Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность темы : Знания по естественным наукам необходимы людям не только для объяснения явлений природы, но и для использования в практической деятельности. Проявляя интерес к физике, я может не станут физиком -теоретиком, а буду инженером, техником. Успех моей деятельности будет обеспечиваться не только умением мыслить, но и умением делать, и выбранная мною тема не только актуальна для изучения, она дает возможность к такой успешной деятельности. В окружающем нас мире наряду с тяготением и трением действует ещё одна сила, на которую мы мало обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью, без того, чтобы не привести в действие эту силу - силу поверхностного натяжения. Она играет большую роль в природе и технике, в физиологии нашего организма и жизни насекомых.
Область исследования - молекулярная физика
Предмет исследования - жидкость (вода, мыльный раствор, молоко, масло растительное.)
Цель: исследование поверхностных явлений в жидкостях и изучение существенных методов определения коэффициента поверхностного натяжения на границе «жидкость - воздух».
Задачи данной работы:
Изучение основ молекулярной физики, связанных с поверхностными явлениями в жидкостях.
Изучение применения поверхностного натяжения, его роли в окружающей нас действительности.
Экспериментально определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и натяжения проволочной рамки.
Сравнить полученные данные с табличными значениями.
Методы исследования: теоретический- сбор информации, анализ, синтез,
обобщение; экспериментальный - постановка вопроса; проектирование исследования; сбор данных; анализ результатов; выводы по эксперименту; публикация результатов.
В теоретической части работы рассматриваются основные теоретические сведения из области молекулярной физики поверхностного слоя жидкости.
В экспериментальной части приведены результаты исследовательской работы. Определены коэффициенты поверхностного натяжения жидкости (вода, молоко, растительное масло, мыльный раствор), и я выяснила как зависит поверхностное натяжение жидкости от температуры и рода жидкости.
2.Теоретическая часть 2.1. Интересные факты о форме жидкости.
Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости - шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него .
Жидкость (в отсутствии силы тяжести или в случае, когда она уравновешена силой Архимеда) принимает сферическую форму, имеющую минимальную поверхность при одном и том же объеме(см. прил.рис.1) . Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда “теряет” свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует — и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму. ..
Известно, что прованское масло плавает в воде, но тонет в спирте. Можно поэтому приготовить такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. Введя в эту смесь немного масла посредством шприца, можно странную вещь: масло собирается в большую круглуюкаплю, которая не всплывает и не тонет, а висит неподвижно (см. прил.рис.2) .
2.2. Поверхностное натяжение жидкости.
Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой . Каждая молекула жидкости, также, как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости . Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (см. прил.рис.3) .
Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы и внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулы со стороны соседних молекул, равна нулю (см. прил. рис.4) . Молекулы поверхностного слоя жидкости притягиваются только молекулами внутренних слоев, и под действием результирующей силы притяжения втягиваются внутрь жидкости. На поверхности остается число молекул, при котором площадь поверхности жидкости оказывается минимальной при данном объеме .
|
A внеш. =σ S, |
Коэффициент пропорциональности σ называется коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением (σ> 0) и представляет собой основную характеристику, зависящую от природы сред и их теплового состояния. A - работа, и она служит мерой изменения энергии . Эта энергия должна быть потенциальной, так как она связана с размещением молекул в поверхностном слое при постоянной температуре и общим свойством таких систем является самопроизвольное изменение состояния системы в направлении уменьшения запаса потенциальной энергии, чтобы привести систему в состояние с наименьшей потенциальной энергией. [ 7] .
Направленность процессов к уменьшению потенциальной энергии жидкости обуславливает свойство самопроизвольного сокращения свободной поверхности жидкости до возможного минимального значения . Стремление жидкостей стянуть свою поверхность, сделать ее минимальной может рассматриваться как некоторая сила, действующая вдоль поверхности. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости . Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму (см. прил. фото № 5) - в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения . Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (см. прил.рис.5) . В связи с этим поверхностное натяжение можно определить, как силу, стягивающую поверхность и отнесенную к единице длины.
, — коэффициент поверхностного натяжения. В системе единиц измерения - СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м 2) или в ньютонах на метр (1Н/м = Дж/м 2). Коэффициент поверхностного натяжения - важнейшая величина, характеризующая физические и химические свойства жидкости, используется в технологических процессах и учитывается в объяснении многих явлений: смачивания, кипения, флотации, кавитации. F - cила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка .
