Исследовательская работа "Поверхностное натяжение воды". Поверхностное натяжение воды

18. Поверхностное натяжение

Для рассмотрения поверхностного натяжения необходимо познакомиться с ещё одной функцией состояния, формулу для которой можно вывести из первого начала термодинамики:

T dS = dU + dA.

Отсюда находится работа для изотермического процесса:

dA = – dU + T dS = – d (U – TS) = – dF,

гдеF = U  TS – функция состояния, называемая свободной энергией. Таким образом, работа при изотермическом процессе равна убыли свободной энергии (dA =  dF), аналогично тому, как работа при адиабатическом процессе равна убыли внутренней энергии (dA =  dU).

При температуре ниже критической потенциальная энергия притяжения молекул превосходит их кинетическую энергию. Силы притяжения обеспечивают удержание молекул в объёме жидкости. У жидкости образуется поверхность, которая ограничивает её объём. Поверхность жидкости соприкасается с другой средой: собственным паром или другим газом, жидкостью или твёрдым телом (в частности, со стенками сосуда). Имея различные соседние молекулы, молекула поверхностного слоя по-разному взаимодействует с ними. Сфера сил молекулярного действия имеет радиус, не превышающий несколько эффективных диаметров молекул (1 нм), так как силы взаимодействия (притяжения) с расстоянием быстро убывают.

Рассмотрим жидкость, граничащую с собственным паром или другим химически инертным газом (рис. 41). Для молекулы внутри жидкости результирующая сила притяжения к соседним молекулам в среднем равна нулю. Если молекула находится в поверхностном слое жидкости, то появляется нескомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь жидкости. В результате поверхностный слой оказывает на всю жидкость внутреннее давление.

Молекулы поверхностного слоя обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Это связано с тем, что для перехода молекулы изнутри жидкости к поверхности необходимо совершить работу по преодолению сил внутреннего давления. На величину этой работы и увеличивается потенциальная энергия молекул на поверхности. Если жидкость уменьшает свою поверхность, то жидкостью совершается положительная работа, так как молекулы перемещаются внутрь жидкости в направлении сил внутреннего давления. И наоборот, если под действием внешних сил жидкость увеличивает свою поверхность, то совершается отрицательная работа, так как молекулы перемещаются к поверхности против сил внутреннего давления (см. механику, работа равна A = f x cos ).

Если процесс увеличения поверхности происходил изотермически, то потенциальная поверхностная энергия равна с обратным знаком работе, затраченной на её образование. При изотермических процессах роль потенциальной энергии играет свободная энергия F (иногда ее еще обозначают US или ). Таким образом, справедливо соотношение dA = – dF. Очевидно, что свободная поверхностная энергия пропорциональна площади поверхности S. Поэтому можно записать:

F =  S или dA =  dF =   dS. (83)

Из формулы (83) можно дать определение коэффициенту пропорциональности , который называют коэффициентом поверхностного натяжения (или поверхностным натяжением).

[Дж/м2] – коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, которую необходимо совершить для увеличения площади поверхности на единицу при постоянной температуре.

– коэффициент поверхностного натяжениячисленно равен дополнительной свободной (потенциальной) энергии, которой обладает единица площади поверхностного слоя.

В состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия системы должна быть минимальной. Поэтому в отсутствие внешних сил жидкость принимает форму с минимальной поверхностью, т.е. форму шара. Сила тяжести мешает жидкости получить шаровую форму. В этом случае жидкость принимает форму, соответствующую минимуму суммарной потенциальной энергии (например, форму сплюснутой капли). Потенциальная энергия силы тяжести пропорциональна массе (объёму), т.е. кубу линейных размеров (м3), тогда как энергия поверхностного натяжения пропорциональна площади поверхности, т.е. квадрату линейных размеров (м2). Поэтому, чем больше объём жидкости, тем больше влияние силы тяжести и наоборот. (Например, капли росы даже в условиях земной гравитации имеют почти сферическую форму.)

Способность принимать форму шара больших объёмов жидкости можно продемонстрировать вопыте Плато (рис. 42). Растворяя соль в воде, можно довести плотность раствора до плотности анилина (1,03 г/см3). Анилин с водой не смешивается. Анилин, вес которого уравновешивается силой Архимеда, принимает форму шара. Для опыта можно взять и другие жидкости, например, растительное (оливковое) масло в водо-спиртовом растворе.

Стремление жидкости к сокращению своей поверхности приводит к появлению сил поверхностного натяжения, действующих вдоль поверхности жидкости (по касательным к поверхности).

Однако нельзя проводить прямую аналогию между поверхностью жидкости и эластичной упругой (резиновой) пленкой, поскольку имеются существенные отличия:

1) при растяжении или сжатии эластичной пленки изменяются расстояния между частицами; при изменении площади поверхности жидкости изменяется число молекул в поверхностном слое, а средние расстояния между молекулами и силы межмолекулярного взаимодействия не изменяются;

2) поверхностное натяжение жидкости не зависит от размеров свободной поверхности и стремится сократить её до нуля; натяжение упругой пленки прямо пропорционально её деформации (закон Гука) и равно нулю при определенной конечной площади поверхности пленки.

Рассмотрим простой опыт для определения численного значения коэффициента поверхностного натяжения (рис. 43). Пусть имеется проволочная рамка с мыльной пленкой и подвижной планкойАВ длиной L. Так как у мыльной пленки две поверхности, то на каждую сторону проволочного каркаса действуют по две силы поверхностного натяжения f. Силы f заставляют подвижную планку АВ перемещаться вверх. Чтобы сохранить равновесие, к планке АВ прикладывается сила Р в виде груза (сюда входит и вес самой планки). Остальные силы поверхностного натяжения уравновешиваются силами упругости жесткой рамки.

Пусть под действием силы Р планка АВ медленно (изотермически) переместилась на расстояние dx. (Если бы процесс происходил адиабатически, то при увеличении площади поверхности жидкость охлаждалась бы, а при уменьшении площади поверхности – нагревалась – за счет выделения избытка поверхностной энергии). Относительно одной поверхности жидкости можно записать, что работа, совершенная по преодолению силы поверхностного натяжения, равна: dA = – f dx.

Эту же работу можно выразить через свободную энергию и коэффициент поверхностного натяжения следующим образом:

dA = – dF = –  dS = – L dx.

Приравняем обе формулы для работы и получим: f = L.

Таким образом, можно дать еще одно определение коэффициенту поверхностного натяжения:

[H/м] – коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии контура, ограничивающего поверхность (периметра смачивания).

Поверхностное натяжение зависит от ряда параметров.

1. При увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается и обращается в нуль при критической температуре (так как исчезает сама поверхность).

2. Поверхностное натяжение сильно зависитот примесей в растворе. Принцип минимума свободной поверхностной энергии требует от жидкости не только сокращать свою поверхность, но и укомплектовывать свой поверхностный слой такими молекулами, которые уменьшают свободную поверхностную энергию (и коэффициент поверхностного натяжения). Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). Например, добавление мыла в воду уменьшает поверхностное натяжение в 1,5 раза. Другие вещества (соль, сахар) повышают поверхностное натяжение раствора. Благодаря этому подсаливание мыльного раствора выталкивает в поверхностный слой жидкости ещё больше молекул мыла, чем в пресной воде. Это используется в технологии мыловарения для выделения мыла из раствора путем его «высаливания».

