Jednym z efektów występujących w układzie gaz-ciecz-ciało stałe jest zjawisko napięcia powierzchniowego. Właściwie o to chodzi zjawiska napięcia powierzchniowego w obecności nadmiernych sił powstających na styku dwóch faz (na przykład ciecz/para lub ciecz/ciało stałe). Nazwijmy te siły nadmiarowe siły napięcia powierzchniowego. Dzięki tym siłom istnieje bańka mydlana lub film mydlany, nartowcy ślizgają się po wodzie, zachodzą zjawiska kapilarne, a ciecz w stanie nieważkości przyjmuje kształt kuli.

Spróbujmy znaleźć przyczyny pojawienia się tych sił. Rozważmy układ, w którym ciecz znajduje się w spoczynku w naczyniu (rys. 1).

Ryż. 1. Napięcie powierzchniowe

Rozważmy cząsteczkę wewnątrz cieczy (biała kula). Wybrana przez nas cząsteczka jest przyciągana ze wszystkich stron przez inne cząsteczki cieczy (ryc. 1.1). Dzięki temu, że ciecz jest równomiernie rozłożona (gęstość cząsteczek jest taka sama), wybrana przez nas cząsteczka jest „ciągnięta” równomiernie we wszystkich kierunkach, tj. suma wszystkich sił działających na ciało jest liczbowo równa zeru.

Umieśćmy cząsteczkę na granicy faz (ryc. 1.2). Tam jest on ściągany w dół w ten sam sposób, ale ze względu na to, że jest znacznie mniej cząsteczek gazu, działają też mniejsze siły ciągnące w górę. Wtedy całkowita siła działająca na wybraną przez nas cząsteczkę nie jest równa zeru i jest skierowana do cieczy. Ta całkowita siła jest siłą napięcia powierzchniowego.

Wartość napięcia powierzchniowego można znaleźć ręcznie poprzez mały eksperyment. Weźmy małą ramkę z jednym ruchomym bokiem i umieśćmy ją w wodzie z mydłem. Powstały film będziemy rozciągać, aż się zerwie. Ponieważ pęknięcie nie następuje natychmiast, co oznacza, że ​​na folię działa siła, która zapobiega jej pęknięciu. Siła, pod wpływem której folia pęka, jest, zgodnie z trzecim prawem Newtona, liczbowo równa maksymalnej sile napięcia powierzchniowego, jaka powstaje w folii (rys. 2).

Na tej lekcji omówione zostaną ciecze i ich właściwości. Z punktu widzenia współczesnej fizyki ciecze są najbardziej złożonym przedmiotem badań, ponieważ w porównaniu z gazami nie można już mówić o znikomej energii oddziaływania pomiędzy cząsteczkami, a w porównaniu z ciałami stałymi nie można już mówić o uporządkowany układ cząsteczek cieczy (w cieczy nie ma porządku dalekiego zasięgu). Prowadzi to do tego, że ciecze mają wiele interesujących właściwości i ich przejawów. Jedna z takich właściwości zostanie omówiona w tej lekcji.

Na początek omówmy szczególne właściwości cząsteczek znajdujących się w powierzchniowej warstwie cieczy w porównaniu z cząsteczkami znajdującymi się w objętości.

Ryż. 1. Różnica pomiędzy cząsteczkami warstwy powierzchniowej a cząsteczkami znajdującymi się w masie cieczy

Rozważmy dwie cząsteczki A i B. Cząsteczka A znajduje się wewnątrz cieczy, cząsteczka B znajduje się na jej powierzchni (rys. 1). Cząsteczka A jest równomiernie otoczona innymi cząsteczkami cieczy, dlatego siły działające na cząsteczkę A od cząsteczek wpadających w sferę oddziaływań międzycząsteczkowych są kompensowane lub ich wypadkowa jest równa zeru.

Co dzieje się z cząsteczką B, która znajduje się na powierzchni cieczy? Przypomnijmy, że stężenie cząsteczek gazu znajdujących się nad cieczą jest znacznie mniejsze niż stężenie cząsteczek cieczy. Cząsteczka B jest otoczona z jednej strony cząsteczkami cieczy, a z drugiej wysoce rozrzedzonymi cząsteczkami gazu. Ponieważ od strony cieczy działa na nią znacznie więcej cząsteczek, wypadkowa wszystkich sił międzycząsteczkowych zostanie skierowana do cieczy.

Zatem, aby cząsteczka z głębi cieczy przedostała się do warstwy powierzchniowej, należy wykonać pracę przeciwko nieskompensowanym siłom międzycząsteczkowym.

Przypomnijmy, że praca to zmiana energii potencjalnej mierzona ze znakiem minus.

Oznacza to, że cząsteczki warstwy powierzchniowej w porównaniu z cząsteczkami wewnątrz cieczy mają nadmierną energię potencjalną.

Ta nadwyżka energii jest składnikiem energii wewnętrznej cieczy i nazywa się ją energia powierzchniowa. Jest oznaczana jako i mierzona, jak każda inna energia, w dżulach.

Oczywiście im większa powierzchnia cieczy, tym więcej cząsteczek ma nadmiar energii potencjalnej, a zatem tym większa jest energia powierzchniowa. Fakt ten można zapisać w postaci następującej zależności:

,

gdzie jest pole powierzchni, a jest współczynnikiem proporcjonalności, który nazwiemy współczynnik napięcia powierzchniowego, współczynnik ten charakteryzuje tę lub inną ciecz. Zapiszmy ścisłą definicję tej wielkości.

Napięcie powierzchniowe cieczy (współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy) jest wielkością fizyczną charakteryzującą daną ciecz i jest równą stosunkowi energii powierzchniowej do pola powierzchni cieczy

Współczynnik napięcia powierzchniowego mierzy się w niutonach podzielonych przez metr.

Omówmy, od czego zależy współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy. Na początek pamiętajmy, że współczynnik napięcia powierzchniowego charakteryzuje energię właściwą oddziaływania cząsteczek, co oznacza, że ​​czynniki zmieniające tę energię będą również zmieniać współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy.

Zatem współczynnik napięcia powierzchniowego zależy od:

1. Charakter cieczy (ciecze „lotne”, takie jak eter, alkohol i benzyna, mają mniejsze napięcie powierzchniowe niż ciecze „nielotne” – woda, rtęć i ciekłe metale).

2. Temperatury (im wyższa temperatura, tym niższe napięcie powierzchniowe).

3. Obecność środków powierzchniowo czynnych obniżających napięcie powierzchniowe (surfaktanty), takich jak mydło lub proszek do prania.

4. Właściwości gazu graniczącego z cieczą.

Należy zauważyć, że współczynnik napięcia powierzchniowego nie zależy od pola powierzchni, ponieważ dla jednej cząsteczki przypowierzchniowej nie ma absolutnie znaczenia, ile podobnych cząsteczek jest wokół. Zwróć uwagę na tabelę, która pokazuje współczynniki napięcia powierzchniowego różnych substancji w temperaturze:

Tabela 1. Współczynniki napięcia powierzchniowego cieczy na granicy faz z powietrzem, at

Zatem cząsteczki warstwy powierzchniowej mają nadmierną energię potencjalną w porównaniu z cząsteczkami w większości cieczy. Na kursie mechaniki wykazano, że każdy układ dąży do minimum energii potencjalnej. Na przykład ciało rzucone z określonej wysokości będzie miało tendencję do upadku. Poza tym dużo wygodniej jest Ci w pozycji leżącej, gdyż w tym przypadku środek ciężkości Twojego ciała znajduje się jak najniżej. Do czego prowadzi chęć zmniejszenia swojej energii potencjalnej w przypadku cieczy? Ponieważ energia powierzchniowa zależy od pola powierzchni, posiadanie dużej powierzchni jest energetycznie niekorzystne. Innymi słowy, w stanie wolnym ciecz będzie miała tendencję do zmniejszania swojej powierzchni.

Można to łatwo sprawdzić, eksperymentując z filmem mydlanym. Jeśli zanurzysz określoną drucianą ramkę w roztworze mydła, utworzy się na niej film mydlany, który przybierze taki kształt, że jego powierzchnia będzie minimalna (ryc. 2).

