Επιφανειακή τάση πόσιμο νερό
Μια σημαντική παράμετρος του πόσιμου νερού είναι η επιφανειακή τάση. Καθορίζει τον βαθμό πρόσφυσης μεταξύ των μορίων του νερού και το σχήμα της επιφάνειας του υγρού και επίσης καθορίζει τον βαθμό απορρόφησης νερού από το σώμα.
Το επίπεδο εξάτμισης ενός υγρού εξαρτάται από το πόσο ισχυρά συνδέονται τα μόριά του μεταξύ τους. Όσο ισχυρότερα έλκονται τα μόρια μεταξύ τους, τόσο λιγότερο πτητικό είναι το υγρό. Όσο χαμηλότερη είναι η επιφανειακή τάση ενός υγρού, τόσο πιο πτητικό είναι. Οι αλκοόλες και οι διαλύτες έχουν τη χαμηλότερη επιφανειακή τάση. Αυτό, με τη σειρά του, καθορίζει τη δραστηριότητά τους - την ικανότητα αλληλεπίδρασης με άλλες ουσίες.
Οπτικά, η επιφανειακή τάση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής: αν ρίξετε αργά το τσάι σε ένα φλιτζάνι μέχρι το χείλος, τότε για κάποιο χρονικό διάστημα δεν θα ξεχειλίσει και στο εκπεμπόμενο φως μπορείτε να δείτε ότι έχει σχηματιστεί μια λεπτή μεμβράνη πάνω από την επιφάνεια του υγρού, η οποία εμποδίζει το τσάι να χυθεί. Φουσκώνει καθώς συμπληρώνεται και μόνο στην «τελευταία σταγόνα», όπως λένε, ξεχειλίζει το υγρό.
Όσο περισσότερο «υγρό» νερό χρησιμοποιείται για πόσιμο, τόσο λιγότερη ενέργεια χρειάζεται το σώμα για να σπάσει τους μοριακούς δεσμούς και να κορεστεί τα κύτταρα με νερό.
Η μονάδα μέτρησης για την επιφανειακή τάση είναι dyne/cm.
Το νερό της βρύσης έχει επιφανειακή τάση έως και 73 dynes/cm και το ενδοκυττάριο και εξωκυτταρικό υγρό περίπου 43 dynes/cm, επομένως το κύτταρο χρειάζεται ένας μεγάλος αριθμός απόενέργεια για να ξεπεραστεί η επιφανειακή τάση του νερού.
Μεταφορικά, το νερό είναι πιο «παχύ» και πιο «υγρό». Είναι επιθυμητό να εισέλθει περισσότερο «υγρό» νερό στο σώμα, τότε τα κύτταρα δεν θα χρειαστεί να ξοδέψουν ενέργεια για να ξεπεράσουν την επιφανειακή τάση. Το νερό με χαμηλή επιφανειακή τάση είναι πιο βιολογικά διαθέσιμο. Είναι πιο εύκολο να μπείτε σε διαμοριακές αλληλεπιδράσεις.
Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί ζεστό νερόκαθαρίζει τη βρωμιά καλύτερα από το κρύο; Αυτό συμβαίνει γιατί όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του νερού, μειώνεται η επιφανειακή του τάση. Όσο χαμηλότερη είναι η επιφανειακή τάση του νερού, τόσο καλύτερος διαλύτης είναι. Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από χημική σύνθεσηυγρά, το περιβάλλον με το οποίο συνορεύει, τη θερμοκρασία. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει (μειώνεται επίσης στο κρίσιμη θερμοκρασίαπάει στο μηδέν. Ανάλογα με την ισχύ της αλληλεπίδρασης των μορίων του υγρού με τα σωματίδια ενός στερεού σώματος που έρχονται σε επαφή με αυτό, είναι δυνατή η διαβροχή ή η μη διαβροχή ενός στερεού σώματος από ένα υγρό. Και στις δύο περιπτώσεις, η επιφάνεια του υγρού κοντά στο όριο με το στερεό είναι καμπύλη.
Η επιφανειακή τάση του νερού μπορεί να μειωθεί, για παράδειγμα, προσθέτοντας βιολογικά δραστικές ουσίεςή θέρμανση του υγρού. Όσο πιο κοντά είναι η τιμή της επιφανειακής τάσης του νερού που χρησιμοποιείτε για πόση είναι στα 43 dynes/cm, τόσο λιγότερη ενέργεια μπορεί να απορροφήσει το σώμα σας.
Δεν ξέρω πού να πάρω σωστό νερό ? θα προκαλέσω!
Σημείωση:
Πατώντας το κουμπί " Για να ξέρεις» δεν οδηγεί σε χρηματοοικονομικά έξοδα και υποχρεώσεις.
Είσαι μόνο λάβετε πληροφορίες σχετικά με τη διαθεσιμότητα σωστό νερόστην περιοχή σας,
και παίρνω μοναδική ευκαιρίαγίνετε μέλος της λέσχης υγιών ανθρώπων δωρεάν
Το κείμενο της εργασίας τοποθετείται χωρίς εικόνες και τύπους.
Πλήρη έκδοσηη εργασία είναι διαθέσιμη στην καρτέλα "Αρχεία εργασίας" σε μορφή PDF
Εισαγωγή
Στον κόσμο γύρω μας, μαζί με τη βαρύτητα, την ελαστικότητα και την τριβή, υπάρχει και μια άλλη δύναμη που συνήθως δεν δίνουμε σημασία. Αυτή η δύναμη δρα κατά μήκος της εφαπτομένης στις επιφάνειες όλων των υγρών. Η δύναμη που δρα κατά μήκος της επιφάνειας του υγρού κάθετα στη γραμμή που περιορίζει αυτήν την επιφάνεια, τείνει να τη μειώσει στο ελάχιστο, ονομάζεται δύναμη επιφανειακής τάσης. Είναι σχετικά μικρό, η δράση του δεν προκαλεί ποτέ ισχυρά αποτελέσματα. Ωστόσο, δεν μπορούμε να ρίξουμε νερό σε ένα ποτήρι, δεν μπορούμε να κάνουμε τίποτα με οποιοδήποτε υγρό χωρίς να φέρουμε στο παιχνίδι τις δυνάμεις επιφανειακής τάσης. Είμαστε τόσο συνηθισμένοι σε φαινόμενα που ονομάζονται επιφανειακή τάση που δεν τα παρατηρούμε. Εκπληκτικά ποικίλες είναι οι εκδηλώσεις της επιφανειακής τάσης ενός υγρού στη φύση και την τεχνολογία. Παίζουν σημαντικό ρόλο στη φύση και στη ζωή μας. Χωρίς αυτά, δεν θα μπορούσαμε να γράφουμε με στυλό ηλίου, οι εκτυπωτές φυσιγγίων θα έβαζαν αμέσως μια μεγάλη κηλίδα, αδειάζοντας ολόκληρη τη δεξαμενή τους. Θα ήταν αδύνατο να σαπουνίσετε τα χέρια σας - ο αφρός δεν θα σχηματιζόταν. Μια ελαφριά βροχή θα μας είχε εμποτίσει και το ουράνιο τόξο δεν θα ήταν ορατό σε κανέναν καιρό. Η επιφανειακή τάση συλλέγει το νερό σε σταγονίδια και χάρη στην επιφανειακή τάση, μια σαπουνόφουσκα μπορεί να εκραγεί. Χρησιμοποιώντας τον κανόνα του Βέλγου καθηγητή Πλάτωνα για τους ερευνητές να εκπλαγούν έγκαιρα, θα εξετάσουμε ασυνήθιστα πειράματα στην εργασία.