3. Поверхностное натяжение зависит от окружающей среды, которая соприкасается с данной поверхностью. Нальем, например, на воду масло (рис. 44). Равнодействующая межмолекулярных сил, действующая на молекулы поверхностного слоя воды, станет меньше и уменьшается коэффициент поверхностного натяжения. Например:  (вода  воздух) = 0,073 Н/м,  (вода  эфир) = 0,012 Н/м.

ТРИЗ-задание 29. «Сильные» молекулы

Проделайте два опыта с поверхностным натяжением и убедитесь в том, что даже маленькие молекулы могут перемещать относительно большие предметы.

Опыт 1. Вспомните телевизионную рекламу любого моющего средства для посуды, от капли которого разбегается по сторонам плавающий жир на грязной тарелке. Повторите этот опыт в домашних условиях. Вместо тарелки можно взять таз (ведро) с чистой водой и положить на поверхность воды несколько спичек (рис. 45). Капните в воду несколько капель мыльного раствора или жидкого моющего средства. Убедитесь в том, что спички быстро «разбегаются» от места попадания в воду мыла.

Опыт 2. Изготовьте «реактивный» водоплавающий аппарат из спички или легкой щепки в виде стрелки с нанесенным на торец кусочком мыла (рис. 46). Если такую спичку положить на чистую воду, то мыло будет растворяться и спичка поплывет вперед. (Назовите две причины, по которым это движение прекратится.)

Теперь представьте себе, что Вы – учёный-экспериментатор и Вам надо решить исследовательскую задачу: объяснить физическое явление – движение спичек в двух этих опытах. В ТРИЗ существует «приём обращения исследовательской задачи» в изобретательскую, когда вместо вопросов «Как это происходит?» и «Как это объяснить?» следует задать вопрос «Как это можно сделать?». А поскольку физическое явление реально существует, то решение задачи должно быть получено только за счёт имеющихся в системе ресурсов. Итак, почему спички движутся? Какова физика процесса?

ТРИЗ-задание 30. «Свёртывание» лабораторной установки

Используя учебники и Интернет, рассмотрите разные методы измерения коэффициента поверхностного натяжения. Так, например, в одной из учебных лабораторных работ для измерения поверхностного натяжения методом отрыва проволочной петли используется проволочная рамка (в виде буквы «П»), которую из воды вытаскивают миллидинамометром. В ТРИЗ существует закон развёртывания-свёртывания технической системы. Используя этот закон, упростите эту измерительную лабораторную установку, а точнее – сверните установку в рабочий орган (в элемент, выполняющий основную функцию при измерении поверхностного натяжения). При этом упростится как само оборудование, так и измерительные приборы.

studfiles.net

Исследовательская работа "Поверхностное натяжение воды"

Исследовательская работа

по теме: «Поверхностное натяжение воды».

выполнил ученик 4 класса

Потехин Александр

Руководитель работы: Касьянова Лилия Николаевна.

Содержание работы

Введение ……………………………………………………………

Теоретическая часть……………………………………………….

2.1. Поверхностное натяжение воды…………………………………

3. Практическая часть ………………………………………………..

4. Выводы …………………………………………………………….

5. Список литературы ……………………………………………….

Введение

В окружающем нас мире наряду с тяготением и трением действует ещё одна сила, на которую мы мало обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой – либо жидкостью, без того, чтобы не привести в действие силу поверхностного натяжения. Нас это заинтересовало.

Тема: «Поверхностное натяжение воды».

Предмет исследования: натяжение воды.

Объект исследования: вода.

Цель работы: изучение поверхностного натяжения воды.

Задачи работы:

Изучить литературу по теме работы;
Опытным путем убедиться в поверхностном натяжении воды;
Сделать вывод о проделанной работе.

Гипотеза: предположим, что поверхностное натяжение воды существует.

Теоретическая часть

Поверхностное натяжение воды.

Роль поверхностного натяжения воды в жизни очень разнообразна. Осторожно положите иглу а поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить. В жизни мы можем встретить поверхностное натяжение в самых простых ситуациях. Например, под действием силы поверхностного натяжения капли воды превращаются на стекле в полушарие. Клоп – водомерка умело использует силу поверхностного натяжения, удерживающую его на поверхности воды.

Мы знаем, что ходить по воде в некоторых случаях можно, а вот бегать?

Можно! Чтобы в этом убедиться, достаточно посмотреть на поверхность пруда в летний день. По воде ходят, бегают множество насекомых. Они ловко скользят по поверхности. Пленка воды слегка прогибается, но не рвется. Значит, вода обладает каким – то свойством, позволяющим выдерживать всю эту живность. И название этому свойству – поверхностное натяжение.

Клоп – водомерка использует силу поверхностного натяжение, удерживающую его на поверхности воды. Он не тонет, поскольку вес клопа меньше силы поверхностного натяжения воды.

Практическая часть

Чтобы доказать, что существует поверхностное натяжение, проделаем несколько опытов.

Опыт № 1 Банка не проливай – ка.

В эксперименте я переверну банку, наполненную водой, и вода не вылилась из нее.

Реквизит: банка с водой, крышка – сетка, картон.

Подготовка: нальем в банку воды, закроем крышкой, медленно перевернем и понаблюдаем, явление не проливай – ка.

Результат: когда переворачиваю банку, то центр тяжести лежит на всей поверхности и вода не проливается.

Объяснение: стоит лишь сместить центр в какую – либо сторону, то поверхностное натяжение нарушится, и вода будет выливаться из банки.

Вывод: поверхностное натяжение воды существует.

Опыт № 2 «Трусливый перец».

В этом эксперименте я заставил двигаться перец, прикасаясь к нему.

Реквизит: 1 стакан воды, прозрачная пиала, перечница с молотым перцем, кусок мыла.

Подготовка: налил в пиалу воды, оставил ее в покое. Посыпаю перцем поверхность воды. Перца должно быть достаточно. Коснусь куском мыла поверхности воды посередине. Смотрим, что происходит.

Результат: когда я касаюсь куском мыла поверхности воды в центре, крупинки перца начинают расплываться к стенкам пиалы.

Объяснение: мыло способно разрушить поверхностное натяжение воды. Молекулы проникают между молекулам воды и снижает их взаимное притяжение. Там, где касаешься мылом, поверхностное натяжение разрушается.

Вывод: мой опыт показал, что мыло разрушает поверхностное натяжение воды.

Опыт № 3 «Торнадо в бутылке».

Самый простой способ увидеть водный вихрь в бутылке – наполнить ее водой, перевернуть, хорошенько раскрутить. Внутри образуется торнадо. А вода начинает выливаться намного быстрее, нежели просто перевернуть бутылку. Воду можно подкрасить, а потом присоединить другую бутылку, и создать красивое торнадо, переливая из одной бутылки в другую.

Реквизит: вода, 2 бутылки пластиковые, пищевой краситель.

Подготовка: заполнить бутылку водой, добавляем краситель, плотно закрываем крышкой, переворачиваем, раскручиваем за «шею» бутылки несколько секунд, заглядываю внутрь.