Ryż. 2. Liczby z roztworu mydła

Istnienie sił napięcia powierzchniowego można zweryfikować za pomocą prostego eksperymentu. Jeśli nić jest przywiązana do drucianego pierścienia w dwóch miejscach, tak aby długość nici była nieco większa niż długość cięciwy łączącej punkty mocowania nitki, a następnie zanurz druciany pierścień w roztworze mydła (ryc. 3a), film mydlany pokryje całą powierzchnię pierścienia, a nić będzie leżała na filmie mydlanym. Jeśli teraz rozerwiesz folię po jednej stronie nitki, folia mydlana pozostająca po drugiej stronie nitki skurczy się i naciągnie nić (ryc. 3b).

Ryż. 3. Eksperyment w celu wykrycia sił napięcia powierzchniowego

Dlaczego się to stało? Faktem jest, że roztwór mydła pozostający na wierzchu, czyli płyn, ma tendencję do zmniejszania swojej powierzchni. W ten sposób nić jest ciągnięta do góry.

Jesteśmy zatem przekonani o istnieniu napięcia powierzchniowego. Teraz nauczmy się, jak to obliczyć. Aby to zrobić, przeprowadźmy eksperyment myślowy. Opuśćmy drucianą ramę do roztworu mydła, której jeden z boków jest ruchomy (ryc. 4). Rozciągniemy film mydlany, przykładając siłę do ruchomej strony ramy. Zatem na poprzeczkę działają trzy siły - siła zewnętrzna i dwie siły napięcia powierzchniowego działające wzdłuż każdej powierzchni folii. Korzystając z drugiego prawa Newtona, możemy to zapisać

Ryż. 4. Obliczanie siły napięcia powierzchniowego

Jeśli pod wpływem siły zewnętrznej poprzeczka przesunie się na odległość, wówczas ta siła zewnętrzna wykona pracę

Naturalnie dzięki tej pracy powierzchnia folii wzrośnie, co oznacza, że ​​​​zwiększy się również energia powierzchniowa, co możemy określić na podstawie współczynnika napięcia powierzchniowego:

Z kolei zmianę powierzchni można określić w następujący sposób:

gdzie jest długość ruchomej części ramy drucianej. Biorąc to pod uwagę, możemy napisać, że praca wykonana przez siłę zewnętrzną jest równa

Przyrównując prawe strony w (*) i (**), otrzymujemy wyrażenie na siłę napięcia powierzchniowego:

Zatem współczynnik napięcia powierzchniowego jest liczbowo równy sile napięcia powierzchniowego, która działa na jednostkę długości linii wyznaczającej powierzchnię

Zatem po raz kolejny jesteśmy przekonani, że ciecz ma tendencję do przybierania takiego kształtu, że jej powierzchnia jest minimalna. Można wykazać, że dla danej objętości pole powierzchni kuli będzie minimalne. Tak więc, jeśli na ciecz nie działają żadne inne siły lub ich wpływ jest niewielki, ciecz będzie miała tendencję do przyjmowania kształtu kulistego. Tak będzie się zachowywać np. woda w stanie nieważkości (ryc. 5) lub bańce mydlanej (ryc. 6).

Ryż. 5. Woda w stanie nieważkości

Ryż. 6. Bańki mydlane

Obecność sił napięcia powierzchniowego może również wyjaśniać, dlaczego metalowa igła „leży” na powierzchni wody (ryc. 7). Ostrożnie umieszczona igła na powierzchni odkształca ją, zwiększając w ten sposób powierzchnię tej powierzchni. W ten sposób powstaje siła napięcia powierzchniowego, która ma tendencję do zmniejszania takiej zmiany powierzchni. Wypadkowe siły napięcia powierzchniowego zostaną skierowane w górę i skompensują siłę ciężkości.

Ryż. 7. Igła na powierzchni wody

W ten sam sposób można wyjaśnić zasadę działania pipety. Kropla pod wpływem siły ciężkości jest ściągana w dół, zwiększając w ten sposób jej powierzchnię. Naturalnie powstają siły napięcia powierzchniowego, których wypadkowa jest przeciwna do kierunku grawitacji i które zapobiegają rozciąganiu kropli (rys. 8). Naciśnięcie gumowej nasadki pipety powoduje wytworzenie dodatkowego ciśnienia, które wspomaga grawitację i w efekcie kropla spada.

Ryż. 8. Zasada działania pipety

Podajmy inny przykład z życia codziennego. Jeśli zanurzysz pędzel w szklance wody, włosy staną się puszyste. Jeśli teraz wyjmiesz tę szczoteczkę z wody, zauważysz, że wszystkie włoski są sklejone ze sobą. Dzieje się tak dlatego, że powierzchnia wody przylegającej do szczoteczki będzie wówczas minimalna.

I jeszcze jeden przykład. Jeśli chcesz zbudować zamek z suchego piasku, jest mało prawdopodobne, że ci się to uda, ponieważ piasek kruszy się pod wpływem grawitacji. Jeśli jednak zmoczysz piasek, zachowa on swój kształt dzięki siłom napięcia powierzchniowego wody pomiędzy ziarnami piasku.

Na koniec zauważamy, że teoria napięcia powierzchniowego pomaga znaleźć piękne i proste analogie do rozwiązywania bardziej złożonych problemów fizycznych. Na przykład, gdy trzeba zbudować lekką, a jednocześnie mocną konstrukcję, z pomocą przychodzi fizyka tego, co dzieje się w bańkach mydlanych. I udało się skonstruować pierwszy odpowiedni model jądra atomowego, porównując to jądro atomowe do kropli naładowanej cieczy.

Bibliografia

1. G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. „Fizyka 10”. - M.: Edukacja, 2008.
2. Tak, E. Geguzin „Bąbelki”, Biblioteka Kwantowa. - M.: Nauka, 1985.
3. B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky „Podstawy fizyki” tom 1.
4. G. S. Landsberg „Podstawowy podręcznik fizyki” tom 1.

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

Praca domowa

1. Po rozwiązaniu problemów z tej lekcji możesz przygotować się do pytań 7,8,9 egzaminu państwowego oraz pytań A8, A9, A10 egzaminu jednolitego.
2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Fizyka. Zbiór zadań dla klasy 10" 5,34, 5,43, 5,44, 5,47 ()
3. Na podstawie zadania 5.47 wyznacz współczynnik napięcia powierzchniowego wody i roztworu mydła.

Lista pytań i odpowiedzi

Pytanie: Dlaczego napięcie powierzchniowe zmienia się wraz z temperaturą?

Odpowiedź: Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki cieczy zaczynają poruszać się szybciej, dzięki czemu cząsteczki łatwiej pokonują potencjalne siły przyciągania. Prowadzi to do zmniejszenia sił napięcia powierzchniowego, czyli potencjalnych sił wiążących cząsteczki powierzchniowej warstwy cieczy.

Pytanie: Czy współczynnik napięcia powierzchniowego zależy od gęstości cieczy?

Odpowiedź: Tak, ponieważ energia cząsteczek w powierzchniowej warstwie cieczy zależy od gęstości cieczy.

Pytanie: Jakie istnieją metody wyznaczania współczynnika napięcia powierzchniowego cieczy?

Odpowiedź: Na zajęciach szkolnych uczą się dwóch sposobów wyznaczania współczynnika napięcia powierzchniowego cieczy. Pierwsza to metoda rozrywania drutu, jej zasada jest opisana w zadaniu 5.44 z pracy domowej, druga to metoda liczenia kropel, opisana w zadaniu 5.47.

Pytanie: Dlaczego bańki mydlane po pewnym czasie się zapadają?

Odpowiedź: Faktem jest, że po pewnym czasie pod wpływem grawitacji pęcherzyk staje się grubszy na dole niż na górze, a następnie pod wpływem parowania w pewnym momencie zapada się. Prowadzi to do tego, że cała bańka, niczym balon, zapada się pod wpływem nieskompensowanych sił napięcia powierzchniowego.

