Površinski napon pije vodu
Važan parametar vode za piće je površinski napon. Određuje stepen adhezije između molekula vode i oblika površine tečnosti, a takođe određuje i stepen apsorpcije vode od strane tela.
Nivo isparavanja tečnosti zavisi od toga koliko su čvrsto njeni molekuli međusobno povezani. Što se molekuli više međusobno privlače, to je tečnost manje isparljiva. Što je površinski napon tečnosti niži, to je isparljivija. Alkoholi i rastvarači imaju najmanju površinsku napetost. To, zauzvrat, određuje njihovu aktivnost - sposobnost interakcije s drugim supstancama.
Vizualno se površinska napetost može predstaviti na sljedeći način: ako polako sipate čaj u šolju do vrha, onda se neko vrijeme neće prelijevati i u propuštenoj svjetlosti možete vidjeti da se iznad površine tekućine stvorio tanak film, koji sprečava da se čaj prolije. Dodavanjem nabubri, a tek na, kako kažu, „posljednjoj kapi“ tečnost prelije.
Što se voda više “tečnije” koristi za piće, to je tijelu potrebno manje energije da razbije molekularne veze i zasiti stanice vodom.
Jedinica površinskog napona je din/cm.
Voda iz slavine ima površinski napon do 73 dina/cm, a intra- i ekstracelularna tečnost je oko 43 dina/cm, tako da ćeliji treba veliki broj energije za savladavanje površinske napetosti vode.
Slikovito rečeno, voda može biti gušća i rijeđa. Poželjno je da više "tečne" vode uđe u tijelo, tada ćelije neće morati trošiti energiju na savladavanje površinske napetosti. Voda sa niskim površinskim naponom je biološki dostupnija. Lakše ulazi u međumolekularne interakcije.
Da li ste ikada razmišljali o tome „Zašto vruća voda Da li bolje ispire prljavštinu od hladne vode? To se događa jer kako temperatura vode raste, njena površinska napetost se smanjuje. Što je površinski napon vode manji, to je bolje otapalo. Koeficijent površinskog napona zavisi od hemijski sastav tečnost, okruženje sa kojim se graniči, temperatura. Sa porastom temperature (smanjuje se sa kritična temperatura ide na nulu. U zavisnosti od jačine interakcije između molekula tečnosti i čestica čvrstog tela u kontaktu sa njom, moguće je da čvrsto telo može, ali i ne mora biti navlaženo tečnošću. U oba slučaja, površina tečnosti blizu granice sa čvrstim telom je zakrivljena.
Površinski napon vode može se smanjiti, na primjer, biološkim dodavanjem aktivne supstance ili zagrevanje tečnosti. Što je površinski napon vode koju pijete bliži 43 dina/cm, vaše tijelo može apsorbirati manje energije.
Ne znam gdje ga možeš nabaviti pravu vodu ? Reći ću ti!
Bilješka:
Klikom na " Znati„ne dovodi do bilo kakvih finansijskih troškova ili obaveza.
Samo ti dobiti informacije o dostupnosti pravu vodu u vašem regionu,
i dobiti jedinstvena prilika postanite besplatno član kluba zdravih ljudi
Tekst rada je objavljen bez slika i formula.
Puna verzija rad je dostupan na kartici "Radni fajlovi" u PDF formatu
Uvod
U svijetu oko nas, uz gravitaciju, elastičnost i trenje, postoji još jedna sila na koju obično ne obraćamo pažnju. Ova sila djeluje duž tangente na površine svih tekućina. Sila koja djeluje duž površine tekućine okomito na liniju koja ograničava ovu površinu, teži da je svede na minimum, naziva se sila površinskog napona. Relativno je mali, njegovo djelovanje nikada ne izaziva snažne efekte. Međutim, ne možemo sipati vodu u čašu, niti možemo bilo šta učiniti sa bilo kojom tečnošću, a da ne dovedemo u igru sile površinske napetosti. Toliko smo navikli na efekte zvane površinska napetost da ih ne primjećujemo. Manifestacije površinske napetosti tekućina u prirodi i tehnologiji su iznenađujuće raznolike. Oni igraju važnu ulogu u prirodi i u našim životima. Bez njih ne bismo mogli pisati helijumskim olovkama; kertridži za štampač bi odmah napravili veliku mrlju, ispraznivši ceo rezervoar. Bilo bi nemoguće sapuniti ruke - ne bi se stvarala pjena. Slaba kiša bi nas natopila, a dugu bi bilo nemoguće vidjeti bez obzira na vrijeme. Površinski napon sakuplja vodu u kapljice i zahvaljujući površinskom naponu može se ispuhati mjehur od sapunice. Koristeći za istraživače pravilo „Budi iznenađen na vrijeme“ belgijskog profesora Plateaua, razmotrimo neobične eksperimente u našem radu.
Svrha rada: eksperimentalno ispitati manifestacije površinskog napona tečnosti, odrediti koeficijent površinskog napona tečnosti metodom odvajanja kapi
Proučavati edukativnu, popularnu naučnu literaturu, koristiti materijale na internetu na temu „Površinski napon“;
provesti eksperimente kako bi dokazali da je pravilan oblik tečnosti kugla;
provoditi eksperimente sa smanjenjem i povećanjem površinske napetosti;
dizajnirati i sastaviti eksperimentalnu postavku pomoću koje će se metodom odvajanja kapljica odrediti koeficijent površinskog napona nekih tekućina.
obraditi primljene podatke i donijeti zaključak.
Predmet proučavanja: tečnosti.