Объяснение: когда прокручиваю круговыми движениями, то создаю вихрь воды. Вихри встречаются в природе, но там они очень страшные.

Вывод: проведя этот опыт, я узнал, как сделать торнадо в бутылке и наслаждался прохладным вихрем воды.

Выводы

Наша гипотеза подтвердилась, что поверхностное натяжение воды существует.

Наши опыты показали, что в результате этого самого поверхностного натяжения, вода из банки не выливается;

в результате воздействия силы поверхностного натяжения, касаясь куском мыла поверхности воды в центре, крупинки перца начинают расплываться к стенкам пиалы;

поверхностное натяжение весьма чувствительно к наличию каких – либо примесей. Зная это можно уменьшить или увеличить значение силы.

Список литературы

1. А так ли хорошо вам знакомо поверхностное натяжение?

Квант № 3,2005

2. Книга из серии «Мурзилка» Забавные физические опыты. Репьев С. А.

Издательство: Карапуз.

3. Увлекательные опыты. Биология, физика, химия, науки о земле. Ненси К О

Лири, Сьюзен Шелли.

4. Большая книга занимательных наук, Я. Перельман

5. Научные развлечения с простыми вещами. Опыты и эксперименты для

детей. Шапиро А. И.

infourok.ru

Поверхностное натяжение

Муниципальное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 24 с углубленным изучением предметов художественно-эстетического направления»

Школьная научно-практическая конференция

Реферат на тему: «Роль сил поверхностного натяжения в физике»

Выполнил:

Онохин Дмитрий Алексеевич, ученик 10 «А» класса,МОУ «СОШ № 24 с углубленным изучением предметов художественно-эстетического направления».

Научный руководитель:

Вольхин Николай Иванович,учитель физики,МОУ «СОШ № 24 с углубленным изучением предметов художественно-эстетического направления».

г. Архангельск, 2009

Оглавление

Введение

Метод пузырька

Метод проволочной

Метод капли

Опыт «Пробирка»

Опыт «Плато»

Роль поверхностного натяжения в жизни

Заключение

Библиография

Приложения

Введение.

Такие силы, как тяготение, упругость и трение, бросаются в глаза; мы ощущаем их непосредственно каждый день. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных эффектов. Она даже в последнее время исключена из программ приемных экзаменов для поступающих в вузы. Тем не менее мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, о которых у нас сейчас пойдет речь. Это силы поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения – это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности.

Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии.

Понятие «поверхностное натяжение» впервые ввел Я. Сегнер (1752 год).

К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Однако в природе и нашей жизни они играют немалую роль.

Существует достаточно много различных методов определения поверхностного натяжения: метод капель, метод проволочной рамки, метод кольца, метод капиллярных волн, метод капли и пузырька и др. Метод проволочной рамки и метод кольца применяются для грубых измерений поверхностного натяжения.

1. Метод пузырька.

«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики», – писал великий английский физик лорд Кельвин.

В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практически роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.

Вернемся к мыльным пузырям. Наверное, каждому доводилось не только наблюдать эти удивительно красивые творения, но и пускать их. Они сферичны по форме и долго могут свободно парить в воздухе. Давление внутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловлено тем обстоятельством, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить свою поверхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем чем меньше его радиус, тем большим оказывается избыточное давление внутри пузыря.

Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки. Примером такого состояния могут служить мыльные пленки, подобные тем, которые вы получили в детстве, выдувая мыльные пузыри. Так как толщина мыльных пленок очень мала, жидкость в пленке можно рассматривать как два поверхностных слоя, не учитывая влияния молекул, находящихся между слоями. Получив мыльный пузырь от трубки, с помощью которой он был получен. Вы заметите, что пузырь уменьшается. Это свидетельствует о сокращении поверхности мыльной пленки.

2. Метод проволочной рамки.

Возьмите проволочный четырехугольный каркас и соедините его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркас в мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить примет форму дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается.

Свойство поверхности жидкости сокращается можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.

С помощью описанного ниже опыта можно найти способ измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную воду проволочный каркас, вынув его из воды, легко заметить, что верхняя часть каркаса (до упора) затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторону этой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону отпустить, то пленка сократится.

Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности.

Поверхностное натяжение измеряется силой, с которой поверхностный слой действует на единицу длины того или иного контура на свободной поверхности жидкости по касательной к этой поверхности. В Международной системе единиц эта величина измеряется в ньютонах на метр (1 Н/м).

3. Метод капли.

Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана. Пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения (поверхностный слой выполняет роль своеобразного мешочка). Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, и капля отрывается.

Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее вес становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превысит его прочность.

В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичная пленка.

А видели вы когда-нибудь очень большие капли?

В обычных условиях таких капель нет. И это не случайно – капли большого диаметра неустойчивы и разрываются на маленькие.

4. Опыт «Пробирка».

Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Возьмем пробирку, наполненную водой. Перевернем на книгу или открытку и будем постепенно вытаскивать открытку. Ни одна капля не пролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав «горку». Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости. Из всех геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Так что собственная форма жидкости – шар. Большое количество жидкости не может сохранить шарообразную форму; она изменяется под действием силы тяжести. Если устранить действие силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкость примет форму шара.

5. Опыт «Плато»

Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплю жидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда и образовавшийся масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлета по молекулам удерживает сила поверхностного натяжения. Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато, свой метод Плато применил для исследования различных явлений.

6. Роль поверхностного натяжения в жизни.

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.

Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно «носить воду в решете». Это показывает, как трудно порой, даже при желании, сказать настоящую бессмыслицу. Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и потому она не промокает насквозь мгновенно.

В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы, как показывает теория, и радуги.

mirznanii.com

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Барышникова Антонина Петровна 1

Текст работы размещён без изображений и формул.Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В окружающем нас мире наряду с тяготением, упругостью и трением действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем внимание. Эта сила действует вдоль касательной к поверхностям всех жидкостей. Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, стремится сократить её до минимума, называют силой поверхностного натяжения. Она сравнительно мала, ее действие никогда не вызывает мощных эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воду в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы поверхностного натяжения. К эффектам, называемым поверхностным натяжением, мы настолько привыкли, что не замечаем их. Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. В природе и в нашей жизни они играют немаловажную роль. Без них мы не могли бы писать гелиевыми ручками, картриджив принтерах сразу же ставили бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки – пена не образовалась бы. Слабый дождик промочил бы нас насквозь, а радугу нельзя было бы видеть ни при какой погоде. Поверхностное натяжение собирает воду в капли и благодаря поверхностному натяжению можно выдуть мыльный пузырь. Используя правило «Вовремя удивляться» бельгийского профессора Плато для исследователей, рассмотрим в работе необычные опыты.

Цель работы: экспериментально проверить проявления поверхностного натяжения жидкости, определить коэффициент поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва капель

Задачи:

Изучить учебную, научно-популярную литературу, использовать материалы в сети «Интернет» по теме «Поверхностное натяжение»;
проделать опыты, доказывающие, что собственная форма жидкости – шар;
провести эксперименты с уменьшением и увеличением поверхностного натяжения;
сконструировать и собрать экспериментальную установку, с помощью которой определить коэффициент поверхностного натяжения некоторых жидкостей методом отрыва капель.
обработать полученные данные и сделать вывод.