Napięcie powierzchniowe wody pitnej

Ważnym parametrem wody pitnej jest napięcie powierzchniowe. Określa stopień przylegania cząsteczek wody do kształtu powierzchni cieczy, a także określa stopień wchłaniania wody przez organizm.

Poziom parowania cieczy zależy od tego, jak silnie są ze sobą powiązane jej cząsteczki. Im bardziej cząsteczki przyciągają się, tym mniej lotna jest ciecz. Im niższe napięcie powierzchniowe cieczy, tym jest ona bardziej lotna. Alkohole i rozpuszczalniki mają najniższe napięcie powierzchniowe. To z kolei determinuje ich aktywność - zdolność do interakcji z innymi substancjami.

Wizualnie napięcie powierzchniowe można przedstawić w następujący sposób: jeśli powoli wlejesz herbatę do filiżanki po brzegi, to przez pewien czas nie będzie się przelewać, a w świetle przechodzącym widać, że nad powierzchnią płynu utworzył się cienki film, co zapobiega rozsypywaniu się herbaty. W miarę dodawania pęcznieje i dopiero przy, jak to się mówi, „ostatniej kropli” następuje przelanie płynu.

Im bardziej „płynna” jest woda do picia, tym mniej energii potrzebuje organizm, aby rozerwać wiązania molekularne i nasycić komórki wodą.

Jednostką miary napięcia powierzchniowego jest dyn/cm.

Woda z kranu ma napięcie powierzchniowe do 73 dyn/cm, a płyn wewnątrz- i zewnątrzkomórkowy około 43 dyn/cm, zatem komórka potrzebuje dużej ilości energii, aby pokonać napięcie powierzchniowe wody.

Mówiąc obrazowo, woda może być grubsza i rzadsza. Pożądane jest, aby do organizmu dostało się więcej „płynnej” wody, wtedy komórki nie będą musiały marnować energii na pokonywanie napięcia powierzchniowego. Woda o niskim napięciu powierzchniowym jest bardziej dostępna biologicznie. Łatwiej wchodzi w interakcje międzycząsteczkowe.

Czy zastanawiałeś się kiedyś: „Dlaczego gorąca woda zmywa brud lepiej niż zimna woda?” Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury wody maleje jej napięcie powierzchniowe. Im niższe napięcie powierzchniowe wody, tym lepszy jest ona rozpuszczalnikiem. Współczynnik napięcia powierzchniowego zależy od składu chemicznego cieczy, środowiska, z którym graniczy, oraz temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury (maleje, a w temperaturze krytycznej osiąga zero. W zależności od siły oddziaływania pomiędzy cząsteczkami cieczy i stykającymi się z nią cząstkami ciała stałego, możliwe jest, że ciało stałe może, ale nie musi) być zwilżona przez ciecz. W obu przypadkach powierzchnia cieczy w pobliżu granicy z ciałem stałym jest zakrzywiona.

Napięcie powierzchniowe wody można obniżyć np. poprzez dodanie substancji biologicznie czynnych lub podgrzanie cieczy. Im napięcie powierzchniowe wody, którą pijesz, jest bliższe 43 dyn/cm, tym mniej energii może ona pochłonąć Twoje ciało.

Nie wiem gdzie można to dostać właściwą wodę ? Powiem ci!

Notatka:

Kliknięcie przycisku „ Wiedzieć„nie pociąga za sobą żadnych kosztów ani zobowiązań finansowych.

Tylko ty uzyskaj informację o dostępności odpowiedniej wody w Twoim regionie,

I zyskaj niepowtarzalną okazję, aby bezpłatnie zostać członkiem klubu zdrowych ludzi

Głównym elementem.

Aby zrozumieć podstawowe właściwości i wzorce stanu ciekłego substancji, należy wziąć pod uwagę następujące aspekty:

Struktura cieczy. Ruch cząsteczek cieczy.

Ciecz to coś, co może płynąć.

W ułożeniu cząstek cieczy obserwuje się tzw. porządek krótkiego zasięgu. Oznacza to, że względem dowolnej cząstki uporządkowane jest położenie jej najbliższych sąsiadów.

Jednak w miarę oddalania się od danej cząstki układ innych cząstek względem niej staje się coraz mniej uporządkowany i dość szybko porządek w ułożeniu cząstek całkowicie zanika.

Cząsteczki cieczy poruszają się znacznie swobodniej niż cząsteczki stałe, chociaż nie tak swobodnie jak cząsteczki gazu.

Każda cząsteczka cieczy porusza się tu i tam przez jakiś czas, nie oddalając się jednak od swoich sąsiadów. Jednak od czasu do czasu cząsteczka cieczy ucieka ze swojego otoczenia i przenosi się w inne miejsce, trafiając do nowego środowiska, gdzie ponownie przez pewien czas wykonuje ruchy podobne do wibracji. Znaczące osiągnięcia w rozwoju szeregu problemów teorii stanu ciekłego należą do radzieckiego naukowca Ya I. Frenkla.

Według Frenkla ruch termiczny w cieczach ma następujący charakter. Każda cząsteczka oscyluje wokół pewnego położenia równowagi przez pewien czas. Co jakiś czas cząsteczka zmienia swoje miejsce równowagi, przemieszczając się gwałtownie do nowej pozycji, oddalonej od poprzedniej o odległość rzędu wielkości samych cząsteczek. Oznacza to, że cząsteczki poruszają się w cieczy tylko powoli, zatrzymując się przez część czasu w pobliżu określonych miejsc. Zatem ruch cząsteczek cieczy przypomina mieszaninę ruchów w ciele stałym i w gazie: ruch oscylacyjny w jednym miejscu zostaje zastąpiony. poprzez swobodne przemieszczanie się z jednego miejsca do drugiego.

Ciśnienie płynu

Codzienne doświadczenie uczy, że ciecze działają ze znanymi siłami na powierzchnię stykających się z nimi ciał stałych. Siły te nazywane są siłami ciśnienia płynu.

Kiedy zakrywamy palcem otwór otwartego kranu, czujemy nacisk cieczy na palec. Ból ucha odczuwany przez pływaka nurkującego na duże głębokości jest spowodowany działaniem sił ciśnienia wody na błonę bębenkową. Termometry do pomiaru temperatury w głębokim morzu muszą być bardzo trwałe, aby ciśnienie wody nie mogło ich zmiażdżyć.

Ciśnienie w cieczy spowodowane jest zmianą jej objętości – ściskaniem. Ciecze są elastyczne w stosunku do zmian objętości. Siły sprężystości w cieczy to siły nacisku. Jeśli zatem ciecz działa siłami nacisku na stykające się z nią ciała, oznacza to, że jest ona ściskana. Ponieważ gęstość substancji wzrasta podczas ściskania, możemy powiedzieć, że ciecze mają elastyczność ze względu na zmiany gęstości.

Ciśnienie w cieczy jest prostopadłe do dowolnej powierzchni umieszczonej w cieczy. Ciśnienie w cieczy na głębokości h jest równe sumie ciśnienia na powierzchni i wartości proporcjonalnej do głębokości:

Ze względu na to, że ciecze mogą przenosić ciśnienie statyczne niemal nie mniejsze niż ich gęstość, można je stosować w urządzeniach dających przewagę wytrzymałościową: prasie hydraulicznej.

Prawo Archimedesa

Na powierzchnię ciała stałego zanurzonego w cieczy działają siły ciśnienia. Ponieważ ciśnienie rośnie wraz z głębokością zanurzenia, siły nacisku działające na dolną część cieczy i skierowane w górę są większe niż siły działające na górną część cieczy i skierowane w dół i możemy się spodziewać, że wypadkowa sił nacisku będzie skierowana w górę. Wypadkowa sił nacisku na ciało zanurzone w cieczy nazywana jest siłą podporową cieczy.

Jeżeli ciało zanurzone w cieczy pozostawi się samemu sobie, to zatonie, pozostanie w równowadze lub wypłynie na powierzchnię cieczy, w zależności od tego, czy siła podpierająca jest mniejsza, równa czy większa od siły grawitacja działająca na ciało.