Glavni dio. Površinski napon
Slika 1. G. Galileo
Brojna zapažanja i eksperimenti pokazuju da tekućina može poprimiti oblik u kojem ima njena slobodna površina najmanja površina. U svojoj želji da se skupi, površinski film bi tekućini dao sferni oblik da nije privlačnost prema Zemlji. Što je pad manji, to je veća uloga koju igraju sile površinske napetosti. Stoga su male kapi rose na lišću drveća, na travi po obliku bliske lopti, kada padaju u slobodnom padu kapi kiše gotovo strogo sferni. Tendencija tečnosti da se skupi na najmanju moguću mjeru može se uočiti u mnogim fenomenima koji izgledaju iznenađujuće. Galileo je razmišljao i o pitanju: zašto kapi rose koje je ujutro vidio na listovima kupusa poprimaju sferni oblik? Tvrdnja da tečnost nema svoj oblik ispada da nije sasvim tačna. Pravi oblik tečnosti je kugla, kao najopsežnija forma. Molekuli tvari u tekućem stanju nalaze se gotovo blizu jedan drugom. Za razliku od čvrstih kristalna tela, u kojem molekuli formiraju uređene strukture po cijelom volumenu kristala i mogu vršiti termičke vibracije oko fiksnih centara, molekuli tekućine imaju veću slobodu. Svaki molekul tečnosti, baš kao i u čvrstom stanju, sa svih strana je „u sendviču“ susednim molekulima i podleže termičkim vibracijama oko određenog ravnotežnog položaja. Međutim, s vremena na vrijeme, bilo koji molekul se može preseliti na obližnju slobodnu lokaciju. Takvi skokovi u tečnostima se dešavaju prilično često; stoga molekuli nisu vezani za specifične centre, kao u kristalima, i mogu se kretati po cijeloj zapremini tečnosti. Ovo objašnjava fluidnost tečnosti. Zbog jake interakcije između blisko lociranih molekula, oni mogu formirati lokalne (nestabilne) uređene grupe koje sadrže nekoliko molekula. 1
Slika 2. Primjer kratkog reda molekula tekućine i dugog reda molekula kristalne tvari: 1 - voda; 2 - led
Kako se može objasniti spontana kontrakcija površine tečnosti? Molekuli na površini i u dubini tečnosti su unutra različitim uslovima. Svaki molekul unutar tekućine podložan je privlačnim silama susjednih molekula koji ga okružuju sa svih strana. Rezultanta ovih sila je nula. Iznad površine tečnosti nalazi se para, čija je gustina višestruko manja od gustine tečnosti, a interakcija molekula pare sa molekulima tečnosti može se zanemariti. Molekule koji se nalaze na površini tečnosti privlače samo molekuli koji se nalaze unutar tečnosti. Pod utjecajem ovih sila, molekuli površinskog sloja se povlače prema unutra, broj molekula na površini se smanjuje, a površina se smanjuje. Ali ne mogu se svi molekuli kretati s površine u tekućinu; to je spriječeno odbojnim silama koje nastaju kada se udaljenosti između molekula smanjuju. Na određenim udaljenostima između molekula uvučenih prema unutra i molekula smještenih ispod površine, sile interakcije postaju jednake nuli, a proces površinske kontrakcije prestaje. Broj preostalih molekula na površini je takav da je njegova površina minimalna za dati volumen tekućine. Budući da je tekućina fluidna, ona poprima oblik u kojem je broj molekula na površini minimalan, a sfera ima minimalnu površinu za dati volumen, odnosno kap tekućine poprima oblik blizak sfernom. Najlakši način da se shvati priroda sila površinske napetosti je posmatranjem formiranja kapi. Pažljivo pogledajte kako kap postupno raste, formira se suženje - vrat - i kap se odlomi. Nije potrebno mnogo mašte da zamislite da je voda zatvorena u elastičnu vreću, a ova vreća pukne kada težina pređe njenu snagu. U stvarnosti, naravno, u kapi nema ničega osim vode, ali sam površinski sloj vode ponaša se kao rastegnuti elastični film. Film mjehurića od sapunice ostavlja isti utisak.
Iskustvo br. 1
Trenje tekućine prema minimumu potencijalne energije može se promatrati pomoću mjehurića od sapunice. Sapunski film je dvostruki površinski sloj. Ako ispuhnete mjehur od sapunice, a zatim prestanete s naduvavanjem, on će početi da se smanjuje u volumenu, istiskujući mlaz zraka.
Površinska napetost je pojava molekularnog pritiska na tečnost uzrokovana privlačenjem molekula površinskog sloja na molekule unutar tečnosti. 5
Iskustvo visoravni (1849.)
Rice. 4. J.Plateau
Gadfly koji je naveo belgijskog profesora na eksperiment bila je slučajnost. Slučajno je sipao malu količinu ulja u mješavinu alkohola i vode i ona je poprimila oblik lopte. Razmišljajući o ovoj činjenici, Platon je iznio niz eksperimenata koje su kasnije briljantno izveli njegovi prijatelji i učenici. U svom dnevniku napisao je pravilo za istraživače: "Vrijeme je da se iznenadite." Odlučio sam da istražim Plato iskustvo, ali na drugačiji način: da ga iskoristim u iskustvu suncokretovo ulje i obojenu mangansku vodu.
Eksperimentom se dokazuje da homogena tečnost poprima oblik sa minimalnom slobodnom površinom
Opcija doživljaja platoa #2
1) Suncokretovo ulje se sipa u čašu.
2) Kapaljkom za oči kapnite kap obojene manganske vode prečnika približno 5 mm u suncokretovo ulje.
) Posmatrali smo vodene kugle različite veličine, polako pada na dno i poprima spljošteni ovalni oblik (slika 2).
5) Posmatrali smo kako je kap poprimila pravilan oblik lopte (slika 2).
Zaključak: Tečnost, privlačeći molekule površinskog sloja, sama se sabija. Ovalni spljošteni oblik objašnjava se činjenicom da je težina kapi, koja se ne miješa s uljem, veća od sile uzgona. Ispravna forma lopta se objašnjava činjenicom da kapljica pluta unutar ulja: težina kapi je uravnotežena silom uzgona.
Prilikom slobodnog pada, u bestežinskom stanju, kapi kiše praktički imaju oblik lopte. IN svemirski brod Dovoljno velika masa tekućine također poprima sferni oblik.
Koeficijent površinske napetosti
U nedostatku vanjske sile, sila površinske napetosti djeluje duž površine tekućine, što smanjuje površinu filma na minimum. Sila površinskog napona je sila usmjerena tangencijalno na površinu tekućine, okomito na dio konture koji omeđuje površinu, u smjeru njenog skupljanja.
Ơ - koeficijent površinskog napona - ovo je omjer modula F sile površinskog napona koja djeluje na granicu površinskog sloja ℓ prema ovoj dužini, konstantna vrijednost koja ne ovisi o dužini ℓ. Koeficijent površinske napetosti ovisi o prirodi okolnog medija i temperaturi. Izražava se u njutnima po metru (N/m).
Eksperimenti sa smanjenjem i povećanjem
Slika 3
površinski naponIskustvo br. 3
Komadom sapuna dodirnite sredinu površine vode.
Komadi pjene počinju se pomicati od središta prema rubovima posude (slika 3).
Ispušteni benzin, alkohol, deterdžent u centar posude "vila"
Zaključak: Površinski napon ovih supstanci je manji od napona vode.
Ove supstance se koriste za uklanjanje prljavštine, masnih mrlja, čađi, tj. tvari koje su nerastvorljive u vodi.Zbog prilično velike površinske napetosti sama voda nema baš dobar učinak čišćenja. Na primjer, kada dođu u kontakt s mrljom, molekule vode se privlače jedna drugoj više nego čestice nerastvorljive prljavštine. deterdženti(SMS) sadrže supstance koje smanjuju površinski napon vode. Prvi sapun, najjednostavniji deterdžent, nabavljen je na Bliskom istoku prije više od 5.000 godina. U početku se koristio uglavnom za pranje i liječenje čireva i rana. I to tek u 1. veku nove ere. čovjek je počeo da se umiva sapunom.
Početkom 1. veka nastaje sapun.
To je čovjeka spasilo od prljavštine i on je od malih nogu postao čist.
Pričam vam o sapunu koji je ubrzo iznjedrio: šampon, gel, puder.
Svet je postao čist, kako je dobar!