Следующие простые опыты дополнительно поясняют сущность сил поверхностного натяжения. Кольцо из проволоки с прикрепленной к нему в двух точках свободно подвешенной (не натянутой) нитью (см. прил.рис.6)погружается в мыльный раствор. При этом кольцо затягивается тонкой пленкой жидкости, а нить находится в равновесии, приняв случайную форму . Если теперь разрушить пленку по одну сторону от нити, прикоснувшись к пленке нагретой иглой, то нить натянется, приняв форму дуги окружности. Натяжение нити произошло под действием силы поверхностного натяжения со стороны сокращающейся пленки, силы, приложенной к нити, которая в данном случае является линией раздела . Сила эта, разумеется, во всех точках перпендикулярна к нити. Эта сила действовала на нить и. до разрушения пленки, но при этом на нее действовали одинаковые с обеих сторон силы. После же прорыва одной части пленки другая получила возможность уменьшить свою площадь и, как показывает форма на тянувшейся нити, площадь эта стала минимальной .
2.3. Явление смачивания и несмачивания
С поверхностными явлениями тесно связано поведение жидкости на границе с твердым телом. На границе соприкосновения с твердым телом поверхность жидкости может подниматься выше горизонтальной поверхности жидкости или опускаться ниже горизонтальной поверхности. . Жидкость, которая растекается по поверхности твердого тела, называется смачивающей , а жидкость, которая стягивается в каплю, - не смачивающей (см. прил.рис.7).Различие краевых углов в явлениях смачивания и несмачивания объясняется соответствием сил притяжения между молекулами твердого тела и жидкостей и сил межмолекулярного притяжения в жидкостях .. Если силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкости> F притяжения между молекулами жидкости, то жидкость будет смачивающей. Если молекулярное притяжение жидкости (внутри)> F притяжения между молекулами твердого тела и жидкости, то жидкость будет несмачивающей .
2.4. Капиллярные явления
«Сapillaris» - волос (в переводе с латинского) - узкие цилиндрические трубки с диаметром около миллиметра и менее называются капиллярами. То есть капиллярные явления - это явления в тонких трубках (капиллярах). В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. На этом основано действие полотенца при вытирании рук, действие фитиля в керосиновой лампе.
Очень часто жидкость, впитываясь в пористое тело, поднимается вверх. Капиллярность - явление подъёма или опускания жидкости в капиллярах [ 13] .В случае смачивающей жидкости (А)(см. прил.рис.8)силы притяжения Fж-т между молекулами жидкости и твердого тела (стенки капилляра) превосходят силы взаимодействия Fж между молекулами жидкости, поэтому жидкость втягивается внутрь капилляра, и подъем жидкости в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила Fв, действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h:(см. прил.рис.8 - В)Fв = mg . Жидкость, не смачивающая стенки капилляров(Б), опускается в нем на расстояние h (см. прил.рис.8) . По третьему закону Ньютона сила Fв, действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения Fпов., действующей на стенку по линии соприкосновения её с жидкостью: Fв = Fпов [ 8]
3. Практическая работа
3.1 Методы определения поверхностного натяжения . При исследовании поверхностных явлений на границе газ - жидкость наиболее часто используется метод, основанный на измерении поверхностного натяжения этой границы раздела, позволяющий, несмотря на его простоту, получить достаточно надежные данные. [ 15] . Существующие методы определения поверхностного натяжения делятся на три группы: статические, полустатические и динамические .
Статическими методами определяется поверхностное натяжение практически неподвижных поверхностей, образованных задолго до начала измерений и поэтому находящихся в равновесии с объемом жидкости. К этим методам относится метод капиллярного поднятия и метод лежащей или висящей капли (пузырька).
Динамические методы основаны на том, что некоторые виды механических воздействий на жидкость сопровождаются периодическими растяжениями и сжатиями ее поверхности, на которые влияет поверхностное натяжение. Этими методами определяется неравновесное значение . К динамическим методам относятся методы капиллярных волн и колеблющейся струи.
Полустатическими называются методы определения поверхностного натяжения границы раздела фаз, возникающей и периодически обновляемой в процессе измерения (метод максимального давления пузырька и сталагмометрический метод), а также методы отрыва кольца и втягивания пластины. Эти методы позволяют определить равновесное значение поверхностного натяжения, если измерения производятся в таких условиях, что время, в течение которого происходит формирование поверхности раздела, значительно больше времени установления равновесия в системе.
В данной работе для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости я использую полустатический метод: метод отрыва капель (сталагмометрический) и метод проволочной рамки. (втягивания пластины).
