Lastnosti tekočin. Površinska napetost

12.09.202227.05.2017

Privlačne sile med molekulami na površini tekočine preprečujejo, da bi se premaknile čez njo.

Molekule tekočine doživljajo sile medsebojne privlačnosti - pravzaprav ravno zaradi tega tekočina ne izhlapi v trenutku. Privlačne sile drugih molekul delujejo na molekule v tekočini z vseh strani in se tako medsebojno uravnotežijo. Molekule na površini tekočine nimajo zunanjih sosedov in nastala privlačna sila je usmerjena v notranjost tekočine. Zaradi tega se celotna vodna površina pod vplivom teh sil nagiba k krčenju. Skupaj ta učinek povzroči nastanek tako imenovane sile površinske napetosti, ki deluje vzdolž površine tekočine in povzroči nastanek nekakšnega nevidnega, tankega in elastičnega filma na njej.

Ena od posledic učinka površinske napetosti je, da je treba za povečanje površine tekočine – njeno raztezanje – opraviti mehansko delo za premagovanje sil površinske napetosti. Če torej tekočino pustimo pri miru, se nagiba k temu, da zavzame obliko, v kateri je njena površina minimalna. Ta oblika je seveda krogla – zato dežne kaplje v letu dobijo skoraj kroglasto obliko (pravim »skoraj«, ker se kapljice v letu zaradi zračnega upora nekoliko podaljšajo). Iz istega razloga se kapljice vode na karoseriji avtomobila, prekrite s svežim voskom, zbirajo v kroglice.

Sile površinske napetosti se uporabljajo v industriji – zlasti pri ulivanju sferičnih oblik, kot je na primer puška. Kapljice staljene kovine se preprosto strdijo med letom, ko padejo z dovolj visoke višine, da to storijo, in se strdijo v kroglice, preden padejo v sprejemno posodo.

Obstaja veliko primerov delovanja sil površinske napetosti iz našega vsakdanjega življenja. Pod vplivom vetra se na gladini oceanov, morij in jezer tvori valovanje, to valovanje pa so valovi, pri katerih se navzgor usmerjena sila notranjega vodnega pritiska uravnoteži s padajočo silo površinske napetosti. Ti dve sili se izmenjujeta in na vodi nastane valovanje, tako kot valovanje nastane v struni glasbila zaradi izmeničnega raztezanja in stiskanja.

Ali se bo tekočina zbrala v "kroglice" ali enakomerno porazdelila po trdni površini, je odvisno od razmerja sil medmolekularne interakcije v tekočini, ki povzročajo površinsko napetost, in privlačnih sil med molekulami tekočine in trdne površine. V tekoči vodi so na primer sile površinske napetosti posledica vodikovih vezi med molekulami ( cm. kemične vezi). Površino stekla zmoči voda, saj steklo vsebuje dovolj veliko število atomov kisika, voda pa zlahka tvori vodikove vezi ne samo z drugimi molekulami vode, temveč tudi z atomi kisika. Če na površino stekla nanesemo mast, se s površino ne tvorijo vodikove vezi, voda pa se pod vplivom notranjih vodikovih vezi, ki določajo površinsko napetost, zbira v kapljice.

V kemični industriji se vodi pogosto dodajajo posebna vlažilna sredstva - površinsko aktivne snovi, - preprečevanje zbiranja vode v kapljicah na kateri koli površini. Dodajajo jih na primer tekočim detergentom za pomivalne stroje. Ko pridejo v površinsko plast vode, molekule takšnih reagentov opazno oslabijo sile površinske napetosti, voda se ne zbira v kapljice in po sušenju na površini ne pušča umazanih madežev ( cm.

V tej lekciji bomo govorili o tekočinah in njihovih lastnostih. Z vidika sodobne fizike so tekočine najtežji predmet raziskovanja, saj v primerjavi s plini ne moremo več govoriti o zanemarljivi interakcijski energiji med molekulami, v primerjavi s trdnimi snovmi pa ne moremo govoriti o urejeni razporeditvi molekul. molekule tekočine (v tekočini ni daljnosežnega reda) . To vodi do dejstva, da imajo tekočine številne zanimive lastnosti in njihove manifestacije. O eni taki lastnosti bomo razpravljali v tej lekciji.

Najprej se pogovorimo o posebnih lastnostih, ki jih imajo molekule pripovršinske plasti tekočine v primerjavi z molekulami v masi.

riž. 1. Razlika med molekulami pripovršinske plasti in molekulami v masi tekočine

Razmislite o dveh molekulah A in B. Molekula A je znotraj tekočine, molekula B je na njeni površini (slika 1). Molekula A je enakomerno obdana z drugimi molekulami tekočine, zato so sile, ki delujejo na molekulo A iz molekul, ki padejo v sfero medmolekularne interakcije, kompenzirane oziroma je njihova rezultanta enaka nič.

Kaj se zgodi z molekulo B, ki se nahaja na površini tekočine? Spomnimo se, da je koncentracija molekul plina, ki je nad tekočino, veliko manjša od koncentracije molekul tekočine. Molekulo B na eni strani obdajajo molekule tekočine, na drugi strani pa molekule zelo redkega plina. Ker s strani tekočine nanjo deluje veliko več molekul, bo rezultanta vseh medmolekulskih sil usmerjena v notranjost tekočine.

Torej, da bi molekula prišla iz globine tekočine v površinsko plast, je potrebno opraviti delo proti nekompenziranim medmolekularnim silam.

Spomnimo se, da je delo sprememba potencialne energije, vzeta z znakom minus.

To pomeni, da imajo molekule pripovršinske plasti v primerjavi z molekulami v tekočini presežek potencialne energije.

Ta presežna energija je sestavni del notranje energije tekočine in se imenuje površinska energija. Označena je kot in se meri kot katera koli druga energija v joulih.