Slika 5. F. Gunter
Deterdženti su prirodne i sintetičke supstance sa efektom čišćenja, a posebno sapun i praškovi za pranje veša koji se koriste u svakodnevnom životu, industriji i uslužnom sektoru. Sapun se dobija kao rezultat hemijske interakcije masti i lužine. Najvjerovatnije je otkriveno čisto slučajno, kada se meso pržilo na vatri, a mast se slivala na pepeo, koji je alkalna svojstva. Proizvodnja sapuna ima dugu istoriju, ali prvi sintetički deterdžent (SDC) pojavio se 1916. godine, izumeo ga je nemački hemičar Fritz Gunther za industrijske svrhe. Kućni SMS, manje-više bezopasni za ruke, počeo je da se izdaje 1933. godine. Od tada je razvijen veliki broj sintetičkih deterdženata (SDC) za uske svrhe, a njihova proizvodnja je postala važna grana hemijske industrije.
Zbog površinske napetosti voda sama po sebi nema dovoljan učinak čišćenja. Kada molekuli vode dođu u kontakt sa mrljom, privlače se jedni drugima umjesto da zarobe čestice prljavštine, drugim riječima, ne vlažu prljavštinu.
Sapuni i sintetički deterdženti sadrže tvari koje povećavaju svojstva vlaženja vode smanjujući površinsku napetost. Ove tvari se nazivaju površinski aktivnim tvarima (surfaktanti) jer djeluju na površini tekućine.
Danas je proizvodnja SMS-a postala važna grana hemijske industrije. Ove supstance se nazivaju surfaktant(surfaktanti) jer djeluju na površinu tekućine. Molekule surfaktanta mogu se predstaviti kao punoglavci. Glavom se “hvataju” za vodu, a “repom” salo. Kada se surfaktanti pomiješaju s vodom, njihovi molekuli na površini okrenuti su "glavama" prema dolje, a "repom" prema van. Razbijanjem površine vode na ovaj način, ovi molekuli značajno smanjuju efekat površinske napetosti, čime pomažu vodi da prodre u tkivo. Sa ovim istim „repom“ molekuli surfaktanta (slika 6) hvataju molekule masti na koje naiđu. 2
Iskustvo br. 4
1.U tanjir sipajte mleko tako da prekrije dno (slika 4)
2. Kapnite 2 kapi briljantne zelene na površinu mlijeka
3. Posmatrali smo kako se briljantno zeleno „odnosi“ od centra ka ivicama. Dvije kapi briljantno zelene korice većina površine mleka! (Fotografija 5)
Zaključak: površinski napon briljantnog zelenog je mnogo manji od napona mlijeka.
4. Na površinu briljantnog zelenog kapnula je tečnost za pranje sudova „Fairy“, vidjeli smo kako se ta tekućina širi po cijeloj površini.(Fotografija 6)
zaključak: Površinski napon deterdženta je manji nego kod briljantnog zelenog.
Iskustvo br. 5
Voda je sipana u široku staklenu posudu.
Na površinu su izbačeni komadići pjene.
Dotaknite sredinu površine vode komadićem šećera.
Vitice od stiropora počinju se pomicati od rubova posude prema sredini (slika 7).
zaključak: površinski napon vodenog rastvora šećera je veći od čista voda.
Iskustvo br. 6
Uklanjanje masnih mrlja sa površine tkanine
Pamučnu vunu smo navlažili benzinom i ovom vatom navlažili rubove mrlje (ne samu mrlju). Benzin smanjuje površinsku napetost, tako da se masnoća nakuplja u središtu mrlje i može se ukloniti odatle; ako navlažite samu mrlju istom vatom, može se povećati u veličini zbog smanjenja površinske napetosti.
Za eksperimentalno određivanje vrijednosti površinske napetosti tekućine može se koristiti proces formiranja i odvajanja kapljica koje teku iz kapaljke.
Kratka teorija metode odvajanja kapljica
Mala zapremina tečnosti sama po sebi poprima oblik blizak sferi, jer je zbog male mase tečnosti i sila gravitacije koja deluje na nju mala. Ovo objašnjava sferni oblik malih kapi tečnosti. Slika 1 prikazuje fotografije koje prikazuju različite faze procesa formiranja i odvajanja kapljica. Fotografija je snimljena brzim snimanjem, kap raste sporo, možemo pretpostaviti da je u svakom trenutku u ravnoteži. Površinska napetost uzrokuje kontrakciju površine kapi, ona ima tendenciju da kapljici da sferni oblik. Gravitacija postavlja centar gravitacije kapi što je niže moguće. Kao rezultat, kap izgleda izduženo (slika 7a).
Rice. 7. a b c d
Proces formiranja i odvajanja kapljica
Što je pad veći, to je veća uloga koju ima potencijalna energija gravitacije. Kako kap raste, glavnina mase se skuplja na dnu i na kapi se formira vrat (slika 7b). Sila površinskog napona usmjerena je okomito tangencijalno na vrat i balansira silu gravitacije koja djeluje na kap. Sada je dovoljno da se pad prilično poveća i sile površinske napetosti više ne uravnotežuju silu gravitacije. Vrat kapi se brzo sužava (slika 7c) i kao rezultat kapljica se lomi (slika 7d).
Metoda za mjerenje koeficijenta površinskog napona nekih tekućina temelji se na vaganju kapljica. U slučaju sporog protoka tečnosti iz male rupe, veličina kapljica koje se formiraju zavisi od gustine tečnosti, koeficijenta površinskog napona, veličine i oblika rupe, kao i brzine protoka. . Kada tekućina za vlaženje polako istječe iz vertikalne cilindrične cijevi, rezultirajuća kap ima oblik prikazan na slici 8. Poluprečnik r vrata kapi povezan je sa vanjskim polumjerom cijevi R relacijom r = kR (1)
gdje je k koeficijent koji zavisi od veličine cijevi i brzine protoka.
U trenutku odvajanja, težina kapi mora biti jednaka rezultanti sila površinskog napona koje djeluju duž dužine jednake dužini konture vrata u njegovom najužem dijelu. Dakle, možemo pisati
Mg = 2πrơ (2)
Zamjenom vrijednosti radijusa vrata r iz jednakosti (1) i rješavanjem, dobijamo
Ơ =mg/2πkR (3)
Da bi se odredila masa kapi, određeni broj n kapi se izvaga u čaši poznate težine. Ako je masa čaše bez kapi i sa kapima M 0 i M, tada je masa jedne kapi
Zamjenom posljednjeg izraza u formulu (3) i uvođenjem njegovog promjera d umjesto polumjera cijevi, dobijamo formulu za proračun
ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)
Istraživački rad “Određivanje koeficijenta površinskog napona nekih tečnosti metodom odvajanja kapi”
Svrha studije: odrediti koeficijent površinskog napona tečnosti otkidanjem kapi neke tečnosti. Uređaji: instalacija za mjerenje koeficijenta površinskog napona, vaga, teg, čaša, čeljust, štoperica. Materijali: deterdženti: “Fairy”, “Aos”, mleko, alkohol, benzin, rastvori u prahu: “Myth”, “Persil”, šamponi "Fruttis", « Pantene», "Schauma" i " Fruttis", gelovi za tuširanje" Sensen», "monpensier" i " Otkrijte».