Σκοπός της εργασίας: ο πειραματικός έλεγχος των εκδηλώσεων της επιφανειακής τάσης ενός υγρού, ο προσδιορισμός του συντελεστή επιφανειακής τάσης των υγρών με τη μέθοδο διαχωρισμού σταγόνων
Μελετήστε εκπαιδευτική, δημοφιλής επιστημονική λογοτεχνία, χρησιμοποιήστε υλικό στο Διαδίκτυο με θέμα "Επιφανειακή τάση".
να κάνετε πειράματα που αποδεικνύουν ότι η σωστή μορφή ενός υγρού είναι μια μπάλα.
διεξαγωγή πειραμάτων με μείωση και αύξηση της επιφανειακής τάσης.
να σχεδιάσει και να συναρμολογήσει μια πειραματική διάταξη με την οποία θα προσδιοριστεί ο συντελεστής επιφανειακής τάσης ορισμένων υγρών με τη μέθοδο διαχωρισμού σταγονιδίων.
επεξεργάζονται τα δεδομένα που λαμβάνονται και καταλήγουν σε συμπέρασμα.
Αντικείμενο μελέτης: υγρά.
Κύριο μέρος. Επιφανειακή τάση
Εικ. 1. Γ. Γαλιλαίος
Πολυάριθμες παρατηρήσεις και πειράματα δείχνουν ότι ένα υγρό μπορεί να πάρει τέτοιο σχήμα που έχει η ελεύθερη επιφάνειά του μικρότερη περιοχή. Στην τάση του να συρρικνώνεται, το επιφανειακό φιλμ θα σφαιροποιούσε το υγρό αν δεν υπήρχε η έλξη προς τη Γη. Όσο μικρότερη είναι η πτώση, τόσο μεγαλύτερος είναι ο ρόλος που παίζουν οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης. Επομένως, μικρές σταγόνες δροσιάς στα φύλλα των δέντρων, στο γρασίδι έχουν σχήμα κοντά σε μια μπάλα, με ελεύθερη πτώση σταγόνες βροχήςσχεδόν αυστηρά σφαιρικό. Η τάση του υγρού να συρρικνώνεται στο ελάχιστο δυνατό μπορεί να παρατηρηθεί σε πολλά φαινόμενα που φαίνονται εκπληκτικά. Ακόμα και ο Γαλιλαίος σκέφτηκε το ερώτημα: γιατί οι σταγόνες δροσιάς που είδε το πρωί στα λαχανόφυλλα παίρνουν σφαιρικό σχήμα; Η δήλωση ότι ένα υγρό δεν έχει δικό του σχήμα αποδεικνύεται ότι δεν είναι απολύτως ακριβής. Η σωστή μορφή ενός υγρού είναι μια σφαίρα, ως η πιο χωρητικότητα. Τα μόρια μιας ουσίας σε υγρή κατάσταση βρίσκονται σχεδόν κοντά το ένα στο άλλο. Σε αντίθεση με το στερεό κρυσταλλικά σώματα, στην οποία τα μόρια σχηματίζουν διατεταγμένες δομές σε όλο τον όγκο του κρυστάλλου και μπορούν να εκτελούν θερμικές δονήσεις γύρω από σταθερά κέντρα, τα υγρά μόρια έχουν μεγαλύτερη ελευθερία. Κάθε μόριο ενός υγρού, όπως και σε ένα στερεό σώμα, «σφίγγει» από όλες τις πλευρές από γειτονικά μόρια και εκτελεί θερμικές δονήσεις γύρω από μια ορισμένη θέση ισορροπίας. Ωστόσο, από καιρό σε καιρό, οποιοδήποτε μόριο μπορεί να μετακινηθεί σε μια γειτονική κενή θέση. Τέτοια άλματα σε υγρά συμβαίνουν αρκετά συχνά. Ως εκ τούτου, τα μόρια δεν συνδέονται με ορισμένα κέντρα, όπως στους κρυστάλλους, και μπορούν να κινηθούν σε όλο τον όγκο του υγρού. Αυτό εξηγεί τη ρευστότητα των υγρών. Λόγω της ισχυρής αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων σε κοντινή απόσταση, μπορούν να σχηματίσουν τοπικές (ασταθές) διατεταγμένες ομάδες που περιέχουν πολλά μόρια. 1
Σχήμα 2. Ένα παράδειγμα της τάξης μικρής εμβέλειας των μορίων υγρού και της σειράς μορίων μεγάλης εμβέλειας μιας κρυσταλλικής ουσίας: 1 - νερό; 2 - πάγος
Και πώς μπορεί κανείς να εξηγήσει την αυθόρμητη συστολή της επιφάνειας ενός υγρού; Μόρια στην επιφάνεια και στο βάθος του υγρού είναι μέσα διαφορετικές συνθήκες. Κάθε μόριο μέσα στο υγρό επηρεάζεται από ελκτικές δυνάμεις από γειτονικά μόρια που το περιβάλλουν από όλες τις πλευρές. Το αποτέλεσμα αυτών των δυνάμεων είναι μηδέν. Πάνω από την επιφάνεια του υγρού υπάρχει ατμός, η πυκνότητα του οποίου είναι πολλές φορές μικρότερη από την πυκνότητα του υγρού και η αλληλεπίδραση των μορίων του ατμού με τα μόρια του υγρού μπορεί να παραμεληθεί. Τα μόρια που βρίσκονται στην επιφάνεια του υγρού έλκονται μόνο από μόρια που βρίσκονται μέσα στο υγρό. Κάτω από τη δράση αυτών των δυνάμεων, τα μόρια του επιφανειακού στρώματος έλκονται προς τα μέσα, ο αριθμός των μορίων στην επιφάνεια μειώνεται και η επιφάνεια μειώνεται. Αλλά δεν μπορούν όλα τα μόρια να πάνε από την επιφάνεια στο υγρό, αυτό εμποδίζεται από τις απωστικές δυνάμεις που προκύπτουν όταν μειώνονται οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων. Σε ορισμένες αποστάσεις μεταξύ των μορίων που έλκονται προς τα μέσα και των μορίων κάτω από την επιφάνεια, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης γίνονται ίσες με μηδέν και η διαδικασία της επιφανειακής συστολής σταματά. Ο αριθμός των μορίων που παραμένουν στην επιφάνεια είναι τέτοιος ώστε το εμβαδόν της να είναι ελάχιστο για έναν δεδομένο όγκο υγρού. Δεδομένου ότι το υγρό είναι ρευστό, παίρνει μια μορφή στην οποία ο αριθμός των μορίων στην επιφάνεια είναι ελάχιστος και μια μπάλα έχει την ελάχιστη επιφάνεια για έναν δεδομένο όγκο, δηλαδή μια σταγόνα υγρού παίρνει σχήμα κοντά στο σφαιρικό. Ο ευκολότερος τρόπος για να συλλάβετε τη φύση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης είναι να παρατηρήσετε το σχηματισμό μιας σταγόνας. Κοιτάξτε προσεκτικά πώς μεγαλώνει σταδιακά η σταγόνα, σχηματίζεται ένα στένωση - ένας λαιμός - και η σταγόνα ξεκολλάει. Δεν χρειάζεται πολλή φαντασία για να φανταστεί κανείς ότι το νερό είναι, σαν να λέγαμε, κλεισμένο σε μια ελαστική σακούλα και αυτή η τσάντα σπάει όταν το βάρος ξεπεράσει τις δυνάμεις του. Στην πραγματικότητα, φυσικά, δεν υπάρχει τίποτα άλλο εκτός από νερό στη σταγόνα, αλλά το ίδιο το επιφανειακό στρώμα του νερού συμπεριφέρεται σαν ένα τεντωμένο ελαστικό φιλμ. Την ίδια εντύπωση κάνει και το φιλμ μιας σαπουνόφουσκας.