Očitno je, da večja kot je površina tekočine, več je takšnih molekul, ki imajo presežek potencialne energije, in s tem večjo površinsko energijo. To dejstvo lahko zapišemo kot naslednjo relacijo:

kjer je površina, in je faktor sorazmernosti, ki ga bomo imenovali površinska napetost, ta koeficient označuje eno ali drugo tekočino. Zapišimo strogo definicijo te količine.

Površinska napetost tekočine (koeficient površinske napetosti tekočine) je fizikalna količina, ki označuje določeno tekočino in je enaka razmerju med površinsko energijo in površino tekočine.

Koeficient površinske napetosti se meri v newtonih deljeno z metrom.

Pogovorimo se, od česa je odvisen koeficient površinske napetosti tekočine. Za začetek se spomnimo, da koeficient površinske napetosti označuje specifično energijo interakcije molekul, kar pomeni, da bodo dejavniki, ki spreminjajo to energijo, spremenili tudi koeficient površinske napetosti tekočine.

Torej je koeficient površinske napetosti odvisen od:

1. Narava tekočine (za "hlapne" tekočine, kot so eter, alkohol in bencin, je površinska napetost manjša kot pri "nehlapnih" - voda, živo srebro in tekoče kovine).

2. Temperatura (višja kot je temperatura, manjša je površinska napetost).

3. Prisotnost površinsko aktivnih snovi, ki zmanjšujejo površinsko napetost (površinsko aktivne snovi), kot je milo ali pralni prašek.

4. Lastnosti plina, ki meji na tekočino.

Upoštevajte, da koeficient površinske napetosti ni odvisen od površine, saj je za eno posamezno pripovršinsko molekulo popolnoma nepomembno, koliko enakih molekul je okoli. Bodite pozorni na tabelo, ki prikazuje koeficiente površinske napetosti različnih snovi pri temperaturi:

Tabela 1. Koeficienti površinske napetosti tekočin na meji z zrakom, pri

Torej imajo molekule pripovršinske plasti presežek potencialne energije v primerjavi z molekulami v večji količini tekočine. Pri tečaju mehanike je bilo dokazano, da vsak sistem teži k minimalni potencialni energiji. Na primer, telo, vrženo z določene višine, bo padlo navzdol. Poleg tega se v ležečem položaju počutite veliko bolj udobno, saj je v tem primeru središče mase vašega telesa čim nižje. Do česa vodi želja po zmanjšanju njene potencialne energije v primeru tekočine? Ker je površinska energija odvisna od površine, pomeni, da je energijsko neugodno, da ima katera koli tekočina veliko površino. Z drugimi besedami, v prostem stanju bo tekočina težila k zmanjšanju svoje površine.

To je enostavno preveriti z eksperimentiranjem z milnim filmom. Če žični okvir potopimo v milno raztopino, se na njem oblikuje milni film, ki dobi takšno obliko, da je njegova površina minimalna (slika 2).

riž. 2. Številke iz milne raztopine

S preprostim poskusom lahko preverite obstoj sil površinske napetosti. Če je nit privezana na žični obroč na dveh mestih in tako, da je dolžina niti nekoliko večja od dolžine tetive, ki povezuje točke pritrditve niti, žični obroč pa pomočimo v milnico. raztopine (slika 3a), bo milni film zategnil celotno površino obroča in nit bo ležala na milnem filmu. Če je zdaj film pretrgan na eni strani niti, se bo milni film, ki ostane na drugi strani niti, skrčil in raztegnil nit (slika 3b).

riž. 3. Poskusite zaznati sile površinske napetosti

Zakaj se je to zgodilo? Dejstvo je, da raztopina mila, ki ostane na vrhu, torej tekočina, teži k zmanjšanju svoje površine. Tako se nit potegne navzgor.

Torej smo prepričani v obstoj sile površinske napetosti. Zdaj pa se naučimo, kako ga izračunati. Da bi to naredili, naredimo miselni poskus. V milno raztopino spustimo žično ogrodje, katerega ena od strani je gibljiva (slika 4). Raztegnili bomo milni film, ki s silo deluje na gibljivo stran okvirja. Na prečko tako delujejo tri sile - zunanja sila in dve sili površinske napetosti, ki delujeta vzdolž vsake površine filma. Z uporabo Newtonovega drugega zakona lahko to zapišemo

riž. 4. Izračun sile površinske napetosti

Če se pod delovanjem zunanje sile prečka premakne za razdaljo, bo ta zunanja sila opravila delo

Seveda se bo zaradi izvajanja tega dela povečala površina filma, kar pomeni, da se bo povečala tudi površinska energija, ki jo lahko določimo s koeficientom površinske napetosti:

Spremembo površine pa je mogoče določiti na naslednji način:

kjer je dolžina gibljivega dela žičnatega okvirja. Glede na to lahko zapišemo, da je delo zunanje sile enako

Z enačenjem desnih delov v (*) in (**) dobimo izraz za silo površinske napetosti:

Tako je koeficient površinske napetosti številčno enak sili površinske napetosti, ki deluje na enoto dolžine črte, ki omejuje površino

Tako smo še enkrat videli, da tekočina teži k oblikovanju, da je njena površina minimalna. Lahko se pokaže, da bo za dano prostornino površina krogle minimalna. Torej, če na tekočino ne delujejo druge sile ali je njihovo delovanje majhno, bo tekočina težila k temu, da prevzame sferično obliko. Tako se bo na primer voda obnašala v breztežnosti (slika 5) ali milni mehurčki (slika 6).

riž. 5. Voda v ničelni gravitaciji

riž. 6. Milni mehurčki

Prisotnost sil površinske napetosti lahko tudi pojasni, zakaj kovinska igla »leži« na površini vode (slika 7). Igla, ki je previdno nameščena na površino, jo deformira in s tem poveča površino te površine. Tako nastane sila površinske napetosti, ki želi zmanjšati takšno spremembo površine. Rezultantna sila površinske napetosti bo usmerjena navzgor in bo kompenzirala silo gravitacije.