Opis uređaja.
Za određivanje koeficijenta površinskog napona sastavljena je postavka koja se sastoji od stativa na koji je postavljena bireta s tekućinom koja se ispituje. Na kraju birete je pričvršćen vrh cijevi na čijem se kraju formira kap. Kapi su izvagane u posebnoj čaši.
Napredak studije
Koristeći kaliper, tri puta je izmjeren prečnik cijevi vrha i izračunata je prosječna vrijednost d.
Na vagi se izmjeri čisto, suho staklo (M 0).
Koristeći biretsku slavinu, postigli smo brzinu pada protoka
15 kapi u minuti.
Iz birete je u čašu sipano 60 kapi tečnosti, računajući tačno broj bačenih kapi.
Izmerili smo čašu tečnosti. (M)
Zamijenjene dobivene vrijednosti u formulu ơ = ((M-M0)g)/πkdn
Izračunat je koeficijent površinskog napona.
Eksperiment je izveden tri puta
Izračunata je prosječna vrijednost koeficijenta površinskog napona.
Koeficijent površinskog napona u SI sistemu mjeri se u N/m.
Tabela br. 1
Rezultati određivanja koeficijenta površinskog napona (N/m)
|
Tečnost |
Koeficijent površinske napetosti |
|
|
Izmjereno |
Tabelarni |
|
|
Etanol |
||
|
mlijeko (2,5) |
||
|
Mlijeko (domaće kravlje) |
||
|
Rastvor u prahu “Myth”. |
||
|
Persil rastvor u prahu |
||
|
Deterdžent "Fairy" |
||
|
Deterdžent "Aos" |
||
zaključak: Od proučavanih kuhinjskih deterdženata, s tim da su svi ostali parametri koji utiču na kvalitet „pranja“ isti, bolje je koristiti proizvod „ vila" Od proučavanih praškova za veš" Mit“, jer Njihova rješenja imaju najmanju površinsku napetost. Stoga, prvi lijek (“ vila") bolje pomaže u ispiranju u vodi netopivih masti iz posuđa, budući da je emulgator - sredstvo koje olakšava proizvodnju emulzija (suspenzije najsitnijih čestica tekuće tvari u vodi). Sekunda (" Mit") bolje pere veš, prodire u pore između vlakana tkanine. Imajte na umu da kada koristite kuhinjske deterdžente, prisiljavamo supstancu (posebno mast) da se barem neko vrijeme otopi u vodi, jer ona se „zdrobi“ u sitne čestice. Za to vrijeme preporučuje se da se naneseni deterdžent ispere mlazom čiste vode, umjesto da nakon nekog vremena ispirete posuđe u posudi. Osim toga, proučavana je površinska napetost šampona i gelova za tuširanje. Zbog prilično visoke viskoznosti ovih tekućina, teško je precizno odrediti njihov koeficijent površinske napetosti, ali se može uporediti. Proučavani su šamponi (metodom otkidanja kapi) „Pantene», "Schauma" i " Fruttis", kao i gelovi za tuširanje" Sensen», "monpensier" i " Otkrijte».
zaključak:
Površinska napetost se smanjuje u šamponima na rasponu "Fruttis" - "Schauma" - "Pantene" u gelovima - redom "monpensier" - "otkrij" - "Čula".
Površinski napon šampona je manji od površinskog napona gelova (na primjer, " Pantene» < «Osjetila"za 65 mN/m), što opravdava njihovu namenu: šamponi - za pranje kose, gelovi - za pranje tela.
Uz sve ostale identične karakteristike koje utječu na kvalitetu pranja, bolje je koristiti proučavane šampone. "Pantene" (sl. 9), od proučavanih gelova za tuširanje - “Čula” (slika 10).
Metoda odvajanja kapljica, iako nije vrlo precizna, se ipak koristi u medicinska praksa. Ova metoda određuje dijagnostičke svrhe površinski napon cerebrospinalnu tečnost, žuč itd.
Zaključak
1. Dobivena je eksperimentalna potvrda teorijskih zaključaka , dokazujući da homogena tečnost poprima oblik sa minimalnom slobodnom površinom
2. Provedeni su eksperimenti sa smanjenjem i povećanjem površinske napetosti čiji su rezultati dokazali da sapun i sintetički deterdženti sadrže tvari koje povećavaju svojstva vlaženja vode smanjenjem sile površinskog napona.
3. Odrediti koeficijent površinskog napona tečnosti
a) studirao kratka teorija metoda odvajanja kapljica;
b) dizajnirana je i montirana eksperimentalna postavka;
c) izračunate su prosječne vrijednosti koeficijenta površinskog napona različitih tekućina i izvedeni su zaključci.
4. Rezultati eksperimenata i istraživanja prikazani su u obliku tabela i fotografija.
Rad na projektu omogućio mi je da steknem šira znanja iz oblasti fizike „Površinski napon“.
Voleo bih da svoj projekat završim rečima velikog fizičara
A. Einstein:
„Dovoljno mi je da doživim osjećaj vječne misterije života, da spoznam i intuitivno shvatim čudesnu strukturu svih stvari i da aktivno nastojim da dokučim i najmanje zrnce inteligencije koje se manifestira u prirodi.”
Spisak korišćenih izvora i literature
http://www.physics.ru/
http://greenfuture.ru/
http://www.agym.spbu.ru/
Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu.L., Myakishev G.Ya., Fizika, udžbenik za 9. razred srednje škole - 4. izdanje - M.: Obrazovanje, 1988 - 271 str.
Kasyanov V.A., Fizika, 10. razred, udžbenik za opšte obrazovanje obrazovne institucije, M.: Drfa, 2001. - 410 s.
Pinsky A.A. Fizika: udžbenik. Priručnik za 10. razred sa dubinska studija fizike. M.: Obrazovanje, 1993. - 416 s.
Yufanova I.L. Zabavne večeri iz fizike u srednja škola: knjiga za nastavnike. - M.: Obrazovanje, 1990. -215s
Chuyanov V.Ya., enciklopedijski rječnik mladi fizičar, M.: Pedagogika, 1984. - 350 s.
1 1 http://www.physics.ru/
2 http://greenfuture.ru
Glavni dio.
Razumjeti osnovna svojstva i obrasce tečno stanje tvari, potrebno je uzeti u obzir sljedeće aspekte:
Struktura tečnosti. Kretanje molekula tečnosti.
Tečnost je nešto što može da teče.
U rasporedu tečnih čestica primećuje se takozvani poredak kratkog dometa. To znači da je u odnosu na bilo koju česticu uređena lokacija njenih najbližih susjeda.
Međutim, kako se udaljavate od date čestice, raspored ostalih čestica u odnosu na nju postaje sve manje uređen, a vrlo brzo red u rasporedu čestica potpuno nestaje.