Prawo Archimedesa mówi, że na ciało znajdujące się w cieczy działa siła wyporu skierowana ku górze, równa ciężarowi wypartej cieczy. Na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu (zwana siłą Archimedesa)

gdzie ρ jest gęstością cieczy (gazu), jest przyspieszeniem swobodnego spadania, oraz V- objętość zanurzonego ciała (lub część objętości ciała znajdująca się pod powierzchnią).

Jeżeli na wadze zawieszone jest ciało zanurzone w cieczy, wówczas waga wskazuje różnicę pomiędzy ciężarem ciała w powietrzu a ciężarem wypartej cieczy. Dlatego też prawo Archimedesa przyjmuje czasami następującą formułę: ciało zanurzone w cieczy traci na swoim ciężarze tyle samo, ile waży wyparta przez nie ciecz.

Ciekawostką jest eksperymentalny fakt, że znajdując się w innej cieczy o większym ciężarze właściwym, ciecz ta zgodnie z prawem Archimedesa „traci” swoją wagę i przyjmuje swój naturalny, kulisty kształt.

Odparowanie

W warstwie powierzchniowej i w pobliżu powierzchni cieczy działają siły, które zapewniają istnienie powierzchni i nie pozwalają cząsteczkom opuścić objętości cieczy. Ze względu na ruch termiczny niektóre cząsteczki mają prędkości wystarczająco duże, aby pokonać siły utrzymujące cząsteczki w cieczy i opuścić ciecz. Zjawisko to nazywa się parowaniem. Obserwuje się go w dowolnej temperaturze, ale jego intensywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Jeśli cząsteczki, które opuściły ciecz, zostaną usunięte z przestrzeni w pobliżu powierzchni cieczy, wówczas ostatecznie cała ciecz wyparuje. Jeżeli cząsteczki, które opuściły ciecz, nie zostaną usunięte, tworzą się pary. Cząsteczki pary, które dostają się do obszaru w pobliżu powierzchni cieczy, są wciągane do cieczy przez siły przyciągające. Proces ten nazywa się kondensacją.

Zatem, jeśli cząsteczki nie zostaną usunięte, szybkość parowania maleje z czasem. Wraz z dalszym wzrostem gęstości pary dochodzi do sytuacji, w której liczba cząsteczek opuszczających ciecz w określonym czasie będzie równa liczbie cząsteczek powracających w tym samym czasie do cieczy. Następuje stan równowagi dynamicznej. Para znajdująca się w stanie równowagi dynamicznej z cieczą nazywana jest nasyconą.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta gęstość i ciśnienie pary nasyconej. Im wyższa temperatura, tym więcej cząsteczek cieczy ma wystarczającą energię do odparowania i tym większa musi być gęstość pary, aby kondensacja równała się parowaniu.

Wrzenie

Po podgrzaniu cieczy do temperatury, w której ciśnienie pary nasyconej jest równe ciśnieniu zewnętrznemu, między cieczą a jej parą nasyconą ustala się równowaga. Kiedy do cieczy zostanie przekazana dodatkowa ilość ciepła, odpowiednia masa cieczy natychmiast zamienia się w parę. Proces ten nazywa się gotowaniem.

Wrzenie to intensywne parowanie cieczy, występujące nie tylko z powierzchni, ale w całej jej objętości, wewnątrz powstałych pęcherzyków pary. Aby przejść z cieczy w parę, cząsteczki muszą zdobyć energię niezbędną do pokonania sił przyciągania utrzymujących je w cieczy. Na przykład, aby odparować 1 g wody w temperaturze 100 ° C i pod ciśnieniem odpowiadającym ciśnieniu atmosferycznemu na poziomie morza, należy wydać 2258 J, z czego 1880 wykorzystuje się do oddzielenia cząsteczek od cieczy, a resztę służą do zwiększenia objętości zajmowanej przez układ wbrew siłom ciśnienia atmosferycznego (1 g pary wodnej w temperaturze 100°C i pod ciśnieniem normalnym zajmuje objętość 1,673 cm 3, natomiast 1 g wody w tych samych warunkach - tylko 1,04 cm 3).

Temperatura wrzenia to temperatura, w której ciśnienie pary nasyconej zrównuje się z ciśnieniem zewnętrznym. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta temperatura wrzenia, a wraz ze spadkiem ciśnienia maleje.

Ze względu na zmianę ciśnienia cieczy wraz z wysokością jej słupa, wrzenie na różnych poziomach cieczy następuje, ściśle rzecz biorąc, w różnych temperaturach. Tylko para nasycona nad powierzchnią wrzącej cieczy ma określoną temperaturę. O jego temperaturze decyduje wyłącznie ciśnienie zewnętrzne. Jest to temperatura, którą mamy na myśli, gdy mówimy o temperaturze wrzenia.

Temperatury wrzenia różnych cieczy znacznie się od siebie różnią, co jest szeroko stosowane w technologii, na przykład przy destylacji produktów naftowych.

Ilość ciepła, jaką należy dostarczyć, aby izotermicznie przekształcić pewną ilość cieczy w parę, przy ciśnieniu zewnętrznym równym ciśnieniu jej pary nasyconej, nazywa się utajonym ciepłem parowania. Wartość tę określa się zwykle jako jeden gram lub jeden mol. Ilość ciepła wymagana do izotermicznego odparowania mola cieczy nazywana jest molowym utajonym ciepłem parowania. Jeżeli wartość tę podzieli się przez masę cząsteczkową, otrzyma się właściwe ciepło utajone parowania.

Napięcie powierzchniowe cieczy

Zdolność cieczy do zmniejszania swojej powierzchni do minimum nazywa się napięciem powierzchniowym. Napięcie powierzchniowe to zjawisko ciśnienia molekularnego działającego na ciecz, spowodowane przyciąganiem cząsteczek w warstwie powierzchniowej do cząsteczek znajdujących się wewnątrz cieczy. Na powierzchni cieczy na cząsteczki działają siły, które nie są symetryczne. Średnio cząsteczka znajdująca się w cieczy podlega sile przyciągania i adhezji ze strony sąsiadów równomiernie ze wszystkich stron. Jeśli powierzchnia cieczy zostanie zwiększona, cząsteczki będą poruszać się wbrew siłom trzymającym. Zatem siła mająca tendencję do kurczenia się powierzchni cieczy działa w kierunku przeciwnym do siły zewnętrznej rozciągającej powierzchnię. Siła ta nazywana jest napięciem powierzchniowym i obliczana jest ze wzoru:

Współczynnik napięcia powierzchniowego()

Długość granicy powierzchni cieczy

Należy pamiętać, że łatwo parujące ciecze (eter, alkohol) mają mniejsze napięcie powierzchniowe niż ciecze nielotne (rtęć). Napięcie powierzchniowe ciekłego wodoru, a zwłaszcza ciekłego helu, jest bardzo niskie. Przeciwnie, w ciekłych metalach napięcie powierzchniowe jest bardzo wysokie. Różnicę w napięciu powierzchniowym cieczy tłumaczy się różnicą sił adhezji różnych cząsteczek.

Pomiary napięcia powierzchniowego cieczy pokazują, że napięcie powierzchniowe zależy nie tylko od rodzaju cieczy, ale także od jej temperatury: wraz ze wzrostem temperatury różnica gęstości cieczy maleje, a co za tym idzie – maleje współczynnik napięcia powierzchniowego.

Ze względu na napięcie powierzchniowe każda objętość cieczy ma tendencję do zmniejszania swojej powierzchni, zmniejszając w ten sposób jej energię potencjalną. Napięcie powierzchniowe jest jedną z sił sprężystości odpowiedzialnych za ruch zmarszczek w wodzie. W przypadku wybrzuszeń grawitacja powierzchniowa i napięcie powierzchniowe ściągają cząsteczki wody w dół, próbując ponownie sprawić, że powierzchnia będzie gładka.

Folie płynne

Każdy wie, jak łatwo jest uzyskać pianę z wody z mydłem. Piana to zbiór pęcherzyków powietrza otoczonych cienką warstwą cieczy. Z cieczy tworzącej pianę można łatwo uzyskać oddzielną warstwę.