Объект исследования: жидкости.

Основная часть. Поверхностное натяжение

Рис 1. Г. Галилей

ногочисленные наблюдения и опыты показывают, что жидкость может принимать такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшую площадь. В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не притяжение к Земле. Чем меньше капля, тем большую роль играют силы поверхностного натяжения. Поэтому маленькие капельки росы на листьях деревьев, на траве близки по форме к шару, при свободном падении дождевые капли почти строго шарообразны. Стремление жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать на многих явлениях, которые кажутся удивительными. Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не совсем точным. Собственная форма жидкости – шар, как наиболее ёмкая форма. Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. 1

Рис 2. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед

А как можно объяснить самопроизвольное сокращение поверхности жидкости? Молекулы на поверхности и в глубине жидкости находятся в разных условиях. На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения со стороны соседних молекул, окружающих ее со всех сторон. Результирующая этих сил равна нулю. Над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше плотности жидкости, и взаимодействием молекул пара с молекулами жидкости можно пренебречь. Молекулы, которые находятся на поверхности жидкости, притягиваются только молекулами, находящимися внутри жидкости. Под действием этих сил молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь, число молекул на поверхности уменьшается, площадь поверхности сокращается. Но не все молекулы могут с поверхности уйти внутрь жидкости, этому препятствуют силы отталкивания, возникающие при уменьшении расстояний между молекулами. При определенных расстояниях между молекулами, втягиваемыми внутрь, и молекулами, находящимися под поверхностью, силы взаимодействия становятся равными нулю, процесс сокращения поверхности прекращается. На поверхности остается такое число молекул, при котором ее площадь оказывается минимальной для данного объема жидкости. Так как жидкость текуча, она принимает такую форму, при которой число молекул на поверхности минимально, а минимальную поверхность при данном объеме имеет шар, то есть капля жидкости принимает форму, близкую шаровой.Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, - и капля отрывается. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превышает его прочность. В действительности, конечно, ничего кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведёт себя, как растянутая эластичная пленка. Такое же впечатление производит пленка мыльного пузыря.

Опыт №1

Рис . 3

тремление жидкости к минимуму потенциальной энергии можно наблюдать с помощью мыльных пузырей. Мыльная пленка представляет собой двойной поверхностный слой. Если выдуть мыльный пузырь, а потом прекратить надувание, то он станет уменьшаться в объёме, выжимая из себя струю воздуха.

Фото 1

Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызываемое притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости5

Опыт Плато (1849г.)

Рис. 4. Ж.Плато

оводом, побудившим бельгийского профессора к опытам, был случай. Нечаянно он налил в смесь спирта и воды небольшое количество масла, и оно приняло форму шара. Размышляя над этим фактом, Плато наметил ряд опытов, которые впоследствии блестяще были выполненными его друзьями и учениками. В своем дневнике он написал для исследователей правило: «Вовремя удивляться». Я решила исследовать опыт Плато, но в другом варианте: использовать в опыте подсолнечное масло и подкрашенную марганцовую воду.

Опыт, доказывающий, что однородная жидкость принимает форму с минимальной свободной поверхностью

Вариант опыта Плато №2

1) В мензурку налили подсолнечное масло.

2) Глазной пипеткой капнули в подсолнечное масло каплю подкрашенной марганцовой воды диаметром приблизительно 5мм.

Фото 2

) Наблюдали шарики воды разного размера, медленно падающие на дно и принимающие овальную приплюснутую форму (Фото 2).

5) Наблюдали, как капля принимает правильную форму шара (Фото 2).

Вывод: Жидкость, притягивая молекулы поверхностного слоя, сжимает саму себя. Овальная приплюснутая форма объясняется тем, что вес капли, которая не смешивается с маслом, больше выталкивающей силы. Правильная форма шара объясняется тем, что капля плавает внутри масла: вес капли уравновешивается выталкивающей силой.

При свободном падении, в состоянии невесомости капли дождя практически имеют форму шара. В космическом корабле шарообразную форму принимает и достаточно большая масса жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

В отсутствии внешней силы вдоль поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения, которая сокращает до минимума площадь поверхности пленки. Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения.

F = Ơ ℓ

Ơ = F / ℓ

Ơ - коэффициент поверхностного натяжения – это отношение модуля F силы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя ℓ, к этой длине есть величина постоянная, не зависящая от длины ℓ. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы граничащих сред и от температуры. Его выражают в ньютонах на метр (Н / м).

Опыты с уменьшением и увеличением

Фото 3

оверхностного натяжения

Опыт №3

В широкий стеклянный сосуд налили воду.
На поверхность бросили кусочки пенопласта.
Прикоснулись к центру поверхности воды кусочком мыла.
Кусочки пенопласта начинают двигаться от центра к краям сосуда (Фото 3).
Капали в центр сосуда бензином, спиртом, моющим средством «Fairy».

Вывод: Поверхностное натяжение данных веществ меньше, чем у воды.

Эти вещества используются для удаления грязи, жирных пятен, сажи, т.е. не растворимых в воде веществ.Из-за достаточно высокого поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает очень хорошим чистящим действием. Например, вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу больше, чем к частицам нерастворимой грязи.Мыло и синтетические моющие средства (СМС) содержат вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды. Первое мыло, самое простое моющее средство, было получено на Ближнем Востоке более 5000 лет назад. Поначалу оно использовалось, главным образом, для стирки и обработки язв и ран. И только в 1 веке н.э. человек стал мыться с мылом.

В начале 1-го века мыло появилось на свет.

От грязи спасло человека и стал он чистым с юных лет.

Я говорю вам про мыло, что вскоре породило: шампунь, гель, порошок.

Стал чистым мир, как хорошо!

Рис 5. Ф. Гюнтер

Моющими средствами называются натуральные и синтетические вещества с очищающим действием, в особенности мыло и стиральные порошки, применяемые в быту, промышленности и сфере обслуживания. Мыло получают в результате химического взаимодействия жира и щелочи. Скорее всего, оно было открыто по чистой случайности, когда над костром жарили мясо, и жир стекал на золу, обладающую щелочными свойствами. Производство мыла имеет давнюю историю, а вот первое синтетическое моющее средство (СМС) появилось в 1916г., его изобрел немецкий химик Фриц Гюнтер для промышленных целей. Бытовые СМС, более или менее безвредные для рук, стали выпускаться 1933г. С тех пор разработан целый ряд синтетических моющих средств (СМС) узкого назначения, а их производство стало важной отраслью химической промышленности.

Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточным чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу, вместо того чтобы захватывать частицы грязи, другими словами они не смачивают грязь.

Мыло и синтетические моющие средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения. Эти вещества называются поверхностно-активными (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости.