Molekuli tekućine kreću se mnogo slobodnije od čvrstih molekula, iako ne tako slobodno kao molekuli plina.
Svaki molekul tečnosti se kreće tamo i tamo neko vreme, ne udaljujući se, međutim, od svojih suseda. Ali s vremena na vrijeme, molekul tekućine izbije iz svog okruženja i preseli se na drugo mjesto, završavajući u novom okruženju, gdje opet neko vrijeme izvodi pokrete slične vibracijama. Značajna dostignuća u razvoju niza problema u teoriji tečnog stanja pripadaju sovjetskom naučniku Ya. I. Frenkelu.
Prema Frenkelu, toplotno kretanje u tečnostima ima sljedeći lik. Svaki molekul oscilira okolo neko vrijeme. određeni položaj balans. S vremena na vrijeme, molekul mijenja svoje mjesto ravnoteže, naglo se pomjerajući u novi položaj, odvojen od prethodnog razdaljinom reda veličine samih molekula. Odnosno, molekuli se samo polako kreću unutar tečnosti, zadržavajući se deo vremena u blizini određenih mesta.Tako je kretanje molekula tečnosti nešto poput mešavine kretanja u čvrstom stanju i u gasu: oscilatorno kretanje na jednom mjestu zamjenjuje se slobodnim prijelazom s jednog mjesta na drugo.
Pritisak tečnosti
Svakodnevno iskustvo nas uči da tekućine djeluju poznatim silama na površini čvrstih tijela u dodiru s njima. Ove sile se nazivaju sile pritiska fluida.
Prekrivanje otvora prstom slavina za vodu, osjećamo snagu pritiska tečnosti na prst. Bol u uhu kod plivača koji je zaronio na velike dubine uzrokovan je silama pritiska vode na bubna opna uho. Termometri za mjerenje temperature u dubokom moru moraju biti vrlo izdržljivi kako ih pritisak vode ne bi mogao zgnječiti.
Pritisak u tečnosti je uzrokovan promjenom njenog volumena – kompresijom. Tečnosti su elastične u odnosu na promene zapremine. Sile elastičnosti u tečnosti su sile pritiska. Dakle, ako tekućina djeluje silama pritiska na tijela u dodiru s njom, to znači da je sabijena. Budući da se gustina supstance povećava tokom kompresije, možemo reći da tečnosti imaju elastičnost u odnosu na promene gustine.
Pritisak u tečnosti je okomit na bilo koju površinu koja se nalazi u tečnosti. Pritisak u tečnosti na dubini h jednak je zbiru pritiska na površini i vrednosti proporcionalne dubini:
Zbog činjenice da tekućine mogu prenijeti statički pritisak, gotovo ne manji od svoje gustine, mogu se koristiti u uređajima koji pružaju prednost u čvrstoći: hidrauličnoj presi.
Arhimedov zakon
Na površinu čvrstog tijela uronjenog u tekućinu djeluju sile pritiska. Pošto pritisak raste sa dubinom uranjanja, sile pritiska deluju na njih donji dio tečnost i usmjerena prema gore veće su od sila koje djeluju na njegov gornji dio i usmjerene naniže, te možemo očekivati da će rezultanta sila pritiska biti usmjerena prema gore. Rezultanta sila pritiska na tijelo uronjeno u tekućinu naziva se nosiva sila tečnosti.
Ako je tijelo uronjeno u tekućinu prepušteno samom sebi, ono će potonuti, ostati u ravnoteži ili isplivati na površinu tekućine, ovisno o tome da li je potporna sila manja, jednaka ili veća od sile gravitacija koja deluje na telo.
Arhimedov zakon kaže da je tijelo u tečnosti izloženo sili uzgona koja je jednaka težini istisnute tečnosti. Telo uronjeno u tečnost podleže sili uzgona (koja se zove Arhimedova sila)
gdje je ρ gustina tečnosti (gasa), ubrzanje slobodan pad, A V- zapremina potopljenog tijela (ili dio zapremine tijela koji se nalazi ispod površine).
Ako je tijelo uronjeno u tečnost okačeno na vagu, tada vaga pokazuje razliku između težine tijela u zraku i težine istisnute tekućine. Stoga se Arhimedovom zakonu ponekad daje sljedeća formulacija: tijelo uronjeno u tečnost gubi na svojoj težini onoliko koliko je težina tečnosti koju istisne.
Zanimljivo je primijetiti eksperimentalnu činjenicu da je unutar druge tekućine veća specifična gravitacija, tečnost, prema Arhimedovom zakonu, "gubi" svoju težinu i poprima svoj prirodni, sferni oblik.
Isparavanje
U površinskom sloju i blizu površine tečnosti deluju sile koje obezbeđuju postojanje površine i ne dozvoljavaju molekulima da napuste zapreminu tečnosti. Hvala za termičko kretanje neki od molekula imaju dovoljno velike brzine da savladaju sile koje drže molekule u tečnosti i napuste je. Ova pojava se zove isparavanje. Uočava se na bilo kojoj temperaturi, ali njegov intenzitet raste s porastom temperature.
Ako se molekuli koji su napustili tečnost uklone iz prostora blizu površine tečnosti, tada će na kraju sva tečnost ispariti. Ako se molekuli koji su napustili tečnost ne uklone, formiraju paru. Molekule pare koje ulaze u područje blizu površine tečnosti uvlače se u tečnost privlačnim silama. Ovaj proces se naziva kondenzacija.
Dakle, ako se molekuli ne uklone, brzina isparavanja se smanjuje s vremenom. Daljnjim povećanjem gustine pare dolazi se do situacije da će broj molekula koji napuštaju tečnost u određenom vremenu biti jednak broju molekula koji se u isto vreme vraćaju u tečnost. Dolazi do stanja dinamičke ravnoteže. Para u stanju dinamičke ravnoteže s tekućinom naziva se zasićena.
Sa povećanjem temperature povećavaju se gustina i pritisak zasićene pare. Što je temperatura viša, više tečnih molekula ima dovoljno energije da ispari, a gustina pare mora biti veća da bi kondenzacija bila jednaka isparavanju.
Kipuće
Kada se pri zagrevanju tečnosti dostigne temperatura na kojoj je pritisak zasićene pare jednak spoljašnjem pritisku, uspostavlja se ravnoteža između tečnosti i njene zasićene pare. Kada se tečnosti doda dodatna količina toplote, odgovarajuća masa tečnosti se odmah pretvara u paru. Ovaj proces se zove ključanje.
Vrenje je intenzivno isparavanje tečnosti, koje se dešava ne samo sa površine, već kroz čitav njen volumen, unutar nastalih mjehurića pare. Da bi prešli iz tečnosti u paru, molekuli moraju steći energiju neophodnu da savladaju privlačne sile koje ih drže u tečnosti. Na primjer, za isparavanje 1 g vode na temperaturi od 100°C i pritisku koji odgovara atmosferskom pritisku na nivou mora, potrebno je potrošiti 2258 J, od čega se 1880 koristi za odvajanje molekula od tekućine, a ostatak se koriste za povećanje zapremine koju zauzima sistem, protiv snage atmosferski pritisak(1 g vodene pare na 100°C i normalan pritisak zauzima zapreminu od 1,673 cm 3, dok je 1 g vode pod istim uslovima samo 1,04 cm 3).