Te filmy są bardzo ciekawe. Mogą być niezwykle cienkie: w najcieńszych miejscach ich grubość nie przekracza stu tysięcznych milimetra. Pomimo swojej szczupłości są czasami bardzo odporne. Film mydlany może być rozciągany i deformowany, a strumień wody może przepływać przez film mydlany, nie niszcząc go.

Jak możemy wyjaśnić stabilność filmów? Niezbędnym warunkiem powstania filmu jest dodanie do czystej cieczy substancji w nim rozpuszczających się, a ponadto takich, które znacznie zmniejszają napięcie powierzchniowe

W przyrodzie i technologii zwykle spotykamy nie pojedyncze filmy, ale zbiór filmów - piankę. Często w strumieniach, gdzie małe strumyki wpadają do spokojnej wody, można zaobserwować obfite powstawanie piany. W tym przypadku zdolność wody do pienienia wiąże się z obecnością w wodzie specjalnej substancji organicznej, uwalnianej z korzeni roślin. W sprzęcie budowlanym stosuje się materiały o strukturze komórkowej, takie jak pianka. Takie materiały są tanie, lekkie, słabo przewodzą ciepło i dźwięk oraz są dość trwałe. Aby je wytworzyć, do roztworów, z których powstają materiały budowlane, dodaje się substancje sprzyjające pienieniu.

Zwilżanie

Małe krople rtęci umieszczone na szklanej płytce przyjmują kulisty kształt. Jest to wynikiem działania sił molekularnych zmierzających do zmniejszenia powierzchni cieczy. Rtęć umieszczona na powierzchni ciała stałego nie zawsze tworzy okrągłe kropelki. Rozprzestrzenia się po płycie cynkowej, a całkowita powierzchnia kropli niewątpliwie się zwiększy.

Kropla aniliny również ma kształt kulisty tylko wtedy, gdy nie dotyka ścianki szklanego naczynia. Gdy tylko dotknie ściany, natychmiast przykleja się do szyby, rozciągając się po niej i uzyskując dużą powierzchnię całkowitą.

Wyjaśnia to fakt, że w przypadku kontaktu z ciałem stałym znaczącą rolę zaczynają odgrywać siły adhezji pomiędzy cząsteczkami cieczy i cząsteczkami ciała stałego. Zachowanie cieczy będzie zależeć od tego, co jest większe: spójność pomiędzy cząsteczkami cieczy lub spójność cząsteczki cieczy z cząsteczką stałą. W przypadku rtęci i szkła siły przylegania pomiędzy cząsteczkami rtęci i szkła są małe w porównaniu z siłami przylegania pomiędzy cząsteczkami rtęci, a rtęć zbiera się w kroplę.

Ten płyn nazywa się nie zwilżający solidny. W przypadku rtęci i cynku siły kohezji pomiędzy cząsteczkami cieczy i ciała stałego przewyższają siły kohezji działające pomiędzy cząsteczkami cieczy i ciecz rozprzestrzenia się po ciele stałym. W tym przypadku ciecz nazywa się zwilżanie solidny.

Wynika z tego, że mówiąc o powierzchni cieczy, musimy mieć na myśli nie tylko powierzchnię, na której ciecz graniczy z powietrzem, ale także powierzchnię, która graniczy z innymi cieczami lub ciałem stałym.

W zależności od tego, czy ciecz zwilża ścianki naczynia, czy nie, kształt powierzchni cieczy w miejscu styku ze ścianą stałą i gazem przybiera taką czy inną postać. W przypadku niezwilżania kształt powierzchni cieczy przy krawędzi jest okrągły i wypukły. Po zwilżeniu ciecz na krawędzi przyjmuje wklęsły kształt.

Zjawiska kapilarne

W życiu często mamy do czynienia z ciałami, do których przenika wiele małych kanałów (papier, przędza, skóra, różne materiały budowlane, ziemia, drewno). Kiedy takie ciała wchodzą w kontakt z wodą lub innymi cieczami, często je wchłaniają. Na tym opiera się działanie ręcznika podczas wycierania rąk, działanie knota w lampie naftowej itp. Podobne zjawiska można zaobserwować także w wąskich szklanych rurkach. Wąskie rurki nazywane są rurkami włosowymi lub włosowymi.

Kiedy taką rurkę zanurzymy z jednego końca w szerokim naczyniu w szerokim naczyniu, dzieje się co następuje: jeżeli ciecz zwilży ścianki rurki, to podniesie się ona ponad poziom cieczy w naczyniu, a ponadto wyższa, im węższa rura; jeśli ciecz nie zwilża ścian, wręcz przeciwnie, poziom cieczy w rurce jest ustawiony niżej niż w szerokim naczyniu. Nazywa się zmianę wysokości poziomu cieczy w wąskich rurkach lub szczelinach kapilarność. W szerokim znaczeniu zjawiska kapilarne oznaczają wszelkie zjawiska spowodowane istnieniem napięcia powierzchniowego.

Wysokość podnoszenia cieczy w rurkach kapilarnych zależy od promienia kanału w rurce, napięcia powierzchniowego i gęstości cieczy. Pomiędzy cieczą w kapilarze a cieczą w szerokim naczyniu ustala się taką różnicę poziomów h, aby ciśnienie hydrostatyczne rgh równoważyło ciśnienie kapilarne:

gdzie s jest napięciem powierzchniowym cieczy

R jest promieniem kapilary.

Wysokość cieczy wznoszącej się w kapilarze jest proporcjonalna do jej napięcia powierzchniowego i odwrotnie proporcjonalna do promienia kanału kapilarnego i gęstości cieczy (prawo Jurina)

Tekst pracy publikujemy bez obrazów i formuł.
Pełna wersja pracy dostępna jest w zakładce „Pliki Pracy” w formacie PDF

Wstęp

W otaczającym nas świecie, obok grawitacji, elastyczności i tarcia, istnieje jeszcze jedna siła, na którą zwykle nie zwracamy uwagi. Siła ta działa wzdłuż stycznej do powierzchni wszystkich cieczy. Siła działająca wzdłuż powierzchni cieczy prostopadle do linii ograniczającej tę powierzchnię dąży do jej zminimalizowania, nazywa się ją siła napięcia powierzchniowego. Jest stosunkowo niewielki, jego działanie nigdy nie powoduje potężnych efektów. Nie możemy jednak nalać wody do szklanki, ani w ogóle nic zrobić z jakimkolwiek płynem, bez wywołania sił napięcia powierzchniowego. Jesteśmy tak przyzwyczajeni do efektów zwanych napięciem powierzchniowym, że ich nie zauważamy. Przejawy napięcia powierzchniowego cieczy w przyrodzie i technologii są zaskakująco różnorodne. Odgrywają ważną rolę w przyrodzie i w naszym życiu. Bez nich nie bylibyśmy w stanie pisać piórami helowymi; wkłady do drukarek natychmiast tworzyłyby dużą plamę, opróżniając cały ich zbiornik. Nie dałoby się namydlić rąk – nie tworzyłaby się piana. Lekki deszcz by nas przemoczył i tęczy nie dałoby się zobaczyć bez względu na pogodę. Napięcie powierzchniowe gromadzi wodę w kropelki, a dzięki napięciu powierzchniowemu można wydmuchać bańkę mydlaną. Stosując wobec badaczy zasadę „Bądź zaskoczony czasem” belgijskiego profesora Plateau, w naszej pracy będziemy uwzględniać niezwykłe eksperymenty.

Cel pracy: eksperymentalne badanie przejawów napięcia powierzchniowego cieczy, wyznaczanie współczynnika napięcia powierzchniowego cieczy metodą separacji kropli

Zapoznaj się z literaturą edukacyjną, popularnonaukową, korzystaj z materiałów w Internecie na temat „Napięcie powierzchniowe”;

przeprowadzać doświadczenia, aby wykazać, że właściwym kształtem cieczy jest kula;

przeprowadzać eksperymenty ze zmniejszaniem i zwiększaniem napięcia powierzchniowego;

zaprojektować i złożyć układ doświadczalny do wyznaczania współczynnika napięcia powierzchniowego niektórych cieczy metodą separacji kropli.

przetworzyć otrzymane dane i wyciągnąć wnioski.