Рис. 6

Сейчас производство СМС стало важной отраслью химической промышленности. Эти вещества называют поверхностно-активным веществом (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости. Молекулы ПАВ можно представить в виде головастиков. Головами они «цепляются» за воду, а «хвостами» за жир. Когда ПАВ смешивают с водой, их молекулы на поверхности обращены «головами» вниз, а «хвостами» наружу. Раздробив таким образом поверхность воды, эти молекулы значительно уменьшают эффект поверхностного натяжения, тем самым помогая воде проникнуть в ткань. Этими же «хвостиками» молекулы ПАВ (Рис 6) захватывают попадающиеся им молекулы жира.2

Опыт №4

Фото 4

Фото 6

1.Налили в блюдце молоко так, чтобы оно закрыло дно (Фото 4)

2. Капнули на поверхность молока 2 капля зеленки

3. Наблюдали, как зеленка «увлекается» от центра к краям. Две капли зеленки покрывают большую часть поверхности молока! (Фото 5)

Вывод: поверхностное натяжение зеленки, намного меньше, чем молока.

4. На поверхность зеленки капнули жидкость для мытья посуды «Fairy», мы увидели, как эта жидкость растеклась по всей поверхности.(Фото 6)

Вывод: поверхностное натяжение моющего средства меньше, чем зеленки.

Фото 5

Опыт№5

В широкий стеклянный сосуд налили воду.
На поверхность бросили кусочки пенопласта.
Прикоснулись к центру поверхности воды кусочком сахара.
К

Фото 7
усочки пенопласта начинают двигаться от краев сосуда к центру (Фото 7).

Вывод: поверхностное натяжение водного раствора сахара больше, чем чистой воды.

Опыт№6

Удаление с поверхности ткани жирового пятна

Смочили бензином ватку и этой ваткой смочили края пятна (а не само пятно). Бензин уменьшает поверхностное натяжение, поэтому жир собирается к центру пятна и оттуда его можно удалить, этой же ваткой если же смачивать, само пятно, то оно может увеличиться в размерах вследствие уменьшения поверхностного натяжения.

Для экспериментального определения значения поверхностного натяжения жидкости можно использовать процесс образования и отрыва капель, вытекающих из капельницы.

Краткая теория методаотрыва капель

Малый объем жидкости сам по себе принимает форму, близкую к шару, так как благодаря малой массе жидкости мала и сила тяжести, действующая на нее. Этим объясняется шарообразная форма небольших капель жидкости. На рис.1 приведены фотографии, на которых показаны различные стадии процесса образования и отрыва капли. Фотография получена с помощью скоростной киносъемки, капля растет медленно, можно считать, что в каждый момент времени она находится в равновесии. Поверхностное натяжение вызывает сокращение поверхности капли, оно стремится придать капле сферическую форму. Сила тяжести располагает центр тяжести капли как можно ниже. В результате капля оказывается вытянутой (рис.7а).

Рис. 7. а б в г

Процесс образования и отрыва капель

Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Основная масса по мере роста капли собирается внизу и у капли образуется шейка (рис.7б). Сила поверхностного натяжения направлена вертикально по касательной к шейке и она уравновешивает силу тяжести, действующую на каплю. Теперь достаточно капле совсем немного увеличиться и силы поверхностного натяжения уже не уравновешивают силу тяжести. Шейка капли быстро сужается (рис.7в) и в результате капля отрывается (рис.7г).

Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения некоторых жидкостей основывается на взвешивании капель. В случае медленного вытекания жидкости из малого отверстия размер образующихся капель зависит от плотности жидкости, коэффициента поверхностного натяжения, размера и формы отверстия, а также от скорости истечения. При медленном вытекании смачивающей жидкости из вертикальной цилиндрической трубки образующаяся капля имеет форму, показанную на рисунке 8. Радиус r шейки капли связан с наружным радиусом трубки R соотношением r = kR (1)

где k – коэффициент, зависящий от размеров трубки и скорости вытекания.

момент отрыва вес капли должен быть равен равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих по длине, равной протяженности контура шейки в самой ее узкой части. Таким образом, можно записать

g=ơl

Рис. 8

mg = 2πrơ (2)

Подставляя величину радиуса шейки r из равенства (1) и решая его, получим

Ơ =mg/2πkR (3)

Для определения массы капли, некоторое число n капель взвешивают в стакане известного веса. Если масса стаканчика без капель и с каплями будет соответственно М0 и М, то масса одной капли

m = (M-M0)/n

Подставляя последнее выражение в формулу (3) и вводя вместо радиуса трубки ее диаметр d, получим расчетную формулу

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Исследовательская работа «Определение коэффициента поверхностного натяжения некоторых жидкостей методом отрыва капель»

Цель исследования: определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель некоторых жидкостей. Приборы: установка для измерения коэффициента поверхностного натяжения, весы, разновес, стаканчик, штангенциркуль, секундомер. Материалы: моющие средства: «Fairy», «Aos», молоко, спирт, бензин, растворы порошков: «Миф», «Persil», шампуни «Fruttis», «Pantene», «Schauma» и «Fruttis», гели для душа «Sensen», «Монпансье» и «Discover».

Описание прибора.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения собрали установку, состоящую из штатива, на котором установили бюретку с исследуемой жидкостью. На конце бюретки укрепили наконечник-трубку, на конце которой образуется капля. Взвешивание капель производили в специальном стаканчике.

Ход исследования

С помощью штангенциркуля измерили диаметр наконечника-трубки три раза и вычислили среднее значение d.
Взвесили на весах чистый сухой стаканчик (М0).
С помощью краника бюретки добились скорости вытекания капель

15 капель в минуту.

Отлили из бюретки в стаканчик 60 капель жидкости, считая точно количество отлитых капель.
Взвесили стаканчик с жидкостью. (М)
Подставили полученные значения в формулу ơ = ((M-M0)g)/πkdn
Вычислили коэффициент поверхностного натяжения.
Провели опыт три раза
Вычислили среднее значение коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в Н/м.

Таблица №1

Результаты определения коэффициента поверхностного натяжения (Н/м)

Жидкость	Коэффициент поверхностного натяжения
Жидкость	Измеренное	Табличное
Спирт этиловый	23	22
Бензин	24	21
Молоко (2,5)	45	---
Молоко (коровье домашнее)	41	---
Раствор порошка «Миф»	32	---
Раствор порошка «Persil»	36	---
Моющее средство «Fairy»	45	---
Моющее средство «Aos»	53	---

Вывод: Из исследованных кухонных моющих средств, при всех остальных одинаковых параметрах, влияющих на качество «отмывания», лучше использовать средство «Fairy». Из исследованных стиральных порошков «Миф», т.к. именно их растворы обладают наименьшим поверхностным натяжением. Следовательно, первое средство («Fairy») лучше помогает смывать нерастворимые в воде жиры с посуды, являясь эмульгатором – средством, облегчающим получение эмульсий (взвесей мельчайших частиц жидкого вещества в воде). Второе («Миф») лучше отстирывает бельё, проникая в поры между волокнами тканей. Заметим, что при использовании кухонных моющих средств, мы заставляем вещество (в частности жир) хотя бы на некоторое время растворится в воде, т.к. происходит «дробление» его на мельчайшие частицы. За это время рекомендуется смыть нанесенное моющее средство струей чистой воды, а не ополаскивать посуду через какое-то время в ёмкости. Кроме того исследовали поверхностное натяжение шампуней и гелей для душа. Из-за достаточно высокой вязкости этих жидкостей сложно точно определить коэффициент поверхностного натяжения их, но зато можно сравнить. Были исследованы (методом отрыва капель) шампуни «Pantene», «Schauma» и «Fruttis», а также гели для душа «Sensen», «Монпансье» и «Discover».