3.2 Метод отрыва капель . Наблюдая за отрывом капли жидкости от вертикальной узкой трубки, можно определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Рассмотрим, как растет капля жидкости(см. прил.рис.9).Размер капли постепенно нарастает, но отрывается она только тогда, когда достигает определенного размера (см. прил.рис.9, а).Пока капля недостаточно велика, силы поверхностного натяжения достаточны, чтобы противостоять силе тяжести и предотвратить отрыв. Перед отрывом образуется сужение - шейка капли (см. прил.рис.9 б) . Пока капля удерживается на конце капиллярной трубки, на нее будут действовать силы: (1) - сила тяжести, направленная вертикально вниз и стремящаяся оторвать каплю; силы поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно контуру l шейки капли. (см. прил.рис.10). Эти силы стремятся удержать каплю. Результирующая сила поверхностного натяжения направлена вверх и равна (2), где l -длина контура шейки капли. Когда сила тяжести станет равна силе поверхностного натяжения произойдет отрыв капли: (3). Для модулей сил: с учетом (2) и (3) запишем: [ 11]
Так как длина контура шейки каплигде d - диаметр шейки капли. Следовательно, откуда (4), где m- масса одной капли. Формула (4) является рабочей расчетной формулой.
Описанный способ экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости дает хорошие результаты, несмотря на то, что в действительности отрыв капли происходит не совсем так, как описано выше ..В действительности капля не отрывается по линии окружности шейки. В момент, когда размер капли достигает значения, определяемого равенством (3), шейка начинает быстро сужаться (см. прил.рис.9 б), причем ей сопутствует еще одна маленькая капля (см. прил.рис.9 с). Кроме того, в расчетах, диаметр шейки капли в момент отрыва можно принять равным внутреннему диаметру трубки, так как трубка достаточно узкая и ее диаметр сравним с диаметром шейки капли. Для расчета по формуле (4) необходимо во время измерения следить за чистотой капилляра и воды. Кроме того, коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры исследуемой жидкости: с ростом температуры он уменьшается. При комнатной температуре 20 С табличное значение коэффициента для воды табл = 72,510 3 Н/м. [ 9][ 2] .
Оборудование: сосуд с водой, пустой стакан, микрометр, весы с разновесом, тонкая стеклянная трубка (бюретка).
Ход работы: 1. Собрать установку. Измерить температуры в комнате и d.
2. Определить массу пустого стакана m 1 и накапать 30 капелек чистой воды. (см. прил. фото1).
3. Определить- m 2 - массу стакана с капельками воды. (см. прил. фото 2).
4. Найти массу одной капельки воды
6. Првести опыт 3 раза, используя 40 и 50 капель.
7. Найти δ ср. == [ 11]
│Δδ│ 1 =│δср.-δ 1 │ │Δδ│ 2 =│δср.-δ 2 │Δδ│ 3 =│δср.-δ 3 │
Δδ ср. = и E = 100 %
Данные занести в таблицу (см. прил. таблица № 1). 9. Сравнить рассчитанное значение коэффициента поверхностного натяжения воды с табличным и определить абсолютную и относительную погрешность по формулам: и Вывод : в исследовательской работе я определила коэффициент поверхностно натяжения воды при температуре 19 0 С методом отрыва капель и получила δ = (74,33 + 0,89) мН/м, E = 1,2%. Сравнивая с табличным значением мы получаем абсолютную погрешность Δδ = 1,38 мН/м и относительная погрешность E = 1,9%.
Анализируя полученные результаты видно отличие в погрешности измерений (значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению ). Погрешность измерения - характеристика точности измерений, и мы её определили разными способами ). Это можно объяснить:
Количество капель как результат счёта есть точное число, и если взять π =3,14 и g = 9,81 м/сек 2 , то относительные погрешности этих величин так же, как и для массы капли, будут слишком малы по сравнению с относительной погрешностью измерения диаметра канала трубки ).
Измерения были косвенные (по формуле);
Исследования проходили при температуре жидкости t = 19 0 С;
Инструментальная погрешность (микрометр, весы);
Действие экспериментатора.
3.3 Метод проволочной рамки
В жидкостях средние расстояния между молекулами значительно меньше, чем в газах. Поэтому силы взаимодействия играют в жидкостях существенную роль. В поверхностном слое жидкости проявляются избыточные межмолекулярные связи: молекулы, находящиеся в этом слое, испытывают направленную внутрь силу притяжения от молекул остальной части жидкости. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, поэтому она не действует на стенки сосуда и тела, погруженные в жидкость. Рассмотрим проволочную прямоугольную рамку длиной l , касающуюся поверхности жидкости (см. прил.рис.11). При поднятии рамки над поверхностью жидкости между рамкой и поверхностью образуется пленка, которая тянет вниз. Сила, удерживающая рамку равна:(1)l - длина проволочной рамки, σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Зная эту силу с помощью динамометра, мы найдем коэффициент поверхностного натяжения любой жидкости σ = F / 2l (2).