riž. 7. Igla na gladini vode

Na enak način lahko razložimo princip delovanja pipete. Kapljico, na katero deluje gravitacijska sila, potegnemo navzdol in s tem povečamo njeno površino. Seveda nastanejo sile površinske napetosti, katerih rezultanta je nasprotna smeri gravitacije in ne dovolijo, da bi se kapljica raztezala (slika 8). Ko pritisnete na gumijasti pokrovček pipete, ustvarite dodaten pritisk, ki pomaga pri gravitaciji in povzroči, da kapljica pade navzdol.

riž. 8. Kako deluje pipeta

Vzemimo še en primer iz vsakdanjega življenja. Če čopič pomočite v kozarec vode, se mu dlake razbohotijo. Če sedaj vzamete to krtačo iz vode, boste opazili, da so vse dlake sprijete ena z drugo. To je posledica dejstva, da bo površina vode, ki se drži krtače, takrat minimalna.

In še en primer. Če želite zgraditi grad iz suhega peska, vam verjetno ne bo uspelo, saj se bo pesek sesul pod vplivom gravitacije. Če pa pesek zmočite, bo obdržal svojo obliko zaradi površinske napetosti vode med zrnci peska.

Na koncu ugotavljamo, da teorija površinske napetosti pomaga najti lepe in preproste analogije pri reševanju bolj zapletenih fizičnih problemov. Na primer, ko morate zgraditi lahko in hkrati močno strukturo, vam na pomoč priskoči fizika dogajanja v milnih mehurčkih. In mogoče je bilo zgraditi prvi ustrezen model atomskega jedra tako, da smo to atomsko jedro primerjali s kapljico nabite tekočine.

Bibliografija

G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. "Fizika 10". - M.: Izobraževanje, 2008.
Ya. E. Geguzin "Mehurčki", knjižnica Kvant. - M.: Nauka, 1985.
B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky "Osnove fizike", zvezek 1.
G. S. Landsberg "Osnovni učbenik fizike" 1. zvezek.

Nkj.ru ().
Youtube.com().
Youtube.com().
Youtube.com().

Domača naloga

Ko rešite naloge za to lekcijo, se boste lahko pripravili na vprašanja 7,8,9 GIA in vprašanja A8, A9, A10 enotnega državnega izpita.
Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Fizika. Zbirka nalog za 10. razred "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
Na podlagi naloge 5.47 določite koeficient površinske napetosti vode in milne raztopine.

Seznam vprašanj in odgovorov

vprašanje: Zakaj se površinska napetost spreminja s temperaturo?

odgovor: Z naraščanjem temperature se začnejo molekule tekočine gibati hitreje, zato molekule lažje premagujejo potencialne sile privlačnosti. To vodi do zmanjšanja sil površinske napetosti, ki so potencialne sile, ki vežejo molekule pripovršinske plasti tekočine.

vprašanje: Ali je koeficient površinske napetosti odvisen od gostote tekočine?

odgovor: Da, saj je energija molekul pripovršinske plasti tekočine odvisna od gostote tekočine.

vprašanje: Kakšni so načini za določitev koeficienta površinske napetosti tekočine?

odgovor: V šolskem tečaju se preučujeta dve metodi za določanje koeficienta površinske napetosti tekočine. Prva je metoda trganja žice, njen princip je opisan v nalogi 5.44 iz domače naloge, druga je metoda štetja kapljic, opisana v nalogi 5.47.

vprašanje: Zakaj se milni mehurčki čez nekaj časa sesedejo?

odgovor: Dejstvo je, da čez nekaj časa postane mehurček pod vplivom gravitacije debelejši na dnu kot na vrhu, nato pa se pod vplivom izhlapevanja na neki točki zruši. To vodi do dejstva, da se celoten mehurček, kot balon, zruši pod delovanjem nekompenziranih sil površinske napetosti.

Besedilo dela je postavljeno brez slik in formul.
Celotna različica dela je na voljo v zavihku "Job Files" v formatu PDF

Uvod

V svetu okoli nas poleg gravitacije, elastičnosti in trenja obstaja še ena sila, na katero običajno nismo pozorni. Ta sila deluje vzdolž tangente na površine vseh tekočin. Sila, ki deluje vzdolž površine tekočine pravokotno na črto, ki omejuje to površino, teži k zmanjšanju le-te na minimum, se imenuje sila površinske napetosti. Je razmeroma majhen, njegovo delovanje nikoli ne povzroči močnih učinkov. Vendar pa ne moremo natočiti vode v kozarec, ne moremo narediti ničesar s tekočino, ne da bi pri tem vključili sile površinske napetosti. Učinkov, imenovanih površinska napetost, smo tako navajeni, da jih ne opazimo. Presenetljivo raznolike so manifestacije površinske napetosti tekočine v naravi in tehnologiji. Imajo pomembno vlogo v naravi in našem življenju. Brez njih ne bi mogli pisati s helijevimi peresi, tiskalniki s kartušami bi takoj naredili veliko madež in izpraznili celoten rezervoar. Nemogoče bi bilo namiliti roke - pena ne bi nastala. Rahel dež bi nas premočil, mavrice pa v nobenem vremenu ne bi bilo videti. Površinska napetost zbira vodo v kapljice in zahvaljujoč površinski napetosti se lahko izpihne milni mehurček. Z uporabo pravila belgijskega profesorja Platona, da so raziskovalci pravočasno presenečeni, bomo v delu obravnavali nenavadne poskuse.

Namen dela: eksperimentalno preveriti manifestacije površinske napetosti tekočine, določiti koeficient površinske napetosti tekočin z metodo ločevanja kapljic.