Przedmiot badań: ciecze.

Głównym elementem. Napięcie powierzchniowe

Ryc. 1. G. Galileo

Liczne obserwacje i eksperymenty pokazują, że ciecz może przyjąć taką postać, w której jej powierzchnia swobodna ma najmniejszą powierzchnię. Chcąc się skurczyć, warstwa powierzchniowa nadałaby cieczy kulisty kształt, gdyby nie przyciąganie do Ziemi. Im mniejszy spadek, tym większą rolę odgrywają siły napięcia powierzchniowego. Dlatego małe krople rosy na liściach drzew i trawie mają kształt zbliżony do kuli; krople deszczu spadając swobodnie, mają prawie ściśle kulisty kształt. Tendencję cieczy do maksymalnego kurczenia się można zaobserwować w wielu zjawiskach, które wydają się zaskakujące. Galileusz zastanawiał się także nad pytaniem: dlaczego krople rosy, które zobaczył o poranku na liściach kapusty, przybierają kulisty kształt? Stwierdzenie, że ciecz nie ma własnego kształtu, okazuje się nie do końca trafne. Właściwą formą cieczy jest kula, jako forma najbardziej pojemna. Cząsteczki substancji w stanie ciekłym znajdują się prawie blisko siebie. W przeciwieństwie do stałych ciał krystalicznych, w których cząsteczki tworzą uporządkowane struktury w całej objętości kryształu i mogą wykonywać drgania termiczne wokół stałych ośrodków, cząsteczki cieczy mają większą swobodę. Każda cząsteczka cieczy, podobnie jak ciała stałego, jest „wciśnięta” ze wszystkich stron przez sąsiednie cząsteczki i podlega drganiom termicznym wokół pewnego położenia równowagi. Jednakże od czasu do czasu jakakolwiek cząsteczka może przenieść się do pobliskiego wolnego miejsca. Takie skoki w cieczach zdarzają się dość często; dlatego cząsteczki nie są przywiązane do określonych ośrodków, jak w kryształach i mogą poruszać się po całej objętości cieczy. To wyjaśnia płynność cieczy. Ze względu na silne oddziaływanie pomiędzy blisko położonymi cząsteczkami, mogą one tworzyć lokalne (niestabilne) uporządkowane grupy zawierające kilka cząsteczek. 1

Rysunek 2. Przykład uporządkowania bliskiego zasięgu cząsteczek cieczy i uporządkowania dalekiego zasięgu cząsteczek substancji krystalicznej: 1 - woda; 2 - lód

Jak wytłumaczyć spontaniczne kurczenie się powierzchni cieczy? Cząsteczki na powierzchni i głęboko w cieczy znajdują się w różnych warunkach. Każda cząsteczka wewnątrz cieczy podlega siłom przyciągania ze strony sąsiadujących cząsteczek otaczających ją ze wszystkich stron. Wynik tych sił wynosi zero. Nad powierzchnią cieczy znajduje się para, której gęstość jest wielokrotnie mniejsza niż gęstość cieczy, a oddziaływanie cząsteczek pary z cząsteczkami cieczy można pominąć. Cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy są przyciągane tylko przez cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy. Pod wpływem tych sił cząsteczki warstwy powierzchniowej są przyciągane do wewnątrz, liczba cząsteczek na powierzchni maleje, a pole powierzchni maleje. Jednak nie wszystkie cząsteczki mogą przedostać się z powierzchni do cieczy; zapobiegają temu siły odpychające, które powstają, gdy zmniejszają się odległości między cząsteczkami. W pewnych odległościach pomiędzy cząsteczkami wciągniętymi do wewnątrz a cząsteczkami znajdującymi się pod powierzchnią siły oddziaływania stają się równe zeru i proces kurczenia się powierzchni zostaje zatrzymany. Liczba cząsteczek pozostałych na powierzchni jest taka, że ​​jej powierzchnia jest minimalna dla danej objętości cieczy. Ponieważ ciecz jest płynna, przyjmuje postać, w której liczba cząsteczek na powierzchni jest minimalna, a kula ma minimalną powierzchnię dla danej objętości, czyli kropla cieczy przyjmuje kształt zbliżony do kulistego. Najłatwiejszym sposobem zrozumienia natury sił napięcia powierzchniowego jest obserwacja powstawania kropli. Przyjrzyj się uważnie, jak kropla stopniowo rośnie, tworzy się zwężenie - szyja - i kropla odrywa się. Nie trzeba wielkiej wyobraźni, aby wyobrazić sobie, że woda jest zamknięta w elastycznym worku, który pęka, gdy ciężar przekracza jego wytrzymałość. W rzeczywistości w kropli nie ma oczywiście samej wody, ale sama powierzchniowa warstwa wody zachowuje się jak rozciągnięta elastyczna folia. To samo wrażenie wywołuje błona bańki mydlanej.

Doświadczenie nr 1

Tarcie cieczy w kierunku minimum energii potencjalnej można zaobserwować za pomocą baniek mydlanych. Film mydlany to podwójna warstwa powierzchniowa. Jeśli zdmuchniesz bańkę mydlaną, a następnie przestaniesz ją nadmuchywać, zacznie ona zmniejszać swoją objętość, wyciskając strumień powietrza.

Napięcie powierzchniowe to zjawisko ciśnienia molekularnego działającego na ciecz spowodowane przyciąganiem cząsteczek warstwy powierzchniowej do cząsteczek znajdujących się wewnątrz cieczy 5

Doświadczenie na płaskowyżu (1849)

Ryż. 4. J.Plateau

Bąbelkiem, który skłonił belgijskiego profesora do eksperymentu, był przypadek. Przez przypadek wlał niewielką ilość oleju do mieszaniny alkoholu i wody, która przybrała kształt kuli. Zastanawiając się nad tym, Platon nakreślił serię eksperymentów, które później znakomicie przeprowadzili jego przyjaciele i uczniowie. W swoim pamiętniku zapisał zasadę dla badaczy: „Czas się zdziwić”. Postanowiłem zbadać doświadczenie Plateau, ale w inny sposób: w eksperymencie wykorzystałem olej słonecznikowy i barwioną wodę manganową.

Doświadczenie wykazujące, że jednorodna ciecz przyjmuje kształt przy minimalnej swobodnej powierzchni

Opcja doświadczenia na płaskowyżu nr 2

1) Do zlewki wlano olej słonecznikowy.

2) Za pomocą zakraplacza do oczu wpuść do oleju słonecznikowego kroplę zabarwionej wody manganowej o średnicy około 5 mm.

) Zaobserwowaliśmy kule wodne różnej wielkości, które powoli opadały na dno i przybierały spłaszczony owalny kształt (Fot. 2).

5) Zaobserwowaliśmy, jak kropla przybrała prawidłowy kształt kuli (Zdjęcie 2).

Wniosek: Ciecz, przyciągając cząsteczki warstwy wierzchniej, ulega kompresji. Owalny, spłaszczony kształt tłumaczy się tym, że ciężar kropli, która nie miesza się z olejem, jest większy od siły wyporu. Prawidłowy kształt kuli tłumaczy się tym, że kropla unosi się w oleju: ciężar kropli równoważy siła wyporu.

Krople deszczu spadając swobodnie, w stanie nieważkości, mają praktycznie kształt kuli. Na statku kosmicznym dość duża masa cieczy również przyjmuje kulisty kształt.

Współczynnik napięcia powierzchniowego

W przypadku braku siły zewnętrznej na powierzchnię cieczy działa siła napięcia powierzchniowego, co zmniejsza powierzchnię folii do minimum. Siła napięcia powierzchniowego to siła skierowana stycznie do powierzchni cieczy, prostopadle do odcinka konturu ograniczającego tę powierzchnię, w kierunku jej skurczu.