Tačka ključanja je temperatura na kojoj tlak zasićene pare postaje jednak vanjskom tlaku. Kako pritisak raste, tačka ključanja se povećava, a kako se pritisak smanjuje, ona se smanjuje.
Usled promene pritiska u tečnosti sa visinom njenog stuba, ključanja na raznim nivoima u tečnosti se dešava, strogo govoreći, na različitim temperaturama. Samo zasićena para iznad površine kipuće tekućine ima određenu temperaturu. Njegova temperatura je određena samo vanjskim pritiskom. Ovo je temperatura na koju se misli kada govorimo o tački ključanja.
Tačke ključanja različitih tekućina uvelike se razlikuju jedna od druge, a to se široko koristi u tehnologiji, na primjer, u destilaciji naftnih derivata.
Količina topline koja se mora unijeti da bi se određena količina tekućine izotermno pretvorila u paru, pri vanjskom pritisku jednakom pritisku njene zasićene pare, naziva se latentna toplina isparavanja. Ova vrijednost se obično naziva jedan gram ili jedan mol. Količina topline potrebna za izotermno isparavanje mola tekućine naziva se molarna latentna toplina isparavanja. Ako se ova vrijednost podijeli s molekulskom težinom, dobiva se specifična latentna toplina isparavanja.
Površinski napon tečnosti
Svojstvo tečnosti da svoju površinu svede na minimum naziva se površinska napetost. Površinska napetost je pojava molekularnog pritiska na tečnost uzrokovana privlačenjem molekula u površinskom sloju na molekule unutar tečnosti. Na površini tekućine molekuli doživljavaju sile koje nisu simetrične. U prosjeku, molekul koji se nalazi unutar tekućine podliježe sili privlačenja i prianjanja od svojih susjeda ravnomjerno sa svih strana. Ako se površina tekućine poveća, molekuli će se kretati protiv sila zadržavanja. Dakle, sila koja teži da skupi površinu tekućine djeluje u suprotnom smjeru od vanjske sile koja rasteže površinu. Ova sila se naziva površinska napetost i izračunava se po formuli:
Koeficijent površinske napetosti()
Dužina granice površine tekućine
Imajte na umu da lako isparljive tekućine (eter, alkohol) imaju manju površinsku napetost od neisparljivih tekućina (živa). Površinski napon tečnog vodonika i, posebno, tečnog helijuma je veoma nizak. U tečnim metalima površinska napetost je, naprotiv, vrlo visoka. Razlika u površinskoj napetosti tekućina objašnjava se razlikom u adhezivnim silama različitih molekula.
Mjerenja površinskog napona tečnosti pokazuju da površinski napon ne zavisi samo od prirode tečnosti, već i od njene temperature: sa povećanjem temperature, razlika u gustoći tečnosti opada, a samim tim i koeficijent površinske napetosti - opada.
Zbog površinske napetosti, bilo koji volumen tekućine teži da smanji svoju površinu, čime se smanjuje njena potencijalna energija. Površinska napetost je jedna od elastičnih sila odgovornih za kretanje talasa u vodi. U ispupčenjima, površinska gravitacija i površinska napetost povlače čestice vode prema dolje, pokušavajući površinu ponovo učiniti glatkom.
Tečni filmovi
Svi znaju kako je lako dobiti pjenu iz vode sa sapunom. Pjena je skup mjehurića zraka ograničenih tankim filmom tekućine. Od tečnosti koja stvara pjenu lako se može dobiti poseban film.
Ovi filmovi su veoma zanimljivi. Mogu biti izuzetno tanke: u najtanjim dijelovima njihova debljina ne prelazi stohiljaditi dio milimetra. Uprkos svojoj mršavosti, ponekad su vrlo otporni. Sapunski film se može rastegnuti i deformirati, a mlaz vode može teći kroz film sapuna, a da ga ne uništi.
Kako možemo objasniti stabilnost filmova? Neophodan uslov Formiranje filma je dodavanje tvari koje se u njemu otapaju u čistu tekućinu, štoviše, onih koje uvelike smanjuju površinsku napetost
U prirodi i tehnologiji obično se susrećemo ne sa pojedinačnim filmovima, već sa zbirkom filmova - pjenom. Često možete vidjeti u potocima, gdje mali potoci padaju u mirnu vodu, obilno stvaranje pjene. U ovom slučaju, sposobnost vode da se pjeni povezana je s prisustvom posebnog organska materija, oslobođen iz korijena biljaka. Građevinska oprema koristi materijale koji imaju ćelijsku strukturu, kao što je pjena. Takvi materijali su jeftini, lagani, slabo provode toplinu i zvuk i prilično su izdržljivi. Za njihovu izradu dodaju se tvari koje potiču pjenjenje u otopine od kojih se formiraju građevinski materijali.
Vlaženje
Male kapljice žive stavljene na staklenu ploču poprimaju sferni oblik. To je rezultat molekularnih sila koje teže smanjenju površine tekućine. Živa postavljena na površinu čvrste tvari ne formira uvijek okrugle kapljice. Širi se preko cinkove ploče, a ukupna površina kapljice će se nesumnjivo povećati.
Kap anilina takođe ima sferni oblik samo kada ne dodiruje zid staklene posude. Čim dodirne zid, odmah se zalijepi za staklo, protežući se preko njega i dobivajući veliku ukupnu površinu.
To se objašnjava činjenicom da u slučaju kontakta s čvrstim tijelom, sile adhezije molekula tekućine s molekulima čvrstog tijela počinju igrati značajnu ulogu. Ponašanje tečnosti će zavisiti od toga šta je veće: kohezija između tečnih molekula ili kohezija molekula tečnosti sa čvrstim molekulom. U slučaju žive i stakla, sile prianjanja između žive i staklenih molekula su male u poređenju sa silama lepljenja između molekula žive, a živa se skuplja u kap.
Ova tečnost se zove nekvašenje solidan. U slučaju žive i cinka, kohezivne sile između molekula tečnosti i čvrste supstance premašuju kohezione sile koje deluju između molekula tečnosti, a tečnost se širi preko čvrste supstance. U ovom slučaju se zove tečnost vlaženje solidan.
Iz toga proizilazi da kada se govori o površini tečnosti, ne moramo misliti samo na površinu na kojoj se tečnost graniči sa vazduhom, već i na površinu koja graniči sa drugim tečnostima ili čvrstim telom.
U zavisnosti od toga da li tečnost vlaži zidove posude ili ne, oblik površine tečnosti na mestu kontakta sa čvrstim zidom i gasom ima ovaj ili onaj oblik. U slučaju nekvašenja, oblik površine tekućine na rubu je okrugao i konveksan. Kada se navlaži, tečnost na ivici poprima konkavni oblik.