Вывод:

Поверхностное натяжение уменьшается в шампунях на ряду «Fruttis» - «Schauma» - «Pantene», в гелях – в ряду «Монпансье» - «Discover» - «Senses».
Поверхностное натяжение шампуней меньше поверхностного натяжения гелей (Например «Pantene» < «Senses» на 65 мН/м), что оправдывает их назначение: шампуни – для мытья волос, гели – для мытья тела.
При всех остальных одинаковых характеристиках, влияющих на качество мытья, из исследованных шампуней лучше использовать «Pantene» (Рис. 9), из исследованных гелей для душа – «Senses»(Рис.10).

Рис. 9

Рис . 10

Метод отрыва капель, не будучи очень точным, однако, используется в медицинской практике. Этим методом определяют в диагностических целях поверхностное натяжение спинномозговой жидкости, желчи и т.д.

Заключение

Выводы:

1. Получены экспериментальные подтверждения теоретических выводов, доказывающие, что однородная жидкость принимает форму с минимальной свободной поверхностью

2. Проведены эксперименты с уменьшением и увеличением поверхностного натяжения, результаты которых доказали, чтомыло и синтетические моющие средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения.

3. Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей

а) изучена краткая теория метода отрыва капель;

б) сконструирована и собрана экспериментальная установка;

в) вычислены средние значения коэффициента поверхностного натяжения различных жидкостей, сделаны выводы.

4. Результаты экспериментов и исследования представлены в виде таблицы и фотографий.

Работа над проектом позволила мне приобрести более широкие знания по разделу физики «Поверхностное натяжение».

Мне хочется закончить свой проект словами великого ученого физика

А. Эйнштейна:

«Мне достаточно испытать ощущение вечной тайны жизни, осознавать и интуитивно постигать чудесную структуру всего сущего и активно бороться, чтобы схватить пусть даже самую малую крупинку разума, который проявляется в Природе»

Список использованных источников и литературы

http://www.physics.ru/
http://greenfuture.ru/
http://www.agym.spbu.ru/
Буховцев Б.Б., Климонтович Ю. Л., Мякишев Г.Я., Физика, учебник для 9 класса средней школы - 4-е издание – М.: Просвещение, 1988 г. – 271 с.
Касьянов В.А., Физика, 10 класс, учебник для общеобразовательных учебных заведений, М.: Дрофа, 2001г. – 410 с.
Пинский А.А. Физика: учебник. Пособие для 10 классов с углубленным изучением физики. М.: Просвещение, 1993г. – 416 с.
Юфанова И.Л. Занимательные вечера по физике в средней школе: книга для учителя. - М.: Просвещение, 1990г. -215с
Чуянов В.Я., Энциклопедический словарь юного физика, М.: Педагогика, 1984г. – 350 с.

11http://www.physics.ru/

2 http://greenfuture.ru

3 www.agym.spbu.ru

Просмотров работы: 2216

school-science.ru

Поверхностное натяжение

Силы притяжения молекул внутри объема жидкости взаимно уравновешиваются и проявляются только на границах – на твердых стенках, на свободной поверхности. На свободной поверхности из-за того, что сила притяжения со стороны молекул воздуха значительно меньше, чем сила взаимного притяжения молекул жидкости, появляется результирующая сила, направленная внутрь объема. Молекулы поверхностного слоя находятся в особом напряженном состоянии, образуется как бы тонкая упругая пленка, возникает поверхностное натяжение. Энергия поверхностных молекул отличается от энергии молекул, расположенных в объеме. Суммарная величина этой «поверхностной» энергии пропорциональна площади поверхности S раздела сред:

Коэффициент пропорциональности , входящий в эту зависимость, получил название коэффициента поверхностного натяжения. Величина его зависит от природы соприкасающихся сред, степени чистоты жидкости и ее температуры.

Коэффициент поверхностного натяжения можно также представить соотношением

где F – сила поверхностного натяжения;

l – длина линии раздела сред.

Из этого определения видно, что коэффициент поверхностного натяжения – это сила, действующая на единицу длины линии раздела сред и направленная по касательной к поверхности жидкости.

Единица измерения поверхностного натяжения в СИ [σ]= Н/м, в технической системе – кГ/м.

Величина коэффициента поверхностного натяжения жидкостей небольшая. Например, для воды при температуре Т = +20º С оно составляет около 7 Г/м. Именно поэтому силы поверхностного натяжения в гидравлике обычно не учитываются.

Молекулярное давление, определяющее величину поверхностного натяжения, зависит от кривизны поверхности раздела жидкой и газообразной сред. Оно становится заметным только при малых размерах объемов жидкости, например, в капиллярных трубках. Именно благодаря поверхностному натяжению, жидкость, смачивающая поверхность стенок капиллярных трубок, образует вогнутый мениск и подтягивается вверх: силы сцепления между молекулами твердой поверхности стенок и молекулами жидкости выше молекулярных сил взаимодействия внутри жидкости. В случае несмачиваемой поверхности в капиллярной трубке устанавливается выпуклый мениск, и жидкость в трубке опускается: силы взаимодействия между стенкой и жидкостью меньше внутренних сил взаимодействия в жидкости.

Вязкость

Очень важным для гидравлики физическим свойством жидкости является вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление движению слоев жидкости относительно друг друга.

Вследствие молекулярного взаимодействия в жидкости возникают силы внутреннего трения: слой, движущийся быстрее, увлекает за собой слой, движущийся медленнее, а тот, в свою очередь, тормозит слой, движущийся быстрее. Таким образом, вязкость проявляется в виде возникновения силы трения при перемещении (сдвиге) слоев жидкости друг относительно друга. Другими словами, вязкость – это свойство, обусловливающее возникновение в жидкости при ее движении касательных напряжений.

И. Ньютон предложил гипотезу о том, что сила F вязкости (трения) между двумя соседними слоями жидкости с площадью соприкасания ω равна

где μ – динамический коэффициент вязкости;

– поперечный градиент скорости движения жидкости;

– скорость смещения слоев жидкости друг относительно друга;

– расстояние между осями соседних слоев жидкости.

Знак «минус» в формуле указывает на то, что сила трения направлена противоположно направлению движения.

Размерность динамического коэффициента вязкости в СИ [μ] = Н·с/м2 (Па∙с). В системе СГС единица динамической вязкости называется пуаз в честь французского ученого А. Пуазейля.

Динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость) зависит от природы жидкости и температуры. С повышением температуры жидкости коэффициент вязкости μ уменьшается.

Если силу трения между слоями отнести к площади соприкосновения слоев, то полученная удельная сила трения называется касательным напряжением:

Наряду с динамическим коэффициентом вязкости, в гидравлике широко используется кинематический коэффициент вязкости ν, представляющий отношение μ к плотности ρ:

который имеет размерность в СИ и технической системе . До 1980 года допускалось измерение кинематической вязкости в стоксах (названных так в честь английского гидромеханика Дж. Стокса): 1 Ст = 1 см2/с.

Вязкость играет очень важную роль в процессе движения жидкостей. В природе мало жидкостей, вязкость которых меньше, чем вязкость воды, но существует много жидкостей с большой вязкостью (масла, нефть), есть очень вязкие жидкости (глицерин, патока).