Оборудование: динамометр, прямоугольная проволочная рамка, сосуд, линейка, исследуемая жидкость.
Ход работы
1. Измерить длину проволочной рамки l
2. Налить в стакан исследуемую жидкость, аккуратно опустить проволочную рамку до соприкосновения с жидкостью, установить стрелку динамометра 0.
Примечание : проследить, чтобы рамка соприкасалось с жидкостью равномерно по всему своему периметру.
4. Аккуратно поднимая динамометра, поднять рамку до его отрыва от жидкости. Заметить и записать в таблицу показания динамометра F в момент отрыва рамки от жидкости. (см. прил. фото 3)
5. Провести опыты для различных жидкостей и вычислить значение коэффициента поверхностного натяжения по формуле (2).
6. Данные записать в таблицу (см. прил. таблица №.2).
7.Полученные значение поверхностного натяжения исследуемых жидкостей сравнить с табличным значением при t = 20 0 С.
8. Определить экспериментально зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры жидкости- t. Данные записать в таблицу (см. прил. таблица №.3).
9. Представить результаты исследования в виде графиков.
10.Определить абсолютную и относительную погрешность измерений.
Вывод: Используя метод проволочной рамки я определила коэффициент поверхностного натяжения жидкостей. По результатам представленными в таблице и на графике следует, что коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и её температуры. Чем выше температура, тем меньше коэффициент поверхностное натяжение. Результаты погрешностей представлены в таблице № 4.
Проявления сил поверхностного натяжения
Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й половине 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й половине 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений,в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. В 20 в. разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкнн) .
Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, включая расплавленные металлы. . Поверхностное натяжение металла и расплавленного электролита следует принимать во внимание по следующим причинам. При выделении расплавленного металла необходимо, чтобы он хорошо смачивал катод и получался в виде компактного слоя. Металл, не смачивающий катод, образует мелкие капли, что увеличивает поверхность его соприкосновения с электролитом и растворимость в нем. В процессе выделения твердого металла смачиваемость его электролитом способствует образованию защитной пленки и препятствует окислению . Кислород уменьшаетповерхностное натяжение металла, и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток уменьшается. . Азот повышаетповерхностное натяжение металла, поэтому с увеличением содержания азота в аргоне при одной и той же силе тока размер капель увеличивается. При сварке в среде азота происходит крупнокапельный перенос металла с интенсивным разбрызгиванием .
Рассмотрены методы и технические средства сбора нефтепродуктов с поверхности воды. Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости [ 3] .
Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма .
Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар (см. прил.рис.12). .
Осторожно положить иглу на поверхность воды (см. прил. фото 4) . Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть . По тэтой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды (см. прил.рис.13),как конкобежцы по льду .
В медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением (см. прил. рис.14) . Установлено, что вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. Она легче вступает в молекулярные взаимодействия, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.
Непрерывно растут объёмы печати на полимерных плёнках благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке . Важное условие грамотного внедрения подобных технологий — точное определение условий их применения в полиграфических процессах.
В полиграфии обработка пластика перед печатью необходима для того, чтобы краска ложилась на материал. Причина заключается в поверхностном натяжении материала. Результат определяется тем, как жидкость смачивает поверхность изделия. Смачивание считается оптимальным, когда капля жидкости остается там же, где она была нанесена. В других случаях жидкость может скатываться в каплю, либо, наоборот, растекаться. Оба случая в равной степени приводят к отрицательным результатам во время переноса краски .
Заключение Вначале работы мною была поставлена цель исследование поверхностных явлений в жидкостях и изучение существенных методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости на границе «жидкость - воздух». В ходе исследовательской работы я узнала:
1 ) о существенных экспериментальных методах измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости;
2 ) используя метод отрыва капель и проволочной рамки определила коэффициент поверхностного натяжения жидкости на границе «жидкость - воздух»; 3 ) силы поверхностного натяжения малы и проявляются при малых объемах жидкости;
4 ) поверхностная энергия жидкости зависит рода жидкости, от среды с которой она граничит, а также от температуры жидкости.
5 ) при увеличении температуры внутренняя энергия возрастает и, естественно, уменьшается напряжение в пограничном слое жидкости и, следовательно, уменьшаются силы поверхностного натяжения.
6) мыльная вода, обладает способностью образовывать тонкие пленки. Жидкая пленка превращается в эластичную поверхность, стремящуюся минимизировать свою площадь, и,следовательно, минимизировать энергию натяжения, приходящуюся на единицу площади (см. прил. фото № 6); (эта форма шара).