Εμπειρία #1
Η τριβή ενός υγρού σε ελάχιστη δυναμική ενέργεια μπορεί να παρατηρηθεί χρησιμοποιώντας σαπουνόφουσκες. Η μεμβράνη σαπουνιού είναι διπλή επιφανειακή στρώση. Εάν φυσήξετε μια σαπουνόφουσκα και μετά σταματήσετε να φουσκώνετε, θα αρχίσει να μειώνεται σε όγκο, συμπιέζοντας ένα ρεύμα αέρα.
Επιφανειακή τάση - το φαινόμενο της μοριακής πίεσης σε ένα υγρό, που προκαλείται από την έλξη των μορίων του επιφανειακού στρώματος σε μόρια μέσα στο υγρό 5
Plateau Experience (1849)
Ρύζι. 4. J. Plateau
Η μύγα που ώθησε τον Βέλγο καθηγητή να πειραματιστεί ήταν τυχαίο. Έριξε κατά λάθος μια μικρή ποσότητα λαδιού σε ένα μείγμα αλκοόλης και νερού και πήρε τη μορφή μπάλας. Αναλογιζόμενος αυτό το γεγονός, ο Πλάτων περιέγραψε μια σειρά από πειράματα, τα οποία στη συνέχεια εκτελέστηκαν έξοχα από τους φίλους και τους μαθητές του. Στο ημερολόγιό του έγραψε έναν κανόνα για τους ερευνητές: «Να εκπλαγείτε του χρόνου». Αποφάσισα να εξερευνήσω την εμπειρία του Plateau, αλλά με διαφορετικό τρόπο: να τη χρησιμοποιήσω στην εμπειρία ηλιέλαιοκαι φιμέ νερό μαγγανίου.
Ένα πείραμα που αποδεικνύει ότι ένα ομοιογενές υγρό παίρνει μορφή με ελάχιστη ελεύθερη επιφάνεια
Επιλογή εμπειρίας στο οροπέδιο #2
1) Ρίξτε ηλιέλαιο σε ένα ποτήρι.
2) Με ένα σταγονόμετρο, μια σταγόνα χρωματισμένου νερού μαγγανίου με διάμετρο περίπου 5 mm έπεσε σε ηλιέλαιο.
) Παρατηρήθηκαν μπάλες νερού διαφορετικά μεγέθη, πέφτοντας αργά στον πάτο και παίρνοντας ένα οβάλ πεπλατυσμένο σχήμα (Φωτογραφία 2).
5) Παρατηρήστε πώς η σταγόνα παίρνει το σωστό σχήμα της μπάλας (Φωτογραφία 2).
συμπέρασμα: Το υγρό, έλκοντας τα μόρια του επιφανειακού στρώματος, συμπιέζεται. Το οβάλ πεπλατυσμένο σχήμα εξηγείται από το γεγονός ότι το βάρος μιας σταγόνας που δεν αναμιγνύεται με λάδι είναι μεγαλύτερο από τη δύναμη άνωσης. σωστή φόρμαη μπάλα εξηγείται από το γεγονός ότι η σταγόνα επιπλέει μέσα στο λάδι: το βάρος της σταγόνας εξισορροπείται από τη δύναμη άνωσης.
Σε ελεύθερη πτώση, σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας, οι σταγόνες της βροχής έχουν πρακτικά σχήμα μπάλας. ΣΕ ΔΙΑΣΤΗΜΟΠΛΟΙΟμια αρκετά μεγάλη μάζα υγρού παίρνει επίσης σφαιρικό σχήμα.
Συντελεστής επιφανειακής τάσης
Ελλείψει εξωτερικής δύναμης, μια δύναμη επιφανειακής τάσης δρα κατά μήκος της επιφάνειας του υγρού, η οποία μειώνει την επιφάνεια της μεμβράνης στο ελάχιστο. Δύναμη επιφανειακής τάσης - μια δύναμη που κατευθύνεται εφαπτομενικά στην επιφάνεια του υγρού, κάθετα στο τμήμα του περιγράμματος που οριοθετεί την επιφάνεια, προς την κατεύθυνση της συστολής του.
Ơ - συντελεστής επιφανειακής τάσης - αυτός είναι ο λόγος του συντελεστή F της δύναμης επιφανειακής τάσης που ενεργεί στο όριο του επιφανειακού στρώματος ℓ προς αυτό το μήκος είναι μια σταθερή τιμή, ανεξάρτητη από το μήκος ℓ. Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από τη φύση των παρακείμενων μέσων και από τη θερμοκρασία. Εκφράζεται σε νιούτον ανά μέτρο (N/m).
Πειράματα με μείωση και αύξηση
Φωτογραφία 3
επιφανειακή τάσηΕμπειρία #3
Αγγίξτε το κέντρο της επιφάνειας του νερού με μια ράβδο σαπουνιού.
Τα κομμάτια αφρού αρχίζουν να κινούνται από το κέντρο προς τις άκρες του δοχείου (Φωτογραφία 3).
Έσταξαν βενζίνη, αλκοόλ, απορρυπαντικό στο κέντρο του δοχείου Νεράιδα.
Συμπέρασμα: Η επιφανειακή τάση αυτών των ουσιών είναι μικρότερη από αυτή του νερού.
Αυτές οι ουσίες χρησιμοποιούνται για την αφαίρεση βρωμιάς, λιπαρών λεκέδων, αιθάλης, π.χ. ουσίες αδιάλυτες στο νερό Λόγω της μάλλον υψηλής επιφανειακής τάσης, το νερό δεν έχει από μόνο του πολύ καλό καθαριστικό αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, όταν έρχονται σε επαφή με ένα λεκέ, τα μόρια του νερού έλκονται μεταξύ τους περισσότερο παρά από σωματίδια αδιάλυτης βρωμιάς.Σαπούνια και συνθετικά απορρυπαντικά(SMS) περιέχουν ουσίες που μειώνουν την επιφανειακή τάση του νερού. Το πρώτο σαπούνι, το απλούστερο απορρυπαντικό, κατασκευάστηκε στη Μέση Ανατολή πριν από περισσότερα από 5.000 χρόνια. Στην αρχή χρησιμοποιήθηκε κυρίως για το πλύσιμο και τη θεραπεία ελκών και πληγών. Και μόνο τον 1ο αιώνα μ.Χ. ο άντρας άρχισε να πλένεται με σαπούνι.
Στις αρχές του 1ου αιώνα γεννήθηκε το σαπούνι.
Ένας άνθρωπος σώθηκε από τη βρωμιά και έγινε καθαρός από μικρός.
Σου λέω για το σαπούνι που γέννησε σύντομα: σαμπουάν, τζελ, πούδρα.
Ο κόσμος έγινε καθαρός, τι καλά!