Preučite izobraževalno, poljudnoznanstveno literaturo, uporabite gradiva na internetu na temo "Površinska napetost";

delajo poskuse, ki dokazujejo, da je pravilna oblika tekočine krogla;

izvajati poskuse z zmanjševanjem in povečevanjem površinske napetosti;

načrtovati in sestaviti eksperimentalno postavitev, s katero bi določili koeficient površinske napetosti nekaterih tekočin z metodo ločevanja kapljic.

obdelati prejete podatke in narediti sklep.

Predmet študija: tekočine.

Glavni del. Površinska napetost

Slika 1. G. Galileo

Številna opazovanja in poskusi kažejo, da ima tekočina lahko takšno obliko, da ima njena prosta površina najmanjšo površino. Zaradi svoje nagnjenosti k krčenju bi površinski film sferiziral tekočino, če ne bi bilo privlačnosti Zemlje. Manjši kot je padec, večjo vlogo imajo sile površinske napetosti. Zato so majhne kapljice rose na listih dreves, na travi podobne obliki krogle; v prostem padu so dežne kapljice skoraj strogo sferične. Težnjo tekočine, da se skrči na najmanjšo možno mero, lahko opazimo v številnih pojavih, ki se zdijo presenetljivi. Že Galileo je razmišljal o vprašanju: zakaj kapljice rose, ki jih je zjutraj videl na listih zelja, dobijo kroglasto obliko? Trditev, da tekočina nima lastne oblike, se izkaže za ne povsem točno. Pravilna oblika tekočine je krogla, kot najbolj prostorna oblika. Molekule snovi v tekočem stanju se nahajajo skoraj blizu druga drugi. Za razliko od trdnih kristalnih teles, v katerih molekule tvorijo urejene strukture po celotnem volumnu kristala in lahko izvajajo toplotne vibracije okoli fiksnih središč, imajo tekoče molekule večjo svobodo. Vsaka molekula tekočine, pa tudi v trdnem telesu, je z vseh strani »vpeta« s sosednjimi molekulami in izvaja toplotne vibracije okoli določenega ravnotežnega položaja. Vendar pa se od časa do časa lahko katera koli molekula premakne na sosednje prosto mesto. Takšni skoki v tekočinah se pojavljajo precej pogosto; zato molekule niso vezane na določene centre, kot pri kristalih, in se lahko gibljejo po celotnem volumnu tekočine. To pojasnjuje tekočnost tekočin. Zaradi močne interakcije med tesno nameščenimi molekulami lahko tvorijo lokalne (nestabilne) urejene skupine, ki vsebujejo več molekul. eno

Slika 2. Primer kratkoročnega reda tekočih molekul in dolgega reda molekul kristalne snovi: 1 - voda; 2 - led

In kako lahko razložimo spontano krčenje površine tekočine? Molekule na površini in v globini tekočine so v različnih pogojih. Vsaka molekula v tekočini je pod vplivom privlačnih sil sosednjih molekul, ki jo obdajajo z vseh strani. Rezultanta teh sil je nič. Nad površino tekočine je para, katere gostota je večkrat manjša od gostote tekočine, interakcijo molekul pare z molekulami tekočine pa lahko zanemarimo. Molekule, ki so na površini tekočine, privlačijo le molekule, ki so v tekočini. Pod vplivom teh sil se molekule površinske plasti vlečejo navznoter, število molekul na površini se zmanjša in površina se zmanjša. Toda vse molekule ne morejo iti s površine v tekočino, to preprečujejo odbojne sile, ki nastanejo, ko se razdalje med molekulami zmanjšajo. Na določenih razdaljah med navznoter vlečenimi molekulami in molekulami pod površino postanejo interakcijske sile enake nič in proces krčenja površine se ustavi. Število molekul, ki ostanejo na površini, je takšno, da je njegova površina minimalna za dano prostornino tekočine. Ker je tekočina tekoča, ima obliko, v kateri je število molekul na površini minimalno, krogla pa ima najmanjšo površino za dano prostornino, to je, da kapljica tekočine ima obliko, ki je blizu kroglasti.Najlažji način ujeti naravo sil površinske napetosti je opazovati nastanek kapljice. Pazljivo poglejte, kako kapljica postopoma raste, nastane zožitev - vrat - in kapljica se odlepi. Ni treba veliko domišljije, da bi si predstavljali, da je voda tako rekoč zaprta v elastični vrečki, ta pa poči, ko teža preseže njeno moč. V resnici seveda v kapljici ni nič drugega kot voda, a sama površinska plast vode se obnaša kot raztegnjen elastičen film. Film milnega mehurčka naredi enak vtis.

Izkušnja #1

Trenje tekočine na minimum potencialne energije lahko opazujemo z uporabo milnih mehurčkov. Milni film je dvojna površinska plast. Če izpihnete milni mehurček in nato prenehate z napihovanjem, bo začel zmanjševati prostornino in iztisnil tok zraka.

Površinska napetost - pojav molekularnega pritiska na tekočino, ki ga povzroča privlačnost molekul površinske plasti k molekulam v tekočini. 5

Plateau Experience (1849)

riž. 4. J. Plato

Muha, ki je belgijskega profesorja spodbudila k poskusu, je bila naključje. V mešanico alkohola in vode je pomotoma vlil manjšo količino olja, ki je dobila obliko krogle. Ko je razmišljal o tem dejstvu, je Platon orisal vrsto poskusov, ki so jih kasneje briljantno izvedli njegovi prijatelji in učenci. V svoj dnevnik je zapisal pravilo za raziskovalce: "Bodi pravočasno presenečen." Odločil sem se, da raziščem eksperiment Plateau, vendar v drugačni različici: da v poskusu uporabim sončnično olje in obarvano manganovo vodo.

Poskus, ki dokazuje, da ima homogena tekočina obliko z minimalno prosto površino

Možnost doživetja planote št. 2

1) V čašo nalijte sončnično olje.