7 ) силы поверхностного натяжения существуют, играют большую роль в природе, технике и жизни человека. Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны.
6. Литература
1. Детлаф, А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2002. 718 с
2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебник для общеобразов. учреждений. - 6-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2008.
3. Кухлинг, Х. Справочник по физике. - М., 1982. - 520с
4. Ландсберга Г.С. Элементарный учебник физики. Том 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика. - М.,Книга по Требованию, 2012. - 618 с.
5 .Мякишев Г.Я,Синяков А.З. «Физика: молекулярная физика и термодинамика». Учебник для 10 класса профильного уровня. Москва, 2012.
6. Матвеев, А.Н. Молекулярная физика. М.:Высшая школа,1987. 360с.
7. Пинский А.А. Кабардин О.Ф. Учебник по физике 10 кл. Профильный уровень.13-е изд. - М.: Просвещение, 2011
8. Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Кн. 1. -20-е изд., стереотип. - М.: Наука, 1979 г.
9. Трофимова, Т.И. Курс физики. - М: Академия, 2007.- 560 с.
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Поверхностное_натяжение
11.Формулы http://studyport.ru/referaty/tochnyje-nauki/3948
12.Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph5/theory.html#.Vo9nifmLTcc
13.Смачивание, капилляр http://phys-bsu.narod.ru/lib/mkt/mkt/207.htm
14.Метод проволочной рамки http://allrefs.net/c12/3smth/p5/
15.Поверхностное натяжение жидкости http://physflash.narod.ru/Search/mechanics/24.htm
16.Интересные факты о форме жидкости http://www.afizika.ru/svojstvazhidkostejgazov/95-estestvennayaformazhidkosti
17. http://www.ngpedia.ru/id181006p1.html
Приложение
Рисунок 1. [ 6] Сечение сферической капли жидкости
Рисунок 2. Плавание капли масла
Рисунок 3 [ 2] Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 - вода; 2 - лед.
Рисунок 4 Молекулярный механизм поверхностного натяжения
Рисунок 5 [ 10] Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения
Рисунок 6. [ 2][ 0] Поверхностное натяжение мыльной пленки
Рисунок 7 [ 14] Условияравновесия на границе жидкость - твердое тело
Q90° - несмачивание
Q - Угол смачивания
Q =0 ° - идеальное не смачивание
Q=180 ° - идеальное смачивание
Рисунок 8. Капилляры [ 13]
А. Б. В.
Рисунок 9. Образование капли жидкости [ 10]
Рисунок 10. [ 12]
Рисунок 11.
Проволочная рамка [ 14]
Рисунок 12. Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике
Рисунок 13.
Рисунок 14. Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в физиологии нашего организма.
Таблица № 1 Коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с воздухом.
|
Δ δср. (мН/м) |
|||||||||
Таблица № 2 Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом
Таблица № 3 Коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с воздухом при разной температуре
Таблица № 4 Абсолютная и относительная погрешность измерения коэффициента поверхностного натяжения разного рода жидкостей
График №1. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости от рода жидкости, и сравнение результатов эксперимента с табличным.
График № 2. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры
Фотография № 1
Фотография № 2
Фотография № 3
Фотография № 4
Фотография № 5
Фотография № 6
Определение 1
Поверхностное натяжение – порыв жидкости уменьшить собственную свободную поверхность, то есть сократить избыток потенциальной энергии на границе разъединения с газообразной фазой.
Упругими характеристиками оснащены не только твердые физические тела, но и поверхность самой жидкости. Каждый в своей жизни видел, как растягивается мыльная пленка при небольшом выдувании пузырей. Силы поверхностного натяжения, которые возникают в мыльной пленке, удерживают на определенный период времени воздух, аналогичному тому, как резиновая растянувшаяся камера сохраняет воздух в футбольном мяче.
Поверхностное натяжение появляется на границе раздела основных фаз, например, газообразной и жидкой, или жидкой и твердой. Это непосредственно обусловлено тем, что элементарные частицы поверхностного слоя жидкости всегда испытывают различную силу притяжения изнутри и снаружи.
Указанный физический процесс возможно рассматривать на примере капли воды, где жидкость движется себя так, как будто она находится в эластичной оболочке. Здесь атомы поверхностного слоя жидкого вещества притягиваются к собственным внутренним соседям сильнее, чем к внешним частицам воздуха.
В целом поверхностное натяжение можно объяснить, как бесконечно малую или элементарную работу $\sigma A$, которую необходимо совершить для увеличения общей площади поверхности жидкости на бесконечно малую величину $dS$ при неизменной температуре $dt$.
Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях
Рисунок 2. Скалярная положительная величина. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Жидкость, в отличие от твердых тел и газов, не способна заполнить весь объем сосуда, в который она была помещена. Между паром и жидким веществом формируется определенная граница раздела, которая действует в особых условиях по сравнению с другой массой жидкости. Рассмотрим для более наглядного примера две молекулы $A$ и $B$. Частица $A$ находится внутри самой жидкости, молекула $B$ – непосредственно на ее поверхности. Первый элемент окружен другими атомами жидкости равномерно, поэтому действующие на молекулу силы со стороны попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия частиц всегда скомпенсированы, или, иными словами, их равнодействующая мощность равна нулю.
Молекула $B$ с одной стороны обрамлена молекулами жидкости, а с другой стороны –атомами газа, итоговая концентрация которых в значительной степени ниже, чем объединение элементарных частиц жидкости. Так как со стороны жидкости на молекулу $B$ воздействует гораздо больше молекул, чем со стороны идеального газа, равнодействующую всех межмолекулярных сил уже невозможно приравнять нулю, так как этот параметр направлен внутрь объема вещества. Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости оказалась в поверхностном слое, следует выполнить работу против нескомпенсированных сил. А это означает, что атомы приповерхностного уровня, по сравнению с частицами внутри жидкости, оснащены избыточной потенциальной энергией, которая носит название поверхностной энергии.
Коэффициент поверхностного натяжения
Рисунок 3. Поверхностное напряжение. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Определение 2
Коэффициент поверхностного натяжения – это физический показатель, характеризующий определенную жидкость и численно равный соотношению поверхностной энергии к общей площади свободной среды жидкости.
В физике основной единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в концепции СИ является {N}/{m}.
Указанная величина напрямую зависит от:
- природы жидкости (у «летучих элементах таких, как спирт, эфир, бензин, коэффициент поверхностного натяжения значительно меньше, чем у «нелетучих – ртути, воды);
- температуры жидкого вещества (чем выше температура, тем меньше итоговое поверхностное натяжение);
- свойств идеального газа, граничащий с данной жидкостью;
- наличия стабильных поверхностно-активных элементов таких, как стиральный порошок или мыло, которые способны уменьшить поверхностное натяжение.
Замечание 1
Также следует отметить, что параметр поверхностного натяжения не зависит от начальной площади свободной среды жидкости.
Из механики также известно, что неизменным состояниям системы всегда соответствует минимальное значение ее внутренней энергии. Вследствие такого физического процесса жидкое тело часто принимает форму с минимальной поверхностью. Если на жидкость не влияют посторонние силы или их действие крайне мало, ее элементы к форме сферы в виде капли воды или мыльного пузыря. Аналогичным образом начинают вести себя вода находясь в невесомости. Жидкость движется так, как будто по касательной к ее основной поверхности действуют факторы, сокращающие данную среду. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения возможно также определить, как основной модуль силы поверхностного натяжения, который в общем действует на единицу длины начального контура, ограничивающего свободную среду жидкости. Наличие указанных параметров делает поверхность жидкого вещества похожей на растянутую упругую пленку, с единственной разницей, что неизменные силы в пленке непосредственно зависят от площади ее системы, а сами силы поверхностного натяжения способны самостоятельно работать. Если положить небольшую швейную иглу на поверхность воды, гладь прогнется и не даст ей утонуть.
Действием внешнего фактора можно описать скольжение легких насекомых таких, как водомерки, по всей поверхности водоемов. Лапка этих членистоногих деформирует водную поверхность, тем самым увеличивая ее площадь. В результате этого возникает сила поверхностного натяжения, стремящаяся уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сила будет всегда направлена исключительно вверх, компенсируя при этом действие тяжести.
Результат действия поверхностного натяжения
Под воздействием поверхностного натяжения небольшие количества жидких сред стремятся принять шарообразную форму, которая будет идеально соответствовать наименьшей величине окружающей среды. Приближение к шаровой конфигурации достигается тем больше, чем слабее начальные силы тяжести, так как у малых капель показатель силы поверхностного натяжения гораздо превосходит влияние тяжести.
Поверхностное натяжение считается одной из важнейших характеристик поверхностей раздела фаз. Оно непосредственно воздействует на формирование мелкодисперсных частиц физических тел и жидкостей при их разделении, а также на слияние элементов или пузырьков в туманах, эмульсиях, пенах, на процессы адгезии.
Замечание 2
Поверхностное натяжение устанавливает форму будущих биологических клеток и их основных частей.