Εικόνα 5. F. Günther
Τα απορρυπαντικά είναι φυσικές και συνθετικές ουσίες με καθαριστική δράση, ιδίως σαπούνια και σκόνες πλυσίματος, που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή, τη βιομηχανία και τον τομέα των υπηρεσιών. Το σαπούνι λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της χημικής αλληλεπίδρασης λίπους και αλκαλίου. Πιθανότατα, ανακαλύφθηκε κατά τύχη, όταν το κρέας ψήθηκε σε φωτιά και το λίπος κύλησε πάνω στη στάχτη, η οποία είχε αλκαλικές ιδιότητες. Η παραγωγή σαπουνιού έχει μακρά ιστορία, αλλά το πρώτο συνθετικό απορρυπαντικό (SMC) εμφανίστηκε το 1916, εφευρέθηκε από έναν Γερμανό χημικό Fritz Güntherγια βιομηχανικούς σκοπούς. Τα οικιακά SMS, λίγο πολύ ακίνδυνα για τα χέρια, άρχισαν να παράγονται το 1933. Έκτοτε, μια σειρά από συνθετικά απορρυπαντικά (SMC) έχουν αναπτυχθεί για στενούς σκοπούς και η παραγωγή τους έχει γίνει ένας σημαντικός κλάδος της χημικής βιομηχανίας.
Λόγω της επιφανειακής τάσης το νερό δεν έχει από μόνο του επαρκές καθαριστικό αποτέλεσμα. Όταν έρχονται σε επαφή με τον λεκέ, τα μόρια του νερού έλκονται μεταξύ τους αντί να παγιδεύουν σωματίδια βρωμιάς, με άλλα λόγια, δεν βρέχουν τη βρωμιά.
Τα σαπούνια και τα συνθετικά απορρυπαντικά περιέχουν ουσίες που αυξάνουν τις ιδιότητες διαβροχής του νερού μειώνοντας την επιφανειακή τάση. Αυτές οι ουσίες ονομάζονται επιφανειοδραστικές ουσίες (επιφανειοδραστικές ουσίες) επειδή δρουν στην επιφάνεια του υγρού.
Τώρα η παραγωγή SMS έχει γίνει ένας σημαντικός κλάδος της χημικής βιομηχανίας. Αυτές οι ουσίες ονομάζονται επιφανειοδραστική ουσία(επιφανειοδραστικές ουσίες), αφού δρουν στην επιφάνεια του υγρού. Τα μόρια επιφανειοδραστικών μπορεί να αναπαρασταθούν ως γυρίνοι. Με το κεφάλι «κολλάνε» στο νερό, και με την «ουρά» για λίπος. Όταν τα επιφανειοδραστικά αναμειγνύονται με νερό, τα μόριά τους στην επιφάνεια στρέφονται «με το κεφάλι» προς τα κάτω και οι «ουρές» προς τα έξω. Συνθλίβοντας την επιφάνεια του νερού με αυτόν τον τρόπο, αυτά τα μόρια μειώνουν σημαντικά την επίδραση της επιφανειακής τάσης, βοηθώντας έτσι το νερό να διεισδύσει στον ιστό. Με τις ίδιες «ουρές» μορίων τασιενεργού (Εικ. 6) συλλαμβάνουν τα μόρια λίπους που συναντούν. 2
Εμπειρία Νο 4
1. Ρίξτε το γάλα σε ένα πιατάκι ώστε να καλύψει τον πάτο (Φωτογραφία 4)
2. Έριξε 2 σταγόνες λαμπερό πράσινο στην επιφάνεια του γάλακτος
3. Παρατηρήσαμε πώς το λαμπερό πράσινο «παρασύρθηκε» από το κέντρο στις άκρες. Δύο σταγόνες λαμπερού πράσινου καλύμματος πλέονεπιφάνεια γάλακτος! (Φωτογραφία 5)
Συμπέρασμα: η επιφανειακή τάση του λαμπερού πράσινου είναι πολύ μικρότερη από αυτή του γάλακτος.
4. Νεράιδα υγρό πιάτων έπεσε στην επιφάνεια του μπριγιάν πράσινου, είδαμε πώς απλώθηκε αυτό το υγρό σε όλη την επιφάνεια.(Φωτογραφία 6)
Συμπέρασμα:η επιφανειακή τάση του απορρυπαντικού είναι μικρότερη από το λαμπερό πράσινο.
Εμπειρία Νο 5
Σε ένα φαρδύ γυάλινο δοχείο χύθηκε νερό.
Στην επιφάνεια πετάχτηκαν κομμάτια φελιζόλ.
Άγγιξε το κέντρο της επιφάνειας του νερού με ένα κομμάτι ζάχαρη.
Οι έλικες από φελιζόλ αρχίζουν να κινούνται από τις άκρες του αγγείου προς το κέντρο (Φωτογραφία 7).
Συμπέρασμα:Η επιφανειακή τάση ενός υδατικού διαλύματος ζάχαρης είναι μεγαλύτερη από καθαρό νερό.
Εμπειρία Νο 6
Αφαίρεση λιπαρών λεκέδων από την επιφάνεια του ιστού
Βρέξαμε ένα βαμβάκι με βενζίνη και βρέξαμε τις άκρες του λεκέ (και όχι τον ίδιο τον λεκέ) με αυτό το βαμβάκι. Η βενζίνη μειώνει την επιφανειακή τάση, έτσι το λίπος συλλέγεται στο κέντρο του λεκέ και από εκεί μπορεί να αφαιρεθεί, εάν το ίδιο βαμβάκι υγρανθεί, ο ίδιος ο λεκές μπορεί να αυξηθεί σε μέγεθος λόγω μείωσης της επιφανειακής τάσης.
Για να προσδιοριστεί πειραματικά η τιμή της επιφανειακής τάσης ενός υγρού, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει τη διαδικασία σχηματισμού και αποκόλλησης σταγόνων που ρέουν από ένα σταγονόμετρο.
Σύντομη θεωρία της μεθόδου διαχωρισμού σταγονιδίων
Ένας μικρός όγκος υγρού από μόνος του παίρνει σχήμα κοντά σε μια σφαίρα, αφού λόγω της μικρής μάζας του υγρού, η δύναμη της βαρύτητας που ασκεί πάνω του είναι επίσης μικρή. Αυτό εξηγεί το σφαιρικό σχήμα των μικρών σταγονιδίων υγρού. Το σχήμα 1 δείχνει φωτογραφίες που δείχνουν διάφορα στάδια της διαδικασίας σχηματισμού και αποκόλλησης σταγόνων. Η φωτογραφία τραβήχτηκε με κινηματογράφηση υψηλής ταχύτητας, η πτώση αυξάνεται αργά, μπορούμε να υποθέσουμε ότι σε κάθε στιγμή του χρόνου βρίσκεται σε ισορροπία. Η επιφανειακή τάση προκαλεί συρρίκνωση της επιφάνειας της σταγόνας, τείνει να δώσει στη σταγόνα ένα σφαιρικό σχήμα. Η βαρύτητα αναγκάζει το κέντρο βάρους της πτώσης όσο το δυνατόν χαμηλότερα. Ως αποτέλεσμα, η σταγόνα επιμηκύνεται (Εικ. 7α).
Ρύζι. 7. Α Β Γ Δ
Η διαδικασία σχηματισμού και αποκόλλησης σταγόνων
Όσο μεγαλύτερη είναι η πτώση, τόσο μεγαλύτερος είναι ο ρόλος που παίζει η δυναμική ενέργεια της βαρύτητας. Καθώς η σταγόνα μεγαλώνει, η κύρια μάζα συλλέγεται στο κάτω μέρος και σχηματίζεται ένας λαιμός κοντά στη σταγόνα (Εικ. 7β). Η δύναμη επιφανειακής τάσης κατευθύνεται κατακόρυφα εφαπτομενικά στον λαιμό και εξισορροπεί τη δύναμη της βαρύτητας που επενεργεί στην πτώση. Τώρα αρκεί μια σταγόνα να αυξηθεί αρκετά και οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης δεν εξισορροπούν πλέον τη δύναμη της βαρύτητας. Ο λαιμός της σταγόνας στενεύει γρήγορα (Εικ. 7γ) και ως αποτέλεσμα η σταγόνα σπάει (Εικ. 7δ).
Η μέθοδος μέτρησης του συντελεστή επιφανειακής τάσης ορισμένων υγρών βασίζεται στη ζύγιση σταγονιδίων. Στην περίπτωση αργής ροής υγρού από μια μικρή οπή, το μέγεθος των σταγονιδίων που σχηματίζονται εξαρτάται από την πυκνότητα του υγρού, τον συντελεστή επιφανειακής τάσης, το μέγεθος και το σχήμα της οπής, καθώς και από την ταχύτητα εκροής. . Με μια αργή εκροή του υγρού διαβροχής από έναν κατακόρυφο κυλινδρικό σωλήνα, η προκύπτουσα σταγόνα έχει το σχήμα που φαίνεται στο σχήμα 8. Η ακτίνα r του λαιμού πτώσης σχετίζεται με την εξωτερική ακτίνα του σωλήνα R με τη σχέση r = kR (1).
όπου k είναι ένας συντελεστής ανάλογα με τις διαστάσεις του σωλήνα και τον ρυθμό ροής.
Τη στιγμή του διαχωρισμού, το βάρος της πτώσης πρέπει να είναι ίσο με το αποτέλεσμα των δυνάμεων επιφανειακής τάσης που δρουν κατά μήκος ίσο με το μήκος του περιγράμματος του λαιμού στο στενότερο τμήμα του. Έτσι, μπορεί κανείς να γράψει
Mg = 2πrơ (2)
Αντικαθιστώντας την ακτίνα του λαιμού r από την ισότητα (1) και λύνοντάς την, παίρνουμε
Ơ=mg/2πkR (3)
Για να προσδιοριστεί η μάζα μιας σταγόνας, ένας αριθμός n σταγόνων ζυγίζεται σε ένα ποτήρι ζέσεως γνωστού βάρους. Εάν η μάζα του ποτηριού χωρίς σταγόνες και με σταγόνες είναι M 0 και M, αντίστοιχα, τότε η μάζα μιας σταγόνας
Αντικαθιστώντας την τελευταία έκφραση στον τύπο (3) και εισάγοντας τη διάμετρό της d αντί για την ακτίνα του σωλήνα, λαμβάνουμε τον τύπο υπολογισμού
ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)
Ερευνητική εργασία «Προσδιορισμός του συντελεστή επιφανειακής τάσης ορισμένων υγρών με τη μέθοδο διαχωρισμού σταγόνων»
Σκοπός έρευνας: για τον προσδιορισμό του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού με τη μέθοδο της αποκόλλησης σταγόνων ορισμένων υγρών. συσκευές: εγκατάσταση για μέτρηση συντελεστή επιφανειακής τάσης, ζυγαριά, βάρος, κύπελλο, παχύμετρο, χρονόμετρο. υλικά: απορρυπαντικά: "Fairy", "Aos", γάλα, αλκοόλ, βενζίνη, διαλύματα σε σκόνη: "Myth", "Persil", σαμπουάν Φρούτης, « Pantene», "Schauma"Και " φρούτης», αφρόλουτρα Sensen», "Montpensier"Και " Ανακαλύπτω».
Περιγραφή της συσκευής.
Για τον προσδιορισμό του συντελεστή επιφανειακής τάσης, συναρμολογήθηκε ένα στήσιμο, αποτελούμενο από ένα τρίποδο, στο οποίο τοποθετήθηκε μια προχοΐδα με το υπό μελέτη υγρό. Στο τέλος της προχοΐδας, στερεώθηκε ένας σωλήνας κορυφής, στο τέλος του οποίου σχηματίζεται μια σταγόνα. Οι σταγόνες ζυγίζονταν σε ειδικό ποτήρι.
Ερευνητική πρόοδος
Χρησιμοποιώντας ένα παχύμετρο, η διάμετρος του ακροσωλήνα μετρήθηκε τρεις φορές και υπολογίστηκε η μέση τιμή του d.
Ένα καθαρό, στεγνό ποτήρι (Μ 0) ζυγίστηκε σε ζυγαριά.
Με τη βοήθεια μιας βρύσης προχοΐδας, πετύχαμε την ταχύτητα στάλαξης
15 σταγόνες ανά λεπτό.
60 σταγόνες υγρού χύθηκαν από την προχοΐδα σε ένα ποτήρι, μετρώντας ακριβώς τον αριθμό των σταγόνων που χύθηκαν.
Ζύγισε ένα ποτήρι υγρό. (Μ)
Αντικατέστησε τις λαμβανόμενες τιμές στον τύπο ơ = ((M-M0)g)/πkdn
Υπολογίστε τον συντελεστή επιφανειακής τάσης.
Δοκίμασε τρεις φορές
Υπολογίστε τη μέση τιμή του συντελεστή επιφανειακής τάσης.
Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης στο σύστημα SI μετριέται σε N/m.
Τραπέζι 1
Τα αποτελέσματα του προσδιορισμού του συντελεστή επιφανειακής τάσης (N/m)
|
Υγρό |
Συντελεστής επιφανειακής τάσης |
|
|
μετρημένος |
Πινακοειδής |
|
|
Αιθανόλη |
||
|
Γάλα (2,5) |
||
|
Γάλα (αγελαδινό σπιτικό) |
||
|
Διάλυμα σε σκόνη "Μύθος" |
||
|
Διάλυμα σε σκόνη "Persil" |
||
|
Απορρυπαντικό "Fairy" |
||
|
Απορρυπαντικό "Aos" |
||
Συμπέρασμα:Από τα μελετημένα απορρυπαντικά κουζίνας, με όλες τις άλλες πανομοιότυπες παραμέτρους που επηρεάζουν την ποιότητα του "πλυσίματος", είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε το " Νεράιδα". Από τις μελετημένες σκόνες πλυσίματος " Μύθος", επειδή είναι τα διαλύματά τους που έχουν τη χαμηλότερη επιφανειακή τάση. Επομένως, το πρώτο μέσο (" Νεράιδα”) βοηθά καλύτερα στην απομάκρυνση των αδιάλυτων στο νερό λιπών από τα πιάτα, ως γαλακτωματοποιητής - ένα εργαλείο που διευκολύνει την παραγωγή γαλακτωμάτων (εναιωρήματα μικροσκοπικών σωματιδίων μιας υγρής ουσίας στο νερό). Το δεύτερο (" Μύθος”) πλένει καλύτερα τα ρούχα, διεισδύοντας στους πόρους ανάμεσα στις ίνες των υφασμάτων. Σημειώστε ότι όταν χρησιμοποιούμε απορρυπαντικά κουζίνας, αναγκάζουμε την ουσία (ιδίως το λίπος) να διαλυθεί στο νερό τουλάχιστον για λίγο, γιατί. διασπάται σε μικροσκοπικά σωματίδια. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, συνιστάται να ξεπλένετε το εφαρμοσμένο απορρυπαντικό με μια ροή καθαρού νερού και να μην ξεπλένετε τα πιάτα μετά από λίγο στο δοχείο. Επιπλέον, μελετήθηκε η επιφανειακή τάση των σαμπουάν και των αφρόλουτρων. Λόγω του μάλλον υψηλού ιξώδους αυτών των υγρών, είναι δύσκολο να προσδιοριστεί με ακρίβεια ο συντελεστής επιφανειακής τάσης τους, αλλά μπορεί να συγκριθεί. Τα σαμπουάν έχουν δοκιμαστεί (σκίζοντας σταγόνες) Pantene», "Schauma"Και " φρούτης»καθώς και αφρόλουτρα Sensen», "Montpensier"Και " Ανακαλύπτω».
Συμπέρασμα:
Η επιφανειακή τάση μειώνεται στα σαμπουάν στη σειρά Φρούτης - "Schauma" - "Πάντεν"σε τζελ - στη σειρά "Montpensier" - Ανακαλύπτω - «Αισθήσεις».
Η επιφανειακή τάση των σαμπουάν είναι μικρότερη από την επιφανειακή τάση των τζελ (Για παράδειγμα, " Pantene» < «Αισθήσεις» κατά 65 mN / m), που δικαιολογεί τον σκοπό τους: σαμπουάν - για το πλύσιμο των μαλλιών, τζελ - για το πλύσιμο του σώματος.
Με όλα τα άλλα πανομοιότυπα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την ποιότητα του πλυσίματος, είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε από τα μελετημένα σαμπουάν "Pantene" (Εικ. 9),από τα μελετημένα αφρόλουτρα - «Αισθήσεις» (Εικ.10).
Η μέθοδος διαχωρισμού σταγονιδίων, αν και δεν είναι πολύ ακριβής, χρησιμοποιείται σε ιατρική πρακτική. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό διαγνωστικούς σκοπούςεπιφανειακή τάση εγκεφαλονωτιαίο υγρό, χολή κ.λπ.
συμπέρασμα
1. Έχει επιτευχθεί πειραματική επιβεβαίωση των θεωρητικών συμπερασμάτων , αποδεικνύοντας ότι ένα ομοιογενές υγρό παίρνει μορφή με ελάχιστη ελεύθερη επιφάνεια
2. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με μείωση και αύξηση της επιφανειακής τάσης, τα αποτελέσματα των οποίων απέδειξαν ότι το σαπούνι και τα συνθετικά απορρυπαντικά περιέχουν ουσίες που αυξάνουν τις ιδιότητες διαβροχής του νερού μειώνοντας τη δύναμη επιφανειακής τάσης.
3. Να προσδιοριστεί ο συντελεστής επιφανειακής τάσης των υγρών
α) μελετήθηκε σύντομη θεωρίαμέθοδος διαχωρισμού σταγονιδίων.
β) έχει σχεδιαστεί και συναρμολογηθεί μια πειραματική διάταξη.
γ) υπολογίζονται οι μέσες τιμές του συντελεστή επιφανειακής τάσης διαφόρων υγρών, εξάγονται συμπεράσματα.
4. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων και της έρευνας παρουσιάζονται με τη μορφή πίνακα και φωτογραφιών.
Η εργασία στο έργο μου επέτρεψε να αποκτήσω μια ευρύτερη γνώση της ενότητας φυσικής "Επιφανειακή τάση".
Θα ήθελα να τελειώσω το έργο μου με τα λόγια του μεγάλου επιστήμονα φυσικού
Α. Αϊνστάιν:
«Μου αρκεί να βιώσω την αίσθηση του αιώνιου μυστηρίου της ζωής, να συνειδητοποιήσω και να κατανοήσω διαισθητικά την υπέροχη δομή όλων όσων υπάρχουν και να αγωνιστώ ενεργά για να αρπάξω ακόμη και τον πιο μικρό κόκκο λογικής που εκδηλώνεται στη Φύση».
Κατάλογος χρησιμοποιημένων πηγών και βιβλιογραφίας
http://www.physics.ru/
http://greenfuture.ru/
http://www.agym.spbu.ru/
Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu.L., Myakishev G.Ya., Φυσική, εγχειρίδιο για την τάξη 9 του γυμνασίου - 4η έκδοση - M .: Εκπαίδευση, 1988 - 271 σελ.
Kasyanov V.A., Φυσική, τάξη 10, εγχειρίδιο για τη γενική εκπαίδευση Εκπαιδευτικά ιδρύματα, Μ.: Bustard, 2001 - 410 σελ.
Pinsky A.A. Φυσική: σχολικό βιβλίο. Επίδομα 10 τάξεων με σε βάθος μελέτηη φυσικη. Μ.: Διαφωτισμός, 1993. - 416 σ.
Yufanova I.L. Διασκεδαστικές βραδιές φυσικής στο Λύκειο: ένα βιβλίο για τον δάσκαλο. - Μ.: Διαφωτισμός, 1990. -215 δευτ
Chuyanov V.Ya., εγκυκλοπαιδικό λεξικόνεαρός φυσικός, Μ.: Παιδαγωγική, 1984. - 350 δευτ.
1 1 http://www.physics.ru/
2 http://greenfuture.ru
Κύριο μέρος.
Να κατανοήσουν τις βασικές ιδιότητες και μοτίβα υγρή κατάστασηουσίες, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι ακόλουθες πτυχές:
Η δομή του υγρού. Κίνηση υγρών μορίων.
Ένα ρευστό είναι κάτι που μπορεί να ρέει.
Η λεγόμενη σειρά μικρής εμβέλειας παρατηρείται στη διάταξη των υγρών σωματιδίων. Αυτό σημαίνει ότι σε σχέση με οποιοδήποτε σωματίδιο, διατάσσεται η θέση των πλησιέστερων γειτόνων του.
Ωστόσο, καθώς απομακρύνεται κανείς από ένα δεδομένο σωματίδιο, η διάταξη των άλλων σωματιδίων σε σχέση με αυτό γίνεται όλο και λιγότερο διατεταγμένη και μάλλον γρήγορα η τάξη στη διάταξη των σωματιδίων εξαφανίζεται εντελώς.
Τα υγρά μόρια κινούνται πολύ πιο ελεύθερα από τα στερεά μόρια, αν και όχι τόσο ελεύθερα όσο τα μόρια αερίου.
Κάθε μόριο του υγρού για κάποιο χρονικό διάστημα κινείται εδώ κι εκεί, χωρίς όμως να απομακρύνεται από τους γείτονές του. Αλλά από καιρό σε καιρό ένα υγρό μόριο ξεσπά από το περιβάλλον του και πηγαίνει σε άλλο μέρος, πέφτοντας σε ένα νέο περιβάλλον, όπου και πάλι για κάποιο διάστημα κάνει κινήσεις παρόμοιες με την ταλάντωση. Σημαντική αξία στην ανάπτυξη μιας σειράς προβλημάτων στη θεωρία της υγρής κατάστασης ανήκει στον Σοβιετικό επιστήμονα Ya. I. Frenkel.
Σύμφωνα με τον Frenkel, η θερμική κίνηση στα υγρά έχει επόμενος χαρακτήρας. Κάθε μόριο ταλαντώνεται για κάποιο χρονικό διάστημα περίπου ορισμένη θέσηισορροπία. Από καιρό σε καιρό, το μόριο αλλάζει τη θέση ισορροπίας του, πηδώντας σε μια νέα θέση, που χωρίζεται από την προηγούμενη με μια απόσταση της τάξης του μεγέθους των ίδιων των μορίων. Δηλαδή, τα μόρια κινούνται μόνο αργά μέσα στο υγρό, παραμένοντας μέρος του χρόνου κοντά σε ορισμένα μέρη.Έτσι, η κίνηση των μορίων ενός υγρού είναι κάτι σαν ένα μείγμα κινήσεων σε ένα στερεό και σε ένα αέριο: ταλαντευόμενη κίνησησε ένα μέρος αντικαθίσταται από μια ελεύθερη μετάβαση από το ένα μέρος στο άλλο.
Υγρή πίεση
Η καθημερινή εμπειρία μας διδάσκει ότι τα υγρά δρουν με γνωστές δυνάμεις στην επιφάνεια των στερεών που έρχονται σε επαφή μαζί τους. Αυτές οι δυνάμεις ονομάζονται δυνάμεις πίεσης ρευστού.
Καλύψτε το άνοιγμα με το δάχτυλό σας βρύση, νιώθουμε τη δύναμη της πίεσης του υγρού στο δάχτυλο. Ο πόνος στο αυτί που βιώνει ένας κολυμβητής που καταδύεται σε μεγάλα βάθη προκαλείται από τις δυνάμεις της πίεσης του νερού στο τύμπανο αυτιούαυτί. Τα θερμόμετρα βαθέων υδάτων πρέπει να είναι πολύ ισχυρά ώστε η πίεση του νερού να μην μπορεί να τα συνθλίψει.
Η πίεση σε ένα υγρό οφείλεται σε μεταβολή του όγκου - συμπίεσης του. Σε σχέση με αλλαγή όγκου, τα υγρά έχουν ελαστικότητα. Οι ελαστικές δυνάμεις σε ένα ρευστό είναι δυνάμεις πίεσης. Έτσι, εάν ένα ρευστό δρα με δυνάμεις πίεσης σε σώματα που έρχονται σε επαφή μαζί του, αυτό σημαίνει ότι συμπιέζεται. Δεδομένου ότι η πυκνότητα μιας ουσίας αυξάνεται κατά τη συμπίεση, μπορεί να ειπωθεί ότι τα υγρά έχουν ελαστικότητα σε σχέση με μια αλλαγή στην πυκνότητα.
Η πίεση σε ένα υγρό είναι κάθετη σε οποιαδήποτε επιφάνεια τοποθετείται στο υγρό. Η πίεση στο υγρό στο βάθος h είναι ίση με το άθροισμα της πίεσης στην επιφάνεια και τιμή ανάλογη με το βάθος:
Λόγω του γεγονότος ότι τα υγρά μπορούν να μεταδώσουν στατική πίεση, πρακτικά όχι μικρότερη από την πυκνότητά τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συσκευές που δίνουν κέρδος σε αντοχή: την υδραυλική πρέσα.
Νόμος του Αρχιμήδη
Οι δυνάμεις πίεσης δρουν στην επιφάνεια ενός στερεού σώματος βυθισμένου σε ένα υγρό. Δεδομένου ότι η πίεση αυξάνεται με το βάθος βύθισης, οι δυνάμεις πίεσης ενεργούν κάτω μέροςυγρό και κατευθυνόμενο προς τα πάνω είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις που ασκούν στο πάνω μέρος του και κατευθύνονται προς τα κάτω, και μπορούμε να περιμένουμε ότι οι προκύπτουσες δυνάμεις πίεσης θα κατευθυνθούν προς τα πάνω. Η προκύπτουσα δύναμη πίεσης σε ένα σώμα βυθισμένο σε ένα υγρό ονομάζεται δύναμη στήριξης του υγρού.
Εάν ένα σώμα βυθισμένο σε ένα υγρό αφεθεί μόνο του, τότε θα βυθιστεί, θα παραμείνει σε ισορροπία ή θα επιπλεύσει στην επιφάνεια του υγρού, ανάλογα με το αν η δύναμη στήριξης είναι μικρότερη από τη δύναμη της βαρύτητας που ασκεί στο σώμα, ίση ή μεγαλύτερη από αυτήν.
Η αρχή του Αρχιμήδη δηλώνει ότι ένα σώμα σε ένα ρευστό υπόκειται σε μια ανοδική άνωση ίση με το βάρος του εκτοπισμένου ρευστού. Ένα σώμα βυθισμένο σε ένα υγρό υπόκειται σε μια άνωση (που ονομάζεται δύναμη του Αρχιμήδη)
όπου ρ είναι η πυκνότητα του υγρού (αερίου), είναι η επιτάχυνση ελεύθερη πτώση, ΕΝΑ V- τον όγκο του βυθισμένου σώματος (ή το τμήμα του όγκου του σώματος κάτω από την επιφάνεια).
Εάν ένα σώμα βυθισμένο σε ένα υγρό αιωρείται από μια ζυγαριά, τότε η ζυγαριά δείχνει τη διαφορά μεταξύ του βάρους του σώματος στον αέρα και του βάρους του εκτοπισμένου υγρού. Ως εκ τούτου, ο νόμος του Αρχιμήδη έχει μερικές φορές την ακόλουθη διατύπωση: ένα σώμα βυθισμένο σε ένα υγρό χάνει τόσο από το βάρος του όσο ζυγίζει το υγρό που μετατοπίζεται από αυτό.
Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ένα τέτοιο πειραματικό γεγονός ότι, όντας μέσα σε ένα άλλο υγρό ενός μεγαλύτερου ειδικό βάρος, το υγρό σύμφωνα με το νόμο του Αρχιμήδη «χάνει» το βάρος του και παίρνει το φυσικό, σφαιρικό του σχήμα.
Εξάτμιση
Στο επιφανειακό στρώμα και κοντά στην επιφάνεια του υγρού δρουν δυνάμεις που διασφαλίζουν την ύπαρξη της επιφάνειας και δεν αφήνουν τα μόρια να φύγουν από τον όγκο του υγρού. Χάρη σε θερμική κίνησηΜερικά από τα μόρια έχουν αρκετά γρήγορες ταχύτητες για να υπερνικήσουν τις δυνάμεις που συγκρατούν τα μόρια στο υγρό και να φύγουν από το υγρό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται εξάτμιση. Παρατηρείται σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, αλλά η έντασή του αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Εάν τα μόρια που έφυγαν από το υγρό αφαιρεθούν από τον χώρο κοντά στην επιφάνεια του υγρού, τότε, στο τέλος, όλο το υγρό θα εξατμιστεί. Εάν τα μόρια που έχουν φύγει από το υγρό δεν αφαιρεθούν, σχηματίζουν ατμό. Τα μόρια ατμού που έχουν πέσει στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια του υγρού έλκονται στο υγρό από τις δυνάμεις έλξης. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται συμπύκνωση.
Έτσι, εάν τα μόρια δεν αφαιρεθούν, ο ρυθμός εξάτμισης μειώνεται με το χρόνο. Με μια περαιτέρω αύξηση στην πυκνότητα των ατμών, επιτυγχάνεται μια κατάσταση όπου ο αριθμός των μορίων που εγκαταλείπουν το υγρό σε ορισμένο χρόνο θα είναι ίσος με τον αριθμό των μορίων που επιστρέφουν στο υγρό την ίδια στιγμή. Έρχεται μια κατάσταση δυναμικής ισορροπίας. Ο ατμός που βρίσκεται σε κατάσταση δυναμικής ισορροπίας με ένα υγρό ονομάζεται κορεσμένος.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η πυκνότητα και η πίεση των κορεσμένων ατμών αυξάνονται. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των υγρών μορίων που έχουν αρκετή ενέργεια για εξάτμιση και τόσο μεγαλύτερη πρέπει να είναι η πυκνότητα των ατμών προκειμένου η συμπύκνωση να είναι ίση με την εξάτμιση.
Βρασμός
Όταν το υγρό θερμαίνεται σε θερμοκρασία στην οποία η πίεση των κορεσμένων ατμών είναι ίση με την εξωτερική πίεση, δημιουργείται ισορροπία μεταξύ του υγρού και των κορεσμένων ατμών του. Όταν μια επιπλέον ποσότητα θερμότητας μεταδίδεται στο υγρό, η αντίστοιχη μάζα του υγρού μετατρέπεται αμέσως σε ατμό. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται βρασμός.
Ο βρασμός είναι η έντονη εξάτμιση ενός υγρού, που συμβαίνει όχι μόνο από την επιφάνεια, αλλά σε όλο τον όγκο του, μέσα στις προκύπτουσες φυσαλίδες ατμού. Για να μεταβούν από υγρό σε ατμό, τα μόρια πρέπει να αποκτήσουν την ενέργεια που απαιτείται για να ξεπεράσουν τις ελκτικές δυνάμεις που τα συγκρατούν στο υγρό. Για παράδειγμα, για να εξατμιστεί 1 g νερού σε θερμοκρασία 100 ° C και πίεση που αντιστοιχεί στην ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας, απαιτείται να δαπανηθούν 2258 J, από τα οποία τα 1880 πηγαίνουν για να χωρίσουν μόρια από το υγρό και τα υπόλοιπα πηγαίνουν στη δουλειά για να αυξήσουν τον όγκο που καταλαμβάνει το σύστημα, ενάντια στις δυνάμεις ατμοσφαιρική πίεση(1 g υδρατμού στους 100°C και κανονική πίεσηκαταλαμβάνει όγκο 1,673 cm 3, ενώ 1 g νερού στις ίδιες συνθήκες είναι μόνο 1,04 cm 3).
Το σημείο βρασμού είναι η θερμοκρασία στην οποία η τάση ατμών γίνεται ίση με την εξωτερική πίεση. Καθώς η πίεση αυξάνεται, το σημείο βρασμού αυξάνεται και όσο μειώνεται η πίεση, μειώνεται.
Λόγω της αλλαγής της πίεσης στο υγρό με το ύψος της στήλης του, που βράζει διάφορα επίπεδασε ένα υγρό εμφανίζεται, αυστηρά, σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Μόνο ο κορεσμένος ατμός πάνω από την επιφάνεια ενός υγρού που βράζει έχει μια ορισμένη θερμοκρασία. Η θερμοκρασία του καθορίζεται μόνο από την εξωτερική πίεση. Είναι αυτή η θερμοκρασία που εννοείται όταν μιλάμε για το σημείο βρασμού.
Τα σημεία βρασμού των διαφόρων υγρών είναι πολύ διαφορετικά μεταξύ τους και αυτό χρησιμοποιείται ευρέως στην τεχνολογία, για παράδειγμα, στην απόσταξη προϊόντων πετρελαίου.
Η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να παρέχεται για να μετατραπεί ισόθερμα μια ορισμένη ποσότητα υγρού σε ατμό, σε εξωτερική πίεση ίση με την πίεση των κορεσμένων ατμών του, ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης. Συνήθως αυτή η τιμή σχετίζεται με ένα γραμμάριο ή ένα μόριο. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την ισοθερμική εξάτμιση ενός mole υγρού ονομάζεται γραμμομοριακή λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης. Εάν αυτή η τιμή διαιρεθεί με το μοριακό βάρος, τότε θα ληφθεί η ειδική λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης.
Επιφανειακή τάση υγρού
Η ιδιότητα ενός υγρού να μειώνει την επιφάνειά του στο ελάχιστο ονομάζεται επιφανειακή τάση. Η επιφανειακή τάση είναι το φαινόμενο της μοριακής πίεσης σε ένα υγρό, που προκαλείται από την έλξη μορίων επιφανειακής στιβάδας σε μόρια μέσα στο υγρό. Στην επιφάνεια ενός υγρού, τα μόρια βιώνουν δυνάμεις που δεν είναι συμμετρικές. Στο μόριο μέσα στο υγρό, κατά μέσο όρο, η δύναμη έλξης, η συνοχή, ενεργεί κατά μέσο όρο ομοιόμορφα από όλες τις πλευρές. Εάν η επιφάνεια του υγρού αυξηθεί, τότε τα μόρια θα κινηθούν ενάντια στη δράση των δυνάμεων συγκράτησης. Έτσι, η δύναμη που τείνει να βραχύνει την επιφάνεια του υγρού δρα στην αντίθετη κατεύθυνση από την εξωτερική δύναμη εφελκυσμού στην επιφάνεια. Αυτή η δύναμη ονομάζεται δύναμη επιφανειακής τάσης και υπολογίζεται από τον τύπο:
Συντελεστής επιφανειακής τάσης()
Μήκος ορίου υγρής επιφάνειας
Σημειώστε ότι τα υγρά που εξατμίζονται εύκολα (αιθέρας, αλκοόλη) έχουν χαμηλότερη επιφανειακή τάση από τα μη πτητικά υγρά (υδράργυρος). Η επιφανειακή τάση του υγρού υδρογόνου και, ιδιαίτερα, του υγρού ηλίου είναι πολύ χαμηλή. Στα υγρά μέταλλα, η επιφανειακή τάση, αντίθετα, είναι πολύ υψηλή. Η διαφορά στην επιφανειακή τάση των υγρών εξηγείται από τη διαφορά στις συνεκτικές δυνάμεις των διαφορετικών μορίων.
Οι μετρήσεις της επιφανειακής τάσης ενός υγρού δείχνουν ότι η επιφανειακή τάση εξαρτάται όχι μόνο από τη φύση του υγρού, αλλά και από τη θερμοκρασία του: με την αύξηση της θερμοκρασίας, η διαφορά στην πυκνότητα του υγρού μειώνεται και επομένως ο συντελεστής επιφανειακής τάσης μειώνεται - .
Λόγω της επιφανειακής τάσης, οποιοσδήποτε όγκος υγρού τείνει να μειώσει την επιφάνεια, μειώνοντας έτσι τη δυναμική ενέργεια. Η επιφανειακή τάση είναι μία από τις ελαστικές δυνάμεις που ευθύνονται για την κίνηση των κυματισμών στο νερό. Σε εξογκώματα, η επιφανειακή βαρύτητα και η επιφανειακή τάση τραβούν τα σωματίδια του νερού προς τα κάτω, τείνοντας να κάνουν την επιφάνεια ξανά λεