσει τη δύναμη της βαρύτητας.
Ρύζι. 7. Βελόνα στην επιφάνεια του νερού
Η αρχή λειτουργίας της πιπέτας μπορεί να εξηγηθεί με τον ίδιο τρόπο. Το σταγονίδιο, πάνω στο οποίο δρα η δύναμη της βαρύτητας, έλκεται προς τα κάτω, αυξάνοντας έτσι την επιφάνειά του. Φυσικά, προκύπτουν δυνάμεις επιφανειακής τάσης, το αποτέλεσμα των οποίων είναι αντίθετο από την κατεύθυνση της βαρύτητας και οι οποίες δεν επιτρέπουν στο σταγονίδιο να τεντωθεί (Εικ. 8). Όταν πιέζετε προς τα κάτω το ελαστικό καπάκι της πιπέτας, δημιουργείτε επιπλέον πίεση που βοηθά στη βαρύτητα και ως αποτέλεσμα η σταγόνα πέφτει κάτω.
Ρύζι. 8. Πώς λειτουργεί η πιπέτα
Ας πάρουμε ένα άλλο παράδειγμα από την καθημερινότητα. Αν βουτήξετε ένα πινέλο σε ένα ποτήρι νερό, οι τρίχες του θα αφρατέψουν. Αν τώρα βγάλετε αυτό το πινέλο από το νερό, θα παρατηρήσετε ότι όλες οι τρίχες είναι κολλημένες μεταξύ τους. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επιφάνεια του νερού που προσκολλάται στη βούρτσα θα είναι τότε ελάχιστη.
Και ένα ακόμη παράδειγμα. Αν θέλετε να φτιάξετε ένα κάστρο με ξηρή άμμο, είναι απίθανο να τα καταφέρετε, αφού η άμμος θα θρυμματιστεί υπό την επίδραση της βαρύτητας. Ωστόσο, εάν βρέξετε την άμμο, θα διατηρήσει το σχήμα της λόγω της επιφανειακής τάσης του νερού μεταξύ των κόκκων άμμου.
Τέλος, σημειώνουμε ότι η θεωρία της επιφανειακής τάσης βοηθά στην εύρεση όμορφων και απλών αναλογιών κατά την επίλυση πιο περίπλοκων φυσικών προβλημάτων. Για παράδειγμα, όταν χρειάζεται να φτιάξετε μια ελαφριά και ταυτόχρονα ισχυρή δομή, η φυσική του τι συμβαίνει στις σαπουνόφουσκες έρχεται στη διάσωση. Και ήταν δυνατό να κατασκευαστεί το πρώτο επαρκές μοντέλο του ατομικού πυρήνα παρομοιάζοντας αυτόν τον ατομικό πυρήνα με μια σταγόνα φορτισμένου υγρού.
Βιβλιογραφία
- G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. «Φυσική 10». - Μ.: Εκπαίδευση, 2008.
- Ya. E. Geguzin "Bubbles", Βιβλιοθήκη Kvant. - Μ.: Nauka, 1985.
- B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky "Fundamentals of Physics" τ. 1.
- G. S. Landsberg «Στοιχείο στοιχειώδους φυσικής» τ. 1.
- Nkj.ru ().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
Εργασία για το σπίτι
- Επιλύοντας τις εργασίες για αυτό το μάθημα, θα μπορείτε να προετοιμαστείτε για τις ερωτήσεις 7,8,9 του GIA και τις ερωτήσεις A8, A9, A10 της Ενιαίας Κρατικής Εξέτασης.
- Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Η φυσικη. Συλλογή προβλημάτων βαθμού 10 "5,34, 5,43, 5,44, 5,47 ()
- Με βάση το πρόβλημα 5.47, προσδιορίστε τον συντελεστή επιφανειακής τάσης του διαλύματος νερού και σαπουνιού.
Λίστα ερωτήσεων και απαντήσεων
Ερώτηση:Γιατί αλλάζει η επιφανειακή τάση με τη θερμοκρασία;
Απάντηση:Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, τα μόρια του υγρού αρχίζουν να κινούνται πιο γρήγορα, και ως εκ τούτου, τα μόρια ξεπερνούν ευκολότερα τις δυνάμει δυνάμεις έλξης. Αυτό οδηγεί σε μείωση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης, οι οποίες είναι δυνάμει δυνάμεις που δεσμεύουν τα μόρια του εγγύς επιφανειακού στρώματος του υγρού.
Ερώτηση:Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από την πυκνότητα του υγρού;
Απάντηση:Ναι, ναι, γιατί η ενέργεια των μορίων της εγγύς επιφανειακής στιβάδας του υγρού εξαρτάται από την πυκνότητα του υγρού.
Ερώτηση:Ποιοι είναι οι τρόποι προσδιορισμού του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού;
Απάντηση:ΣΤΟ σχολικό μάθημαμελετήστε δύο τρόπους προσδιορισμού του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού. Η πρώτη είναι η μέθοδος σχίσεως σύρματος, η αρχή της περιγράφεται στο πρόβλημα 5.44 από εργασία για το σπίτι, η δεύτερη είναι η μέθοδος μέτρησης σταγόνων που περιγράφεται στο πρόβλημα 5.47.
Ερώτηση:Γιατί οι σαπουνόφουσκες καταρρέουν μετά από λίγο;
Απάντηση:Το γεγονός είναι ότι μετά από λίγο, υπό την επίδραση της βαρύτητας, η φυσαλίδα γίνεται πιο παχιά στο κάτω μέρος παρά στην κορυφή και στη συνέχεια, υπό την επίδραση της εξάτμισης, καταρρέει σε κάποιο σημείο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ολόκληρη η φούσκα να είναι σαν μπαλόνι, καταρρέει υπό τη δράση μη αντισταθμιζόμενων δυνάμεων επιφανειακής τάσης.