2) S kapalko smo v sončnično olje nakapali kapljico obarvane manganove vode s premerom približno 5 mm.

) Opažene so bile vodne kroglice različnih velikosti, ki so počasi padale na dno in dobivale ovalno sploščeno obliko (slika 2).

5) Opazujte, kako kapljica zavzame pravilno obliko žogice (slika 2).

Zaključek: Tekočina se s privabljanjem molekul površinske plasti stisne sama. Ovalno sploščeno obliko pojasnjujejo s tem, da je teža kapljice, ki se ne meša z oljem, večja od sile vzgona. Pravilna oblika žoge je razložena z dejstvom, da kapljica lebdi v olju: teža kapljice je uravnotežena s silo vzgona.

V prostem padu, v breztežnostnem stanju, imajo dežne kaplje praktično obliko krogle. V vesoljskem plovilu dobi precej velika masa tekočine tudi sferično obliko.

Koeficient površinske napetosti

V odsotnosti zunanje sile vzdolž površine tekočine deluje sila površinske napetosti, ki zmanjša površino filma na minimum. Sila površinske napetosti - sila, usmerjena tangencialno na površino tekočine, pravokotno na odsek konture, ki omejuje površino, v smeri njenega krčenja.

Ơ - koeficient površinske napetosti - to je razmerje modula F sile površinske napetosti, ki deluje na mejo površinske plasti ℓ, in te dolžine je konstantna vrednost, neodvisna od dolžine ℓ. Koeficient površinske napetosti je odvisen od narave sosednjih medijev in od temperature. Izražena je v newtonih na meter (N/m).

Poskusi z zmanjšanjem in povečanjem

Slika 3

površinska napetost

Izkušnja #3

S kosom mila se dotaknite središča vodne površine.

Kosi pene se začnejo premikati od sredine proti robovom posode (slika 3).

V sredino posode so kapljali bencin, alkohol, detergent Vila.

Zaključek: Površinska napetost teh snovi je manjša od površinske napetosti vode.

Te snovi se uporabljajo za odstranjevanje umazanije, mastnih madežev, saj, t.j. v vodi netopne snovi.Zaradi precej visoke površinske napetosti voda sama po sebi nima zelo dobrega čistilnega učinka. Na primer, ob stiku z madežem se molekule vode medsebojno privlačijo bolj kot delci netopne umazanije.Mila in sintetični detergenti (SMC) vsebujejo snovi, ki zmanjšujejo površinsko napetost vode. Prvo milo, najpreprostejši detergent, so izdelali na Bližnjem vzhodu pred več kot 5000 leti. Sprva so ga uporabljali predvsem za izpiranje in zdravljenje razjed in ran. In šele v 1. stoletju našega štetja. moški se je začel umivati z milom.

V začetku 1. stoletja se je rodilo milo.

Človek je bil rešen umazanije in postal je čist že od mladosti.

Govorim vam o milu, ki je kmalu rodilo: šampon, gel, prašek.

Svet je postal čist, kako dobro!

Slika 5. F. Günther

Detergenti so naravne in sintetične snovi s čistilnim učinkom, zlasti mila in pralni praški, ki se uporabljajo v vsakdanjem življenju, industriji in storitvenem sektorju. Milo nastane kot posledica kemične interakcije maščobe in alkalije. Najverjetneje so jo odkrili čisto po naključju, ko se je meso peklo na ognju, maščoba pa je stekla na pepel, ki ima alkalne lastnosti. Proizvodnja mila ima dolgo zgodovino, a prvi sintetični detergent (SMC) se je pojavil leta 1916, izumil ga je nemški kemik. Fritz Günther za industrijske namene. Gospodinjski SMS, bolj ali manj neškodljiv za roke, so začeli proizvajati leta 1933. Od takrat so se razvili številni sintetični detergenti (SMC) za ozke namene, njihova proizvodnja pa je postala pomembna veja kemične industrije.

Voda sama po sebi nima zadostnega čistilnega učinka zaradi površinske napetosti. Ko pridejo v stik z madežem, se molekule vode medsebojno privlačijo, namesto da ujamejo delce umazanije, z drugimi besedami, umazanije ne zmočijo.

Mila in sintetični detergenti vsebujejo snovi, ki z zmanjšanjem površinske napetosti povečajo vlažilne lastnosti vode. Te snovi imenujemo površinsko aktivne snovi (tenzidi), ker delujejo na površini tekočine.

Zdaj je proizvodnja SMS postala pomembna veja kemične industrije. Te snovi se imenujejo površinsko aktivna snov(površinsko aktivne snovi), saj delujejo na površini tekočine. Molekule površinsko aktivnih snovi lahko predstavljamo kot paglavce. Z glavo se "oklepajo" vode, z "repi" pa maščobe. Ko se površinsko aktivne snovi zmešajo z vodo, so njihove molekule na površini obrnjene z "glavami" navzdol in z "repi" navzven. S tem, ko na ta način zdrobijo površino vode, te molekule močno zmanjšajo učinek površinske napetosti in s tem pomagajo vodi prodreti v tkivo. Z enakimi "repi" molekul površinsko aktivnih snovi (slika 6) ujamejo molekule maščobe, ki pridejo nasproti njim. 2

Izkušnja št. 4

1. V krožnik nalijte mleko tako, da pokrije dno (slika 4)

2. Na površino mleka kapnete 2 kapljici briljantno zelene barve

3. Opazovali smo, kako se je briljantno zelena "odnašala" od središča do robov. Dve kapljici briljantno zelene prekrijeta večino površine mleka! (fotografija 5)

Zaključek: površinska napetost briljantno zelene je veliko manjša kot pri mleku.

4. Pravljično tekočino za pomivanje posode smo kapnili na površino briljantno zelene barve, videli smo, kako se je ta tekočina razlila po celotni površini (fotografija 6).

Zaključek: površinska napetost detergenta je manjša od briljantno zelene barve.