Kapilarni fenomeni
U životu se često susrećemo sa tijelima koja su prožeta mnogim malim kanalima (papir, pređa, koža, razni građevinski materijali, zemlja, drvo). Kada takva tijela dođu u kontakt s vodom ili drugim tekućinama, često ih apsorbiraju. Ovo je osnova za djelovanje peškira pri sušenju ruku, djelovanje fitilja u petrolejskoj lampi itd. Slične pojave se mogu uočiti i u uskim staklenim cijevima. Uske cijevi se nazivaju kapilarne ili cijevi za kosu.
Kada se takva cijev na jednom kraju uroni u široku posudu u širokoj posudi, događa se sljedeće: ako tečnost navlaži zidove cijevi, tada će se ona podići iznad nivoa tekućine u posudi i, osim toga, što je veća to je cijev uža; ako tečnost ne vlaži zidove, tada je, naprotiv, nivo tečnosti u cevi niži nego u širokoj posudi. Promena visine nivoa tečnosti u uskim cevima ili prazninama naziva se kapilarnost. U širem smislu, kapilarni fenomeni podrazumijevaju sve pojave uzrokovane postojanjem površinske napetosti.
Visina podizanja tečnosti u kapilarnim cevima zavisi od radijusa kanala u cevi, površinske napetosti i gustine tečnosti. Između tečnosti u kapilari i u širokoj posudi uspostavlja se takva razlika nivoa h tako da se hidrostatički pritisak rgh izbalansira kapilarni pritisak:
gdje je s površinski napon tečnosti
R je radijus kapilare.
Visina tečnosti koja se diže u kapilari proporcionalna je njenoj površinskoj napetosti i obrnuto proporcionalna poluprečniku kapilarnog kanala i gustini tečnosti (Jurinov zakon)
Najkarakterističnije svojstvo tečnosti, koje je razlikuje od gasa, jeste da na granici sa gasom tečnost formira slobodnu površinu, čije prisustvo dovodi do pojave posebne vrste fenomena koji se naziva površina. Svoj izgled duguju posebnim fizičkim uslovima u kojima se molekuli nalaze blizu slobodne površine.
Svaki molekul tekućine podliježe privlačnim silama molekula koji ga okružuju, a koji se nalaze od nje na udaljenosti od oko 10 -9 m (radijus molekularno djelovanje). Po molekulu M 1 koji se nalazi unutar tečnosti (slika 1), deluju sile iz istih molekula, a rezultanta ovih sila je bliska nuli.
Za molekule M 2 rezultantne sile su različite od nule i usmjerene su u tekućinu, okomito na njenu površinu. Dakle, svi molekuli tečnosti koji se nalaze u površinskom sloju se uvlače u tečnost. Ali prostor unutar tečnosti zauzimaju drugi molekuli, dakle površinski sloj stvara pritisak na tečnost (molekularni pritisak).
Za pomicanje molekula M 3, koji se nalazi direktno ispod površinskog sloja, na površini, potrebno je raditi protiv sila molekularnog pritiska. Posljedično, molekuli u površinskom sloju tekućine imaju dodatnu potencijalnu energiju u odnosu na molekule unutar tekućine. Ova energija se zove površinska energija.
Očigledno je vrijednost površinske energije veća, što je veća veća površina slobodna površina. Neka se površina slobodne površine promijeni za Δ S, dok se površinska energija promijenila u \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\), gdje je σ koeficijent površinske napetosti. Pošto je za ovu promjenu potrebno raditi
\(~A = \Delta W_p ,\) zatim \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)
Otuda \(~\sigma = \dfrac(A)(\Delta S)\) .
SI jedinica površinske napetosti je džul po kvadratnom metru (J/m2).
- vrijednost numerički jednaka radu molekularnih sila kada se slobodna površina tekućine promijeni za 1 m 2 pri konstantnoj temperaturi.
Pošto svaki sistem, prepušten sam sebi, teži da zauzme poziciju u kojoj je njegova potencijalna energija najniža, tečnost teži da skuplja slobodnu površinu. Površinski sloj tečnosti ponaša se kao rastegnuti gumeni film, tj. stalno nastoji smanjiti svoju površinu na najmanju moguću veličinu za dati volumen.
Na primjer, kap tekućine u bestežinskom stanju ima sferni oblik.
Površinski napon
Svojstvo tečne površine da se skuplja može se tumačiti kao postojanje sila koje teže da se skupe. Molekula M 1 (slika 2), koji se nalazi na površini tečnosti, u interakciji ne samo sa molekulima koji se nalaze unutar tečnosti, već i sa molekulima koji se nalaze na površini tečnosti, koji se nalaze unutar sfere molekularnog delovanja. Za molekul M 1 rezultanta \(~\vec R\) molekulskih sila usmjerenih duž slobodne površine tekućine jednaka je nuli, a za molekulu M 2 nalazi se na granici površine tekućine, \(~\vec R\ne 0\) i \(~\vec R\) usmjerena normalno na granice slobodne površine i tangenta na površinu same tekućine.
Rezultanta sila koje djeluju na sve molekule smještene na granici slobodne površine je sila površinski napon. Općenito, djeluje na način da nastoji smanjiti površinu tekućine.
Može se pretpostaviti da je sila površinskog napona \(~\vec F\) direktno proporcionalna dužini l granice površinskog sloja tečnosti, jer su u svim delovima površinskog sloja tečnosti molekuli pod istim uslovima:
\(~F \sim l .\)
Zaista, razmotrimo vertikalni pravougaoni okvir (sl. 3, a, b), čija je pokretna strana uravnotežena. Nakon uklanjanja okvira iz otopine sapunskog filma, pokretni dio se pomiče iz pozicije 1 na poziciju 2 . S obzirom da je film tanak sloj tekućine i da ima dvije slobodne površine, naći ćemo rad koji je obavljen pomicanjem prečke na razdaljinu h = a 1 ⋅ a 2: A = 2F⋅h, Gdje F- sila koja djeluje na okvir iz svakog površinskog sloja. S druge strane, \(~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).
Prema tome, \(~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Rightarrow F = \sigma \cdot l\), odakle \(~\sigma = \dfrac Fl\).
Prema ovoj formuli, SI jedinica površinske napetosti je njutn po metru (N/m).
Koeficijent površinske napetostiσ je numerički jednak sili površinske napetosti koja djeluje po jedinici dužine granice slobodne površine tekućine. Koeficijent površinske napetosti zavisi od prirode tečnosti, temperature i prisustva nečistoća. Smanjuje se kako temperatura raste.
- Na kritičnoj temperaturi, kada razlika između tekućine i pare nestane, σ = 0.
Nečistoće općenito smanjuju (nešto povećavaju) koeficijent površinske napetosti.