Изменение сил данного физического процесса влияет на фагоцитоз и на процессы альвеолярного дыхания. Благодаря этому явлению пористые вещества могут в течение длительного времени удерживать огромное количество жидкости даже из паров воздуха, Капиллярные явления, предполагающие изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в более широком сосуде, весьма распространены. Посредством данных процессов обусловлено поднятие воды в почве, по корневой системе растений, движение биологических жидкостей по системе мелких канальцев и сосудов.
Поверхностное натяжение питьевой воды
Важным параметром питьевой воды является поверхностное натяжение. Оно определяет степень сцепления между молекулами воды и форму поверхности жидкости, а так же определяет степень усвояемости воды организмом.
Уровень испаряемости жидкости зависит от того, насколько сильно сцеплены между собой ее молекулы. Чем сильнее молекулы притягиваются друг к другу, тем жидкость менее летуча. Чем меньше показатель поверхностного натяжения жидкости, тем более она летуча. Самым низким поверхностным натяжением обладают спирты и растворители. Это, в свою очередь, определяет их активность — способность взаимодействовать с другими веществами.
Зрительно поверхностное натяжение можно представить следующим образом: если медленно наливать в чашку чай до краев, то какое-то время он не будет выливаться через край и в проходящем свете можно увидеть, что над поверхностью жидкости образовалась тончайшая пленка, которая не дает чаю выливаться. Она набухает по мере доливания, и только при, как говорится, «последней капле» жидкость выливается через край.
Чем более «жидкая» вода используется для питья, тем меньше энергии требуется организму для разрыва молекулярных связей и насыщения клеток водой.
Единицей измерения поверхностного натяжения является дин/см.
Водопроводная вода имеет степень поверхностного натяжения до 73 дин/см, а внутри- и внеклеточная жидкость около 43 дин/см, поэтому клетке требуется большое количество энергии на преодоление поверхностного натяжения воды.
Образно говоря, вода бывает более «густая» и более «жидкая». Желательно, чтобы в организм поступала более «жидкая» вода, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения. Вода с низким поверхностным натяжением более биологически доступна. Она легче вступает в межмолекулярные взаимодействия.
Вы задумывались когда нибудь о том, «Почему горячая вода отмывает грязь лучше, чем холодная?». Это происходит потому что с ростом температуры воды снижается ее поверхностное натяжение. Чем ниже поверхностное натяжение воды, тем лучшим растворителем она является. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры. С ростом температуры (уменьшается и при критической температуре обращается в нуль. В зависимости от силы взаимодействия молекул жидкости с частицами твёрдого тела, соприкасающегося с ней, возможно смачивание или не смачивание жидкостью твёрдого тела. В обоих случаях поверхность жидкости вблизи границы с твёрдым телом искривляется.
Поверхностное натяжение воды можно понизить, например, добавляя биологически активные вещества или нагревая жидкость. Чем ближе будет значение поверхностного натяжение воды, которую вы употребляете для питья, к 43 дин/см, тем с меньшими энергетическими затратами она может быть усвоена вашим организмом.
Не знаете где можно взять правильную воду ? Я подскажу!
Обратите внимание:
Нажатие на кнопку «Узнать » не ведет к каким-либо финансовым тратам и обязательствам.
Вы лишь получите информацию о доступности правильной воды в Вашем регионе ,
а так же получите уникальную возможность бесплатно стать членом клуба здоровых людей
Поверхностный слой,
тонкий слой вещества близ поверхности соприкосновения двух фаз (тел, сред), отличающийся по свойствам от веществ в объёме фаз. Особые свойства П. с. обусловлены сосредоточенным в нём избытком свободной энергии (см. Поверхностная энергия, Поверхностное натяжение), а также особенностями его строения и состава. П. с. на границе конденсированных фаз часто называют межфазным слоем. Толщина П. с. зависит от разности плотностей фаз, интенсивности и типа межмолекулярных взаимодействий в граничной зоне, температуры, давления, химических потенциалов и др. термодинамических параметров системы. В одних случаях она не превышает толщины мономолекулярного слоя, в других - достигает десятков и сотен молекулярных размеров. Так, П. с. жидкостей вблизи критических температур смешения могут иметь толщину 1000 (100 нм) и более. П. с., образованный молекулами (или ионами) адсорбированного вещества, называется адсорбционным слоем. Особенно резко изменяются состав и свойства П. с. при адсорбции поверхностно-активных веществ. Адсорбционное, хемосорбционное и химическое воздействия на П. с. твёрдого тела могут вызвать его лиофилизацию или лиофобизацию (см. Лиофильность и лиофобность), привести к понижению его прочности (см. Ребиндера эффект) или, наоборот, повысить механические характеристики. Состояние П. с. различных конструкционных, радиотехнических и др. материалов сильно отражается на их эксплуатационно-технических и технологических характеристиках. Со свойствами П. с. связаны многообразные поверхностные явления в окружающем нас мире.