Izkušnja št. 5

V široko stekleno posodo smo natočili vodo.

Kosi stiroporja so bili vrženi na površino.

S koščkom sladkorja se dotaknite središča vodne površine.

Vitice stiropora se začnejo premikati od robov posode proti sredini (slika 7).

Zaključek: Površinska napetost vodne raztopine sladkorja je večja od površinske napetosti čiste vode.

Izkušnja št. 6

Odstranjevanje maščobnih madežev s površine tkiva

Z bencinom smo navlažili vato in s to vato navlažili robove madeža (in ne samega madeža). Bencin zmanjša površinsko napetost, zato se maščoba nabere do središča madeža in se od tam odstrani, če pa isto vato navlažimo, se lahko sam madež poveča zaradi zmanjšanja površinske napetosti.

Za eksperimentalno določitev vrednosti površinske napetosti tekočine lahko uporabimo proces nastajanja in odvajanja kapljic, ki tečejo iz kapalke.

Kratka teorija metode ločevanja kapljic

Majhna prostornina tekočine sama zavzame obliko, ki je blizu krogle, saj je zaradi majhne mase tekočine majhna tudi sila gravitacije, ki deluje nanjo. To pojasnjuje sferično obliko majhnih kapljic tekočine. Slika 1 prikazuje fotografije, ki prikazujejo različne stopnje procesa nastajanja in odvajanja kapljic. Fotografija je bila posneta s hitrim snemanjem, kapljica raste počasi, lahko domnevamo, da je v vsakem trenutku v ravnotežju. Površinska napetost povzroči, da se površina kapljice skrči, kaplja teži k temu, da dobi sferično obliko. Gravitacija prisili težišče padca čim nižje. Zaradi tega je kapljica podolgovata (slika 7a).

riž. 7. a B C D

Postopek nastajanja in ločevanja kapljic

Večji kot je padec, večjo vlogo ima potencialna energija gravitacije. Ko kapljica raste, se glavna masa zbira na dnu in v bližini kapljice se oblikuje vrat (slika 7b). Sila površinske napetosti je usmerjena navpično tangencialno na vrat in uravnava silo gravitacije, ki deluje na kapljico. Zdaj je dovolj, da se kapljica precej poveča in sile površinske napetosti ne uravnotežijo več sile gravitacije. Vrat kapljice se hitro zoži (slika 7c) in posledično se kapljica odlomi (slika 7d).

Metoda za merjenje koeficienta površinske napetosti nekaterih tekočin temelji na tehtanju kapljic. V primeru počasnega toka tekočine iz majhne luknje je velikost nastalih kapljic odvisna od gostote tekočine, koeficienta površinske napetosti, velikosti in oblike luknje ter tudi od hitrosti iztoka. . Pri počasnem odtoku omočilne tekočine iz navpične cilindrične cevi ima nastala kapljica obliko, prikazano na sliki 8. Polmer r vratu kapljice je povezan z zunanjim polmerom cevi R z razmerjem r = kR (1 )

kjer je k koeficient, odvisen od dimenzij cevi in pretoka.

V trenutku ločitve mora biti teža kapljice enaka rezultanti sil površinske napetosti, ki delujejo vzdolž dolžine, ki je enaka dolžini obrisa vratu v njegovem najožjem delu. Tako se lahko piše

Mg = 2πrơ (2)

Če zamenjamo polmer vratu r iz enačbe (1) in jo rešimo, dobimo

Ơ=mg/2πkR (3)

Da bi določili maso kapljice, stehtamo število n kapljic v čaši znane teže. Če je masa kozarca brez kapljic in s kapljicami M 0 oziroma M, potem je masa ene kapljice

Če zamenjamo zadnji izraz v formulo (3) in namesto polmera cevi uvedemo njegov premer d, dobimo formulo za izračun

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Raziskovalno delo "Določanje koeficienta površinske napetosti nekaterih tekočin z metodo ločevanja kapljic"

Namen študije: določiti koeficient površinske napetosti tekočine z metodo odvajanja kapljic nekaterih tekočin. Naprave: naprava za merjenje koeficienta površinske napetosti, tehtnica, utež, skodelica, pomično merilo, štoparica. materialov: detergenti: "Fairy", "Aos", mleko, alkohol, bencin, praškaste raztopine: "Myth", "Persil", šamponi Frutis, « Pantene», "Schauma" in " frutis», geli za tuširanje Sensen», "Montpensier" in " Odkrij».

Opis naprave.

Za določitev koeficienta površinske napetosti je bila sestavljena postavitev, sestavljena iz stativa, na katerega je bila nameščena bireta s proučevano tekočino. Na koncu birete je bila pritrjena konica-cev, na koncu katere se oblikuje kapljica. Kapljice smo stehtali v posebni čaši.

Napredek raziskav

S kalibrom smo trikrat izmerili premer konične cevi in izračunali povprečno vrednost d.

Čist, suh kozarec (M 0) smo stehtali na tehtnici.

S pomočjo biretne pipe smo dosegli hitrost kapljanja

15 kapljic na minuto.

Iz birete smo v kozarec nalili 60 kapljic tekočine, pri čemer smo šteli točno toliko nalitih kapljic.

Stehtajte kozarec tekočine. (M)

Dobljene vrednosti zamenjamo v formulo ơ = ((M-M0)g)/πkdn

Izračunajte koeficient površinske napetosti.

Poskusil trikrat

Izračunajte povprečno vrednost koeficienta površinske napetosti.

Koeficient površinske napetosti v sistemu SI se meri v N/m.