Ơ – współczynnik napięcia powierzchniowego – jest to stosunek modułu F siły napięcia powierzchniowego działającego na granicę warstwy wierzchniej ℓ do tej długości, wartość stała niezależna od długości ℓ. Współczynnik napięcia powierzchniowego zależy od rodzaju otaczających mediów i temperatury. Wyraża się ją w niutonach na metr (N/m).

Eksperymenty z redukcją i wzrostem

Zdjęcie 3

napięcie powierzchniowe

Doświadczenie nr 3

Dotknij środkiem powierzchni wody kawałkiem mydła.

Kawałki pianki zaczynają przesuwać się od środka ku krawędziom naczynia (Zdjęcie 3).

Na środek naczynia wrzucono benzynę, alkohol i detergent "Wróżka"

Wniosek: napięcie powierzchniowe tych substancji jest mniejsze niż wody.

Substancje te służą do usuwania brudu, tłustych plam, sadzy, tj. substancje nierozpuszczalne w wodzie Ze względu na dość wysokie napięcie powierzchniowe sama woda nie ma zbyt dobrego efektu czyszczącego. Na przykład cząsteczki wody w kontakcie z plamą przyciągają się bardziej do siebie niż do cząstek nierozpuszczalnego brudu. Mydła i syntetyczne detergenty (SDC) zawierają substancje zmniejszające napięcie powierzchniowe wody. Pierwsze mydło, najprostszy detergent, uzyskano na Bliskim Wschodzie ponad 5000 lat temu. Początkowo używano go głównie do przemywania oraz leczenia wrzodów i ran. I dopiero w I wieku naszej ery. mężczyzna zaczął się myć mydłem.

Na początku I wieku narodziło się mydło.

Uchroniło człowieka od brudu i od najmłodszych lat stał się czysty.

Opowiadam Wam o mydle, które wkrótce zrodziło: szampon, żel, puder.

Świat stał się czysty, jak dobrze!

Ryc. 5. F. Gunther

Detergenty to naturalne i syntetyczne substancje o działaniu oczyszczającym, zwłaszcza mydła i proszki do prania stosowane w życiu codziennym, przemyśle i sektorze usług. Mydło otrzymuje się w wyniku chemicznego oddziaływania tłuszczu i zasad. Najprawdopodobniej odkryto to przez czysty przypadek podczas smażenia mięsa na ogniu, a tłuszcz spływał na popiół, który ma właściwości alkaliczne. Produkcja mydła ma długą historię, ale pierwszy syntetyczny detergent (SDC) pojawił się w 1916 roku, został wynaleziony przez niemieckiego chemika Fritza Gunthera do celów przemysłowych. Domowe SMS-y, mniej lub bardziej nieszkodliwe dla rąk, zaczęto wydawać w 1933 roku. Od tego czasu opracowano szereg syntetycznych detergentów (SDC) o wąskim przeznaczeniu, a ich produkcja stała się ważną gałęzią przemysłu chemicznego.

To właśnie z powodu napięcia powierzchniowego woda sama w sobie nie ma wystarczającego działania czyszczącego. Kiedy cząsteczki wody wchodzą w kontakt z plamą, przyciągają się do siebie, zamiast zatrzymywać cząsteczki brudu, innymi słowy, nie zwilżają brudu.

Mydła i detergenty syntetyczne zawierają substancje zwiększające właściwości zwilżające wody poprzez zmniejszenie napięcia powierzchniowego. Substancje te nazywane są środkami powierzchniowo czynnymi (surfaktantami), ponieważ działają na powierzchnię cieczy.

Obecnie produkcja SMS-ów stała się ważną gałęzią przemysłu chemicznego. Substancje te nazywane są środek powierzchniowo czynny(środki powierzchniowo czynne), ponieważ działają na powierzchnię cieczy. Cząsteczki środka powierzchniowo czynnego można przedstawić jako kijanki. Do wody „przyczepiają się” głowami, a tłuszczu „ogonami”. Kiedy środki powierzchniowo czynne mieszają się z wodą, ich cząsteczki na powierzchni skierowane są „głowami” w dół i „ogonami” na zewnątrz. Rozbijając w ten sposób powierzchnię wody, cząsteczki te znacznie zmniejszają efekt napięcia powierzchniowego, ułatwiając w ten sposób wodzie penetrację tkanki. Za pomocą tych samych „ogonów” cząsteczki środka powierzchniowo czynnego (ryc. 6) wychwytują napotykane cząsteczki tłuszczu. 2

Doświadczenie nr 4

1. Na spodek wlej mleko tak, aby zakryło dno (Zdjęcie 4)

2. Upuść 2 krople brylantowej zieleni na powierzchnię mleka

3. Zaobserwowaliśmy, jak brylantowa zieleń została „przeniesiona” ze środka na brzegi. Dwie krople jaskrawej zieleni pokrywają większą część powierzchni mleka! (Zdjęcie 5)

Wniosek: napięcie powierzchniowe zieleni jaskrawej jest znacznie mniejsze niż mleka.

4. Na powierzchnię jaskrawozielonej wody spuszczono płyn do mycia naczyń „Wróżka”, widzieliśmy jak płyn rozprzestrzenił się po całej powierzchni (Fot. 6).

Wniosek: Napięcie powierzchniowe detergentu jest mniejsze niż w przypadku zieleni brylantowej.

Doświadczenie nr 5

Wodę wlano do szerokiego szklanego naczynia.

Na powierzchnię wyrzucono kawałki piany.

Dotknij środka powierzchni wody kawałkiem cukru.

Wąsy styropianu zaczynają przesuwać się od krawędzi naczynia w kierunku środka (Fot. 7).

Wniosek: Napięcie powierzchniowe wodnego roztworu cukru jest większe niż czystej wody.

Doświadczenie nr 6

Usuwanie tłustych plam z powierzchni tkanin

Zwilżyliśmy watę benzyną i tą watą zwilżyliśmy brzegi plamy (nie samą plamę). Benzyna zmniejsza napięcie powierzchniowe, więc tłuszcz gromadzi się w środku plamy i można go stamtąd usunąć; jeśli zwilżysz samą plamę tą samą watą, może ona zwiększyć swój rozmiar ze względu na zmniejszenie napięcia powierzchniowego.

Do doświadczalnego określenia wartości napięcia powierzchniowego cieczy można wykorzystać proces powstawania i oddzielania kropelek wypływających z zakraplacza.

Krótka teoria metody separacji kropli

Sama niewielka objętość cieczy przyjmuje kształt zbliżony do kuli, ponieważ ze względu na małą masę cieczy działająca na nią siła grawitacji jest również niewielka. To wyjaśnia kulisty kształt małych kropli cieczy. Rycina 1 przedstawia fotografie przedstawiające różne etapy procesu tworzenia i oddzielania kropel. Zdjęcie zostało wykonane przy użyciu szybkiego filmowania; kropla rośnie powoli; możemy założyć, że w każdym momencie jest w równowadze. Napięcie powierzchniowe powoduje kurczenie się powierzchni kropli, ma tendencję do nadawania kropli kształtu kulistego. Grawitacja umieszcza środek ciężkości kropli możliwie najniżej. W rezultacie kropla wydaje się wydłużona (ryc. 7a).

Ryż. 7. a B C D

Proces powstawania i separacji kropelek

Im większa kropla, tym większą rolę odgrywa energia potencjalna grawitacji. W miarę wzrostu kropli większość masy gromadzi się na dnie i na kropli tworzy się szyjka (ryc. 7b). Siła napięcia powierzchniowego skierowana jest pionowo stycznie do szyjki i równoważy siłę ciężkości działającą na kroplę. Teraz wystarczy, że kropla znacznie wzrośnie, a siły napięcia powierzchniowego nie równoważą już siły grawitacji. Szyjka kropli szybko się zwęża (ryc. 7c), w wyniku czego kropla pęka (ryc. 7d).

Metoda pomiaru współczynnika napięcia powierzchniowego niektórych cieczy opiera się na ważeniu kropelek. W przypadku powolnego wypływu cieczy z małego otworu wielkość powstałych kropel zależy od gęstości cieczy, współczynnika napięcia powierzchniowego, wielkości i kształtu otworu, a także natężenia przepływu . Kiedy ciecz zwilżająca powoli wypływa z pionowej cylindrycznej rurki, powstała kropla ma kształt pokazany na rysunku 8. Promień r szyjki kropli jest powiązany z zewnętrznym promieniem rurki R zależnością r = kR (1)

gdzie k jest współczynnikiem zależnym od rozmiaru rury i natężenia przepływu.