Dakle, površinski sloj tečnosti je poput elastičnog rastegnutog filma koji prekriva čitavu tečnost i teži da je skupi u jednu “kap”. Ovaj model (elastična rastegnuta folija) omogućava određivanje smjera sila površinskog napona. Na primjer, ako se film rastegne pod utjecajem vanjskih sila, tada će sila površinske napetosti biti usmjerena duž površine tekućine protiv istezanja. Međutim, ovo stanje se značajno razlikuje od napetosti elastičnog gumenog filma. Elastični film rasteže se zbog povećanja udaljenosti između čestica, a sila zatezanja raste; kada se tekući film rasteže, razmak između čestica se ne mijenja, a povećanje površine postiže se kao rezultat prijelaz molekula iz debljine tekućine u površinski sloj. Dakle, kako se površina tekućine povećava, sila površinske napetosti se ne mijenja (ne ovisi o površini).
vidi takođe
- Kikoin A.K. O silama površinske napetosti // Quantum. - 1983. - br. 12. - str. 27-28
Vlaženje
U slučaju kontakta s čvrstim tijelom, sile adhezije između tekućih molekula i čvrstih molekula počinju igrati značajnu ulogu. Ponašanje tečnosti zavisiće od toga šta je veće: kohezija između molekula tečnosti ili kohezija molekula tečnosti sa molekulima čvrste supstance.
Vlaženje- pojava koja se javlja usled interakcije tečnih molekula sa čvrstim molekulima. Ako su sile privlačenja između molekula tekućine i čvrste tvari veće od sila privlačenja između molekula tekućine, tada se tekućina naziva vlaženje; ako su sile privlačenja između tečnosti i čvrstog tela manje od sila privlačenja između molekula tečnosti, tada se tečnost naziva nekvašenje ovo je tijelo.
Ista tečnost može biti vlažna i nemokraća u odnosu na različita tijela. Dakle, voda vlaži staklo i ne vlaži masnu površinu; živa ne vlaži staklo, već bakar.
Vlaženje ili nekvašenje tečnošću zidova posude u kojoj se nalazi utiče na oblik slobodne površine tečnosti u posudi. Ako se u posudu ulije velika količina tekućine, oblik njene površine određuje gravitacija, čime se osigurava ravna i horizontalna površina. Međutim, na samim zidovima pojava vlaženja i nekvašenja dovodi do zakrivljenosti površine tečnosti, tzv. rubni efekti.
Kvantitativna karakteristika rubnih efekata je kontaktni ugaoθ je ugao između ravnine tangente na površinu tečnosti i površine čvrstog tela. Unutar kontaktnog ugla uvek postoji tečnost (sl. 4, a, b). Kada se navlaži, biće oštar (slika 4, a), a kada se ne navlaži, biće tup (slika 4, b). IN školski kurs fizičari smatraju samo potpuno vlaženje (θ = 0º) ili potpuno nekvašenje (θ = 180º).
Sile povezane s prisustvom površinske napetosti i usmjerene tangencijalno na površinu tekućine, u slučaju konveksne površine, daju rezultantnu silu usmjerenu u tekućinu (slika 5, a). U slučaju konkavne površine, rezultujuća sila je usmjerena, naprotiv, prema plinu koji graniči s tekućinom (slika 5, b).
Ako se tečnost za vlaženje nalazi na otvorenoj površini čvrste supstance (slika 6, a), onda se širi po ovoj površini. Ako se na otvorenoj površini čvrstog tijela nalazi tekućina koja ne vlaže, onda ono poprima oblik blizak sfernom (slika 6, b).
Vlaženje ima bitan kako u svakodnevnom životu tako i u industriji. Dobro vlaženje je neophodno kod bojenja, pranja, obrade fotografskih materijala, nanošenja boja i lakova, lepljenja materijala, lemljenja i u procesima flotacije (obogaćivanje ruda vrednim kamenjem). Nasuprot tome, pri izradi hidroizolacijskih uređaja potrebni su materijali koji se ne kvaše vodom.
Kapilarni fenomeni
Zakrivljenost površine tečnosti na ivicama posude posebno je jasno vidljiva u uskim cevima, gde je cela slobodna površina tečnosti zakrivljena. U cijevima uskog presjeka, ova površina je dio sfere, naziva se meniskusa. Tečnost koja vlaži formira konkavni meniskus (slika 7, a), dok nekvašeća tečnost formira konveksni meniskus (slika 7, b). Budući da je površina meniskusa veća od površine poprečnog presjeka cijevi, pod utjecajem molekularnih sila zakrivljena površina tekućine teži da se ispravi.
Stvaraju sile površinskog napona dodatni (laplasov) pritisak ispod zakrivljene površine tečnosti.
Ako je površina tečnosti konkavna, tada je sila površinskog napona usmjerena van tečnosti (slika 8, a), a pritisak ispod konkavne površine tečnosti je manji nego ispod ravne površine za \(~p = \dfrac(2 \sigma ) (R)\). Ako je površina tečnosti konveksan, tada je sila površinskog napona usmjerena unutar tečnosti (slika 8, b), a pritisak ispod konveksne površine tečnosti je za isti iznos veći nego ispod ravne površine.
Rice. 8 - Ova formula je poseban slučaj Laplaceove formule, koja određuje višak tlaka za proizvoljnu površinu tekućine dvostruke zakrivljenosti:
Gdje R 1 i R 2 - poluprečnici zakrivljenosti bilo koje dvije međusobno okomite normalne sekcije površine tečnosti. Polumjer zakrivljenosti je pozitivan ako je centar zakrivljenosti odgovarajućeg dijela unutar fluida, a negativan ako je centar zakrivljenosti izvan fluida. Za cilindričnu površinu ( R 1 = l; R 2 = ∞) višak pritiska \(~p = \dfrac(\sigma)(R)\) .
Ako postavite usku cijev ( kapilarni) jednim krajem u tečnost ulivenu u široku posudu, a zatim usled prisustva Laplasove sile pritiska tečnost u kapilari se diže (ako je tečnost vlažna) ili pada (ako tečnost ne kvasi) (Sl. 9, a, b), budući da ispod ravne površine tečnosti u širokoj posudi nema viška pritiska.
Fenomen promjene visine nivoa tečnosti u kapilarama u odnosu na nivo tečnosti u širokim sudovima naziva se kapilarne pojave.
Tečnost u kapilari se diže ili spušta do ove visine h, pri čemu je sila hidrostatski pritisak stub tečnosti se uravnotežuje silom viška pritiska, tj.
\(~\dfrac(2 \sigma)(R) = \rho \cdot g \cdot h .\)
Odakle dolazi \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R)\)? Ako vlaženje nije potpuno θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), tada, kao što pokazuju proračuni, \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R) \cdot \cos \theta\).
Kapilarni fenomeni su prilično česti. Podizanje vode u tlu, sistem krvni sudovi u plućima korijenski sistem u biljkama, fitilj i upijajući papir su kapilarni sistemi.
Književnost
- Aksenovich L. A. Fizika u srednjoj školi: teorija. Zadaci. Testovi: Udžbenik. dodatak za ustanove koje pružaju opšte obrazovanje. okoliš, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P. 178-184.