Идеальная жидкость. В гидравлике часто используется и большую роль играет понятие «идеальной» жидкости.

Под идеальной жидкостью понимается жидкость, частицы которой обладают абсолютной подвижностью, то есть идеальная жидкость не имеет вязкости, не испытывает температурного расширения и абсолютно несжимаема. Введение в рассмотрение подобной научной абстракции вместо реальной жидкости упрощает решение ряда гидравлических задач, позволяет широко использовать математические методы, проводить обобщения и аналогии. Такой подход научно обоснован и является полезным и плодотворным. Конечно, при применении получаемых для идеальной жидкости решений и выводов в конкретных обстоятельствах приходится вносить необходимые поправки и дополнения, которые следуют из практики и учитывают реальные условия. Однако, как показал опыт, получаемые таким образом картины течения достаточно хорошо согласуются с реальными процессами.

Поверхностное натяжение жидкости — МегаЛекции

Основная часть.

Для понимания основных свойств и закономерностей жидкого состояния вещества необходимо рассмотреть следующие аспекты:

Строение жидкости. Движение молекул жидкости.

Жидкость – это нечто такое, что может течь.

В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным.

Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к ней других частиц становится все менее упорядоченным, и довольно быстро порядок в расположении частиц совсем исчезает.

Молекулы жидкости движутся гораздо более свободно, чем молекулы твердого тела, хотя и не так свободно, как молекулы газа.

Каждая молекула жидкости в течение некоторого времени движется то туда, то сюда, не удаляясь, однако от своих соседей. Но время от времени молекула жидкости вырывается из своего окружения и переходит в другое место, попадая в новое окружение, где опять в течение некоторого времени совершает движения, подобные колебанию. Значительные заслуги в разработке ряда проблем теории жидкого состояния принадлежит советскому ученому Я. И. Френкелю.

Cогласно Френкелю, тепловое движение в жидкостях имеет следующий характер. Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула меняет место равновесия, скачком перемещаясь на новое положение, отстоящего от предыдущего на расстояние порядка размеров самих молекул. То есть, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест.Таким образом, движение молекул жидкости представляет собой нечто вроде смеси движений в твердом теле и в газе: колебательное движение на одном месте сменяется свободным переходом из одного места в другое.

Давление в жидкости

Повседневный опыт учит нас, что жидкости действуют с известными силами на поверхность твердых тел, соприкасающихся с ними. Эти силы называются силами давления жидкости.

Прикрывая пальцем отверстие открытого водопроводного крана, мы ощущаем силу давления жидкости на палец. Боль в ушах, которую испытывает пловец, нырнувший на большую глубину, вызвана силами давления воды на барабанную перепонку уха. Термометры для измерения температуры на глубине моря должны быть очень прочными, чтобы давление воды не могло раздавить их.

Давление в жидкости обусловлено изменением ее объема – сжатием. По отношению к изменению объема жидкости обладают упругостью. Силы упругости в жидкости – это и есть силы давления. Таким образом, если жидкость действует с силами давления на соприкасающиеся с ней тела, это значит, что она сжата. Так как при сжатии плотность вещества растет то можно сказать, что жидкости обладают упругостью по отношению к изменению плотности.

Давление в жидкости перпендикулярно любой поверхности, помещенной в жидкость. Давление в жидкости на глубине h равно сумме давления на поверхности и величины, пропорциональной глубине:

Благодаря тому, что жидкости могут передавать статическое давление, практически не менее своей плотности они могут использоваться в устройствах, дающих выигрыш в силе: гидравлическом прессе.

Закон Архимеда

На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют силы давления. Так как давление увеличивается с глубиной погружения, то силы давления, действующие на нижнюю часть жидкости и направленные вверх, больше, чем силы, действующие на верхнюю его часть и направленные вниз, и мы можем ожидать, что равнодействующая сил давления будет направлена вверх. Равнодействующая сил давления на тело, погруженное в жидкость, называется поддерживающей силой жидкости.

Если тело, погруженное в жидкость, предоставить самому себе, то оно потонет, останется в равновесии или всплывет на поверхность жидкости в зависимости от того, меньше ли поддерживающая сила, чем сила тяжести, действующая на тело, равна ей или больше ее.

Закон Архимеда заключается в том, что на тело, находящееся в жидкости, действует направленная вверх выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости. На тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила (называемая силой Архимеда)

где ρ — плотность жидкости (газа), — ускорение свободного падения, а V — объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности).

Если тело, погруженное в жидкость, подвешено к чаше весов, то весы показывают разность между весом тела в воздухе и весом вытесненной жидкости. Поэтому закону Архимеда придают иногда следующую формулировку: тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

Интересно отметить такой экспериментальный факт, что, находясь внутри другой жидкости большего удельного веса, жидкость по закону Архимеда «теряет» свой вес и принимает свою естественную, шарообразную форму.

Испарение

В поверхностном слое и вблизи поверхности жидкости действуют силы, которые обеспечивают существование поверхности и не позволяют молекулам покидать объем жидкости. Благодаря тепловому движению некоторая часть молекул имеет достаточно большие скорости, чтобы преодолеть силы, удерживающие молекулы в жидкости, и покинуть жидкость. Это явление называется испарением. Оно наблюдается при любой температуре, но его интенсивность возрастает с увеличением температуры.

Если покинувшие жидкость молекулы удаляются из пространства вблизи поверхности жидкости, то, в конце концов, вся жидкость испарится. Если же молекулы, покинувшие жидкость не удаляются, то они образуют пар. Молекулы пара, попавшие в область вблизи поверхности жидкости, силами притяжения втягиваются в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

Таким образом, в случае неудаления молекул скорость испарения уменьшается со временем. При дальнейшем увеличении плотности пара достигается такая ситуация, когда число молекул, покидающих жидкость за некоторое время, будет равно числу молекул, возвращающихся в жидкость за то же время. Наступает состояние динамического равновесия. Пар в состоянии динамического равновесия с жидкостью называется насыщенным.

С повышением температуры плотность и давление насыщенного пара увеличиваются. Чем выше температура, тем большее число молекул жидкости обладает энергией, достаточной для испарения, и тем большей должна быть плотность пара, чтобы конденсация могла сравняться с испарением.

Кипение

Когда при нагревании жидкости достигается температура, при которой давление насыщенных паров равно внешнему давлению, устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. При сообщении жидкости дополнительного количества теплоты происходит немедленное превращение соответствующей массы жидкости в пар. Этот процесс называется кипением.

Кипение – это интенсивное испарение жидкости, происходящее не только с поверхности, но и во всем ее объеме, внутрь образующихся пузырьков пара. Чтобы перейти из жидкости в пар, молекулы должны приобрести энергию, необходимую для преодоления сил притяжения, удерживающих их в жидкости. Например, для испарения 1 г воды при температуре 100° С и давлении, соответствующем атмосферному давлению на уровне моря, требуется затратить 2258 Дж, из которых 1880 идут на отделение молекул от жидкости, а остальные – на работу по увеличению объема, занимаемого системой, против сил атмосферного давления (1 г водяных паров при 100° С и нормальном давлении занимает объем 1,673 см3, тогда как 1 г воды при тех же условиях – лишь 1,04 см3).