W momencie rozdzielenia ciężar kropli musi być równy wypadkowej sił napięcia powierzchniowego działających na długości równej długości konturu szyi w jej najwęższym miejscu. Dzięki temu możemy pisać

Mg = 2πrơ (2)

Podstawiając wartość promienia szyjki r z równości (1) i rozwiązując ją, otrzymujemy

Ơ = mg/2πkR (3)

Aby określić masę kropli, do szklanki o znanej masie odważa się pewną liczbę n kropel. Jeżeli masa kubka bez kropli i z kroplami wynosi odpowiednio M 0 i M, to masa jednej kropli

Podstawiając ostatnie wyrażenie do wzoru (3) i wprowadzając jego średnicę d zamiast promienia rury, otrzymujemy wzór obliczeniowy

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Praca naukowa „Wyznaczanie współczynnika napięcia powierzchniowego niektórych cieczy metodą separacji kropli”

Cel badania: wyznaczanie współczynnika napięcia powierzchniowego cieczy poprzez odrywanie kropli niektórych cieczy. Urządzenia: instalacja do pomiaru współczynnika napięcia powierzchniowego, waga, odważnik, kubek, suwmiarka, stoper. Materiały: detergenty: „Wróżka”, „Aos”, mleko, alkohol, benzyna, roztwory w proszku: „Mit”, „Persil”, szampony „Frutti”, « Pantena», „Schauma” I " Frutti”, żele pod prysznic” Sensen», „Monpensier” I " Odkryć».

Opis urządzenia.

Do wyznaczenia współczynnika napięcia powierzchniowego zmontowano układ składający się ze statywu, na którym zainstalowano biuretę z cieczą testową. Na końcu biurety przymocowana jest końcówka rurki, na końcu której tworzy się kropla. Krople odważano w specjalnym naczyniu.

Postęp badania

Za pomocą suwmiarki trzykrotnie zmierzono średnicę końcówki i obliczono średnią wartość d.

Zważ na wadze czystą, suchą szklankę (M 0).

Za pomocą kranu z biuretą osiągnęliśmy natężenie przepływu kropli

15 kropli na minutę.

Z biurety do szklanki wlano 60 kropli płynu, dokładnie licząc liczbę rzuconych kropli.

Zważyliśmy szklankę płynu. (M)

Podstaw otrzymane wartości do wzoru ơ = ((M-M0)g)/πkdn

Obliczono współczynnik napięcia powierzchniowego.

Doświadczenie przeprowadzono trzykrotnie

Obliczono średnią wartość współczynnika napięcia powierzchniowego.

Współczynnik napięcia powierzchniowego w układzie SI mierzony jest w N/m.

Tabela nr 1

Wyniki wyznaczania współczynnika napięcia powierzchniowego (N/m)

Płyn	Współczynnik napięcia powierzchniowego
	Wymierzony	Tabelaryczny
Etanol
Mleko (2,5)
Mleko (domowe krowie)
Roztwór proszku „mit”.
Roztwór proszku Persil
Detergent „Wróżka”
Detergent „Aos”

Wniosek: Spośród badanych detergentów kuchennych, gdy wszystkie inne parametry wpływające na jakość „prania” są takie same, lepiej jest zastosować produkt „ Wróżka" Z badanych proszków do prania „ Mit", ponieważ To właśnie ich rozwiązania charakteryzują się najniższym napięciem powierzchniowym. Dlatego pierwszym lekarstwem („ Wróżka„) lepiej pomaga zmywać z naczyń tłuszcze nierozpuszczalne w wodzie, będąc emulgatorem – środkiem ułatwiającym wytwarzanie emulsji (zawiesin najmniejszych cząstek ciekłej substancji w wodzie). Drugi (" Mit„) lepiej pierze pranie, wnikając w pory między włóknami tkanin. Należy pamiętać, że stosując kuchenne detergenty zmuszamy substancję (w szczególności tłuszcz) do rozpuszczenia się w wodzie przynajmniej na jakiś czas, gdyż jest „kruszony” na drobne cząstki. W tym czasie zaleca się spłukanie naniesionego detergentu strumieniem czystej wody, zamiast płukania naczyń po pewnym czasie w pojemniku. Dodatkowo badano napięcie powierzchniowe szamponów i żeli pod prysznic. Ze względu na dość dużą lepkość tych cieczy trudno jest dokładnie określić ich współczynnik napięcia powierzchniowego, ale można go porównać. Badano szampony (metodą odrywania kropli) „Pantena», „Schauma” I " Frutti”, a także żele pod prysznic” Sensen», „Monpensier” I " Odkryć».

Wniosek:

Napięcie powierzchniowe zmniejsza się w szamponach w pewnym zakresie „Frutti” - „Schauma” - „Panten” w żelach - z rzędu „Monpensier” - "Odkryć" - "Rozsądek".

Napięcie powierzchniowe szamponów jest mniejsze niż napięcie powierzchniowe żeli (na przykład „ Pantena» < «Rozsądek„o 65 mN/m), co uzasadnia ich przeznaczenie: szampony – do mycia włosów, żele – do mycia ciała.

Przy wszystkich innych identycznych cechach wpływających na jakość prania lepiej jest stosować badane szampony. „Pantene” (ryc. 9), badanych żeli pod prysznic - „Zmysły” (ryc. 10).

Metoda odrywania kropli, choć mało dokładna, jest jednak stosowana w praktyce medycznej. Metodą tą określa się napięcie powierzchniowe płynu mózgowo-rdzeniowego, żółci itp. w celach diagnostycznych.

Wniosek

1. Uzyskano eksperymentalne potwierdzenie wniosków teoretycznych , udowodnienie, że jednorodna ciecz przyjmuje kształt przy minimalnej swobodnej powierzchni

2. Przeprowadzono eksperymenty ze spadkiem i wzrostem napięcia powierzchniowego, których wyniki wykazały, że mydło i detergenty syntetyczne zawierają substancje zwiększające właściwości zwilżające wody poprzez zmniejszenie siły napięcia powierzchniowego.

3. Wyznaczać współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy

a) zbadano krótką teorię metody separacji kropli;

b) zaprojektowano i zmontowano układ doświadczalny;

c) obliczono średnie wartości współczynnika napięcia powierzchniowego różnych cieczy i wyciągnięto wnioski.

4. Wyniki doświadczeń i badań przedstawiono w formie tabel i fotografii.

Praca nad projektem pozwoliła mi zdobyć szerszą wiedzę z zakresu fizyki „Napięcie powierzchniowe”.

Chciałbym zakończyć mój projekt słowami wielkiego fizyka

A. Einsteina:

„Wystarczy mi poczucie odwiecznej tajemnicy życia, uświadomienie sobie i intuicyjne zrozumienie cudownej struktury wszystkich rzeczy oraz aktywne dążenie do uchwycenia nawet najmniejszego ziarenka inteligencji, która objawia się w Naturze”.

Wykaz źródeł i wykorzystanej literatury

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

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

Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu.L., Myakishev G.Ya., Fizyka, podręcznik dla 9 klasy szkoły średniej - wydanie 4 - M .: Edukacja, 1988 - 271 s.

Kasyanov V.A., Fizyka, klasa 10, podręcznik dla instytucji kształcenia ogólnego, M.: Drop, 2001. - 410 s.

Pinsky A.A. Fizyka: podręcznik. Podręcznik dla 10 klas z dogłębną nauką fizyki. M.: Edukacja, 1993. - 416 s.

Yufanova I.L. Zabawne wieczory z fizyki w szkole średniej: książka dla nauczycieli. - M.: Edukacja, 1990. -215s

Chuyanov V.Ya., Słownik encyklopedyczny młodego fizyka, M.: Pedagogika, 1984. - 350 s.

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

2 http://greenfuture.ru