Tabela #1

Rezultati določanja koeficienta površinske napetosti (N/m)

Tekočina	Koeficient površinske napetosti
Tekočina	izmerjeno	Tabelarno
Etanol

Mleko (2,5)
Mleko (kravje domače)
Raztopina v prahu "Mit"
Raztopina v prahu "Persil"
Detergent "Fairy"
Detergent "Aos"

Zaključek: Od preučevanih kuhinjskih detergentov z vsemi drugimi enakimi parametri, ki vplivajo na kakovost "pranja", je bolje uporabiti " Vila". Od preučevanih pralnih praškov " Mit", Ker prav njihove raztopine imajo najnižjo površinsko napetost. Zato prvo pomeni (" Vila”) bolje pomaga pri izpiranju v vodi netopnih maščob iz posode, saj je emulgator - orodje, ki olajša proizvodnjo emulzij (suspenzije drobnih delcev tekoče snovi v vodi). Drugi (" Mit”) bolje opere oblačila, prodre v pore med vlakni tkanin. Upoštevajte, da pri uporabi kuhinjskih detergentov prisilimo snov (zlasti maščobo), da se vsaj za nekaj časa raztopi v vodi, ker. razpade na drobne delce. V tem času je priporočljivo, da naneseni detergent sperete s curkom čiste vode in posode po nekaj časa ne izpirate v posodi. Poleg tega so preučevali površinsko napetost šamponov in gelov za tuširanje. Zaradi precej visoke viskoznosti teh tekočin je težko natančno določiti njihov koeficient površinske napetosti, vendar ga je mogoče primerjati. Šamponi so testirani (z odtrganjem kapljic) Pantene», "Schauma" in " frutis» kot tudi geli za tuširanje Sensen», "Montpensier" in " Odkrij».

Zaključek:

Površinska napetost se pri šamponih zaporedno zmanjšuje Frutis - "Schauma" - "panten" v gelih - v vrsti "Montpensier" - Odkrij - "Občutki".

Površinska napetost šamponov je manjša od površinske napetosti gelov (npr. Pantene» < «Občutki» za 65 mN/m), kar upravičuje njihov namen: šamponi - za umivanje las, geli - za umivanje telesa.

Z vsemi drugimi enakimi lastnostmi, ki vplivajo na kakovost pranja, je bolje uporabiti od preučevanih šamponov "Pantene" (slika 9), proučevanih gelov za tuširanje - "Čutila" (slika 10).

Metoda odtrganja, čeprav ni zelo natančna, se uporablja v medicinski praksi. Ta metoda za diagnostične namene določa površinsko napetost cerebrospinalne tekočine, žolča itd.

Zaključek

1. Dobljena je bila eksperimentalna potrditev teoretičnih zaključkov , ki dokazuje, da ima homogena tekočina obliko z minimalno prosto površino

2. Izvedeni so bili poskusi z zmanjševanjem in povečevanjem površinske napetosti, rezultati katerih so dokazali, da milo in sintetični detergenti vsebujejo snovi, ki z zmanjšanjem sile površinske napetosti povečajo vlažilne lastnosti vode.

3. Določiti koeficient površinske napetosti tekočin

a) preučena je bila kratka teorija metode ločevanja kapljic;

b) eksperimentalna postavitev je bila zasnovana in sestavljena;

c) izračunane so povprečne vrednosti koeficienta površinske napetosti različnih tekočin, narejeni so zaključki.

4. Rezultati poskusov in raziskav so predstavljeni v obliki tabele in fotografij.

Delo na projektu mi je omogočilo pridobitev širšega znanja o fizikalnem delu "Površinska napetost".

Svoj projekt bi rad zaključil z besedami velikega znanstvenika fizika

A. Einstein:

“Zame je dovolj, da izkusim občutek večne skrivnosti življenja, da spoznam in intuitivno dojamem čudovito strukturo vsega, kar obstaja, in da se aktivno borim, da zgrabim tudi najmanjše zrno razuma, ki se kaže v Naravi.”

Seznam uporabljenih virov in literature

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

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

Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu.L., Myakishev G.Ya., Fizika, učbenik za 9. razred srednje šole - 4. izdaja - M .: Izobraževanje, 1988 - 271 str.

Kasyanov V.A., Fizika, 10. razred, učbenik za splošne izobraževalne ustanove, M .: Bustard, 2001. - 410 str.

Pinsky A.A. Fizika: učbenik. Priročnik za 10 razredov s poglobljenim študijem fizike. M.: Razsvetljenje, 1993. - 416 str.

Yufanova I.L. Zabavni večeri pri fiziki v srednji šoli: knjiga za učitelja. - M.: Razsvetljenje, 1990. -215s

Chuyanov V.Ya., Enciklopedični slovar mladega fizika, M .: Pedagogika, 1984. - 350 s.

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

2 http://greenfuture.ru

Površinska napetost, želja snovi (tekoča ali trdna faza), da zmanjša presežek svoje potencialne energije na meji z drugo fazo (površinska energija). Opredeljen je kot delo, porabljeno za ustvarjanje enote površine faznega vmesnika (dimenzija J / m 2). Po drugi definiciji, površinska napetost- sila, povezana z enoto dolžine konture, ki omejuje fazno ločilno površino (dimenzija N/m); ta sila deluje tangencialno na površino in preprečuje njeno spontano povečanje.

Površinska napetost- glavna termodinamična značilnost površinske plasti tekočine na meji s plinsko fazo ali drugo tekočino. Površinska napetost različnih tekočin na meji z lastnimi hlapi se zelo razlikuje: od enot za utekočinjene pline z nizkim vreliščem do nekaj tisoč mN/m za staljene ognjevarne snovi. Površinska napetost odvisno od temperature. Za mnoge enokomponentne nepovezane tekočine (voda, staljene soli, tekoče kovine), daleč od kritične temperature, je linearna odvisnost dobro izpolnjena:

kjer s in s 0 - površinska napetost pri temperaturah T in T 0, α≈0,1 mN/(m K) - temperaturni koeficient površinska napetost. Glavni način regulacije površinska napetost je uporaba površinsko aktivnih snovi (tenzidov).