Температурой кипения является та температура, при которой давление насыщенных паров становится равным внешнему давлению. При увеличении давления температура кипения увеличивается, а при уменьшении - уменьшается.

По причине изменения давления в жидкости с высотой ее столба, кипение на различных уровнях в жидкости происходит, строго говоря, при различной температуре. Определенную температуру имеет лишь насыщенный пар над поверхностью кипящей жидкости. Его температура определяется только внешним давлением. Именно эта температура имеется в виду, когда говорят о температуре кипения.

Температуры кипения различных жидкостей сильно отличаются, между собой и это находит широкое применение в технике, например, при разгонке нефтепродуктов.

Количество тепла, которое необходимо подвести, для того чтобы изотермически превратить в пар определенное количество жидкости, при внешнем давлении, равном давлению ее насыщенных паров, называется скрытой теплотой парообразования. Обычно эту величину соотносят к одному грамму, или одному молю. Количество теплоты, необходимое для изотермического испарения моля жидкости называется молярной скрытой теплотой парообразования. Если эту величину поделить на молекулярный вес, то получится удельная скрытая теплота парообразования.

Поверхностное натяжение жидкости

Свойство жидкости сокращать свою поверхность до минимума называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости. На поверхности жидкости молекулы испытывают действие сил, которые не являются симметричными. На находящуюся внутри жидкости молекулу со стороны соседей в среднем равномерно со всех сторон действует сила притяжения, сцепления. Если поверхность жидкости увеличивать, то молекулы будут двигаться против действия удерживающих сил. Таким образом, сила, стремящаяся сократить поверхность жидкости, действует в противоположном направлении внешней растягивающей поверхность силе. Эта сила называется силой поверхностного натяжения и вычисляется по формуле:

- коэффициент поверхностного натяжения( )

- длина границы поверхности жидкости

Обратим внимание, что у легко испаряющихся жидкостей (эфира, спирта) поверхностное натяжение меньше, чем у жидкостей нелетучих (у ртути). Очень мало поверхностное натяжение у жидкого водорода и, особенно, у жидкого гелия. У жидких металлов поверхностное натяжение, наоборот, очень велико. Различие в поверхностном натяжении жидкостей объясняется различием в силах сцепления у разных молекул.

Измерения поверхностного натяжения жидкости показывают, что поверхностное натяжение зависит не только от природы жидкости, но и от его температуры: с повышением температуры различие в плотностях жидкости уменьшаются, в связи с этим уменьшается и коэффициент поверхностного натяжения - .

Благодаря поверхностному натяжению любой объем жидкости стремится уменьшить площадь поверхности, уменьшая таким образом и потенциальную энергию. Поверхностное натяжение – одна из упругих сил, ответственных за движение ряби на воде. В выпуклостях поверхностное тяготение и поверхностное натяжение тянут частицы воды вниз, стремясь сделать поверхность снова гладкой.

Жидкостные пленки

Все знают, как легко получить пену из мыльной воды. Пена – это множества пузырьков воздуха, ограниченных тончайшей пленкой из жидкости. Из жидкости, образующей пену, легко можно получить и отдельную пленку.

Эти пленки очень интересны. Они могут быть чрезвычайно тонки: в наиболее тонких частях их толщина не превосходит стотысячной доли миллиметра. Несмотря на свою тонкость, они иногда очень устойчивы. Мыльную пленку можно растягивать и деформировать, сквозь мыльную пленку может протекать струя воды, не разрушая ее.

Чем же объяснить устойчивость пленок? Непременным условием образования пленки является прибавление к чистой жидкости растворяющихся в ней веществ, притом таких, которые сильно понижают поверхностное натяжение

В природе и технике мы обычно встречаемся не с отдельными пленками, а с собранием пленок – пеной. Часто можно видеть в ручьях, там, где небольшие струйки падают в спокойную воду, обильное образование пены. В этом случае способность воды пениться связана с наличием в воде особого органического вещества, выделяющегося из корней растений. В строительной технике используют материалы, имеющие ячеистую структуру, вроде пены. Такие материалы дешевы, легки, плохо проводят теплоту и звуки и достаточно прочны. Для их изготовления добавляют в растворы, из которых образуются стройматериалы, вещества, способствующие пенообразованию.

Смачивание

Небольшие капельки ртути, помещенные на стеклянную пластинку, принимают шарообразную форму. Это является результатом действия молекулярных сил, стремящихся уменьшить поверхность жидкости. Ртуть, помещенная на поверхность твердого тела, не всегда образует круглые капли. Она растекается по цинковой пластинке, причем общая поверхность капельки, несомненно, увеличится.

Капля анилина имеет шарообразную форму тоже только тогда, когда она не касается стенки стеклянного сосуда. Стоит ей коснуться стенки, как она тотчас прилипает к стеклу, растягиваясь по нему и приобретая большую общую поверхность.

Это объясняется тем, что в случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекулы жидкости с молекулой твердого тела. В случае ртути и стекла силы сцепления между молекулами ртути и стекла малы по сравнению с силами сцепления между молекулами ртути, и ртуть собирается в каплю.

Такая жидкость называется не смачивающей твердое тело. В случае же ртути и цинка силы сцепления между молекулами жидкости и твердого тела превосходят силы сцепления, действующие между молекулами жидкости, и жидкость растекается по твердому телу. В этом случае жидкость называется смачивающей твердое тело.

Отсюда следует, что, говоря о поверхности жидкости, надо иметь в виду не только поверхность, где жидкость граничит с воздухом, но также и поверхность, граничащую с другими жидкостями и ли с твердым телом.

В зависимости от того, смачивает ли жидкость стенки сосуда или не смачивает, форма поверхности жидкости у места соприкосновения с твердой стенкой и газом имеет тот или иной вид. В случае несмачивания форма поверхности жидкости у края круглая, выпуклая. В случае смачивания жидкость у края принимает вогнутую форму.

Капиллярные явления

В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела часто впитывают их в себя. На этом основано действие полотенца при вытирании рук, действие фитиля в керосиновой лампе и т. д. Подобные явления можно также наблюдать в узких стеклянных трубочках. Узкие трубочки называются капиллярными или волосными.

При погружении такой трубочки одним концом в широкий сосуд в широкий сосуд происходит следующее: если жидкость смачивает стенки трубки, то она поднимется над уровнем жидкости в сосуде и притом тем выше, чем уже трубка; если жидкость не смачивает стенки, то наоборот уровень жидкости в трубке устанавливается ниже, чем в широком сосуде. Изменение высоты уровня жидкости в узких трубках или зазорах получило название капиллярности.В широком смысле под капиллярными явлениями понимают все явления, обусловленные существованием поверхностного натяжения.

Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках зависит от радиуса канала в трубке, поверхностного натяжения и плотности жидкости. Между жидкостью в капилляре и в широком сосуде устанавливается такая разность уровней h, чтобы гидростатическое давление rgh уравновешивало капиллярное давление:

rgh= 2s/R,

где s - поверхностное натяжение жидкости

R – радиус капилляра.

Отсюда:

Высота поднятия жидкости в капилляре пропорциональна ее поверхностному натяжению и обратно пропорциональна радиусу канала капилляра и плотности жидкости (закон Жюрена)

megalektsii.ru