Пове́рхностное натяже́ние - термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.
Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл - энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение - это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение - это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости .
Статические методы:
1. Метод поднятия в капилляре
2. Метод Вильгельми
3. Метод лежачей капли
4. Метод определения по форме висячей капли.
5. Метод вращающейся капли
Динамические методы:
1. Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).
2. Сталагмометрический, или метод счета капель.
3. Метод максимального давления пузырька.
4. Метод осциллирующей струи
5. Метод стоячих волн
6. Метод бегущих волн
Поверхностное натяжение , стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию). Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз (размерность Дж/м 2). Согласно другому определению, поверхностное натяжение – сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к поверхности и препятствует ее самопроизвольному увеличению.
Поверхностное натяжение – основная термодинамическая характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или другой жидкостью. Поверхностное натяжение различных жидкостей на границе с собственным паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до нескольких тысяч мН/м для расплавленных тугоплавких веществ. Поверхностное натяжение зависит от температуры. Для многих однокомпонентных неассоциированных жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критической температуры хорошо выполняется линейная зависимость:
Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ) - химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.
Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность - способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз - это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.
Кап, кап... Вот очередная капля собралась на носике крана, набухла и сорвалась вниз. Подобная картина знакома любому. Или теплый летний дождик поливает истосковавшуюся по влаге землю - и опять капли. А почему именно капли? В чем здесь причина? Все очень просто: причиной этого является поверхностное натяжение воды.
Это одно из свойств воды или, если говорить в общем, всех жидкостей. Как известно, газ заполняет весь объём, в который попадает, а вот жидкость этого сделать не может. Молекулы, находящиеся внутри объема воды, окружены такими же молекулами со всех сторон. А вот находящиеся на поверхности, на границе жидкости и газа, испытывают воздействие не со всех сторон, а только со стороны тех молекул, которые расположены внутри объема, со стороны газа на них воздействия нет.
При этом на поверхности жидкости будет действовать сила, направленная вдоль нее перпендикулярно к тому участку поверхности, на который она действует. В результате действия этой силы и возникает поверхностное натяжение воды. Внешним его проявлением будет образование подобия невидимой, упругой пленки на границе раздела. Вследствие воздействия поверхностного натяжения капля воды примет форму сферы как тела, имеющего наименьшую площадь при заданном объеме.
Теперь можно определить, что поверхностное натяжение - это работа по изменению поверхности жидкости. С другой стороны его можно определить как энергию, необходимую для разрыва единицы поверхности. Поверхностное натяжение возможно на границе жидкости и газа. Оно определяется силой, действующей между молекулами, и значит, ответственной за летучесть (испаряемость). Чем меньше величина поверхностного натяжения, тем более летучей будет жидкость.
Можно определить, чему равно Формула для его вычисления включает в себя площадь поверхности и Как уже упоминалось раньше, коэффициент не зависит от формы и величины поверхности, а определяется силой межмолекулярного взаимодействия, т.е. типом жидкости. Для разных жидкостей его величина будет различной.
Поверхностное натяжение воды можно менять. Это достигается нагреванием, добавлением биологически активных веществ - таких, как мыло, порошок, паста. Его величина зависит от степени чистоты воды. Чем чище вода, тем величина поверхностного натяжения больше, и она по своему значению уступает только ртути.
Любопытный эффект наблюдается, когда жидкость соприкасается и с твердым веществом, и с газом. Если мы нанесем каплю воды на поверхность парафина, то она примет форму шарика. Это вызвано тем, что силы, действующие между парафином и каплей, меньше, чем взаимодействие между собой в результате чего и появляется шарик. Когда силы, действующие между поверхностью и каплей, будут больше, чем силы межмолекулярного взаимодействия, то вода равномерно растечется по поверхности. Это явление называется смачиванием.
Эффект смачиваемости в какой-то степени может характеризовать степень чистоты поверхности. На чистой поверхности капля растекается равномерно, а если поверхность загрязнена или покрыта веществом, не смачиваемым водой, то последняя собирается в шарики.
Как пример использования поверхностного натяжения в промышленности можно привести отливку сферических деталей, например, дроби для ружей. Капли расплавленного металла просто застывают на лету, принимая шарообразную форму.
Поверхностное натяжение воды, как и любой другой жидкости, является одним из важных ее параметров. Оно определяет некоторые характеристики жидкости - такие, как летучесть (испаряемость) и смачиваемость. Его значение зависит только от параметров межмолекулярного взаимодействия.