Površinska napetost vstopa v številne enačbe fizike, fizikalne in koloidne kemije, elektrokemije.

Določa naslednje količine:

1. kapilarni tlak, kjer r 1 in r 2 - glavni polmeri ukrivljenosti površine in tlak nasičene pare r r nad ukrivljeno površino tekočine: , kjer r- polmer ukrivljenosti površine, R je plinska konstanta, V n je molska prostornina tekočine, str 0 - tlak na ravno površino (Laplaceov in Kelvinov zakon, glej Kapilarni pojavi).

2. Omočilni kot θ v stiku tekočine s trdno površino: cos , kjer je specifična prosta površinska energija trdne snovi na meji s plinom in tekočino, - površinska napetost tekočine (Youngov zakon, glej Močenje).

3. Adsorpcija površinsko aktivne snovi, kjer je μ kemijski potencial adsorbirane snovi (Gibbsova enačba, glej Adsorpcija). Za razredčene raztopine, kjer z- molska koncentracija površinsko aktivnih snovi.

4. Stanje adsorpcijske plasti površinsko aktivne snovi na površini tekočine: (str s + a/A2)·( A- b)=k T, kjer je str s\u003d (s 0 -s) - dvodimenzionalni tlak, s 0 oziroma s - površinska napetostčista tekočina in ista tekočina v prisotnosti adsorpcijske plasti, a- konstanta (analogno van der Waalsovi konstanti), A je površina površinske plasti na eno adsorbirano molekulo, b je površina, ki jo zaseda 1 molekula tekočine, k- Boltzmannova konstanta (Frumkin-Volmerjeva enačba, glej Površinska aktivnost).

5. Elektrokapilarni učinek: - d s/ d f \u003d r s, kjer je r s površinska gostota naboja, f je potencial elektrode (Lipmanova enačba, glej Elektrokapilarni pojavi).

6. Delo nastajanja kritičnega jedra nove faze Stranišče. Na primer med homogeno kondenzacijo pare pri tlaku , kjer str 0 - parni tlak nad ravno površino tekočine (Gibbsova enačba, glejte Generacija nove faze).

7. Dolžina l kapilarnih valov na površini tekočine: , kjer je ρ gostota tekočine, τ nihajna doba, g- gravitacijski pospešek.

8. Elastičnost tekočih filmov s površinsko aktivno plastjo: modul elastičnosti , kjer s- površina filma (Gibbsova enačba, glej Tanki filmi).

Površinska napetost izmerjeno za številne čiste snovi in zmesi (raztopine, taline) v širokem razponu temperatur in sestav. Zaradi površinska napetost zelo občutljiv na prisotnost primesi, meritve z različnimi metodami ne dajejo vedno enakih vrednosti.

Glavne metode merjenja so naslednje:

1. dvig omočilnih tekočin v kapilarah. višina dviga, kjer je razlika med gostoto tekočine in izpodrinjenega plina, ρ je polmer kapilare. Natančnost definicije površinska napetost narašča z zmanjševanjem razmerja ρ/α (α je kapilarna konstanta tekočine).

2. Merjenje največjega tlaka v plinskem mehurčku (Rehbinderjeva metoda); izračun temelji na Laplaceovi enačbi. Ko mehurček iztisnemo v tekočino skozi kalibrirano kapilaro s polmerom r, je pred trenutkom ločitve tlak p m =2σ/r

3. Metoda tehtanja kapljic (stalagmometrija): (Tate enačba), kjer G- totalna teža n kapljice, ki se pod delovanjem gravitacije odtrgajo od reza kapilarne cevke s polmerom r. Za izboljšanje natančnosti se desna stran pomnoži s korekcijskim faktorjem, odvisnim od r in prostornine kapljice.

4. Metoda uravnoteženja plošč (Wilhelmyjeva metoda). Pri potopitvi plošče z obodom odseka L v močilno tekočino teža plošče, kjer G 0 - teža suhe plošče.

5. Metoda odtrganja obročka (metoda Du Nuy). Odtrgati žični obroč s polmerom R sila je potrebna s površine tekočine

6. Metoda sedečega padca. Profil kapljice na nemočljivi podlagi se določi iz pogoja, da je vsota hidrostatičnega in kapilarnega tlaka konstantna. Diferencialna enačba profila padca je rešena z numerično integracijo (Bashfort-Adamsova metoda). Z merjenjem geometrijskih parametrov profila padca z uporabo ustreznih tabel ugotovijo površinska napetost.

7. Metoda vrtljive kapljice. Kapljico tekočine z gostoto r 1 damo v epruveto s težjo (gostota r 2) tekočino. Ko se cev vrti s kotno hitrostjo ω, se kapljica podaljša vzdolž osi in zavzame približno obliko valja s polmerom r. Računska enačba: . Metoda se uporablja za merjenje majhnih površinska napetost na meji med dvema tekočinama.

Površinska napetost je odločilni dejavnik v številnih tehnoloških procesih: flotacija, impregnacija poroznih materialov, premazovanje, pranje, praškasta metalurgija, spajkanje itd. površinska napetost v procesih, ki potekajo v breztežnosti.

koncept površinska napetost je prvi uvedel J. Segner (1752). V prvi polovici XIX stoletja. ki temelji na ideji površinska napetost razvila se je matematična teorija kapilarnih pojavov (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A. Yu. Davidov). V drugi polovici XIX stoletja. J. Gibbs je razvil termodinamično teorijo površinskih pojavov, v kateri ima odločilno vlogo površinska napetost. V XX stoletju. razvijajo se metode regulacije površinska napetost s pomočjo površinsko aktivnih snovi in elektrokapilarnih učinkov (I. Langmuir, P.A. Rebinder, A.H. Frumkin). Med sodobnimi aktualnimi problemi je razvoj molekularne teorije površinska napetost različne tekočine (vključno s staljenimi kovinami), učinek površinske ukrivljenosti na površinska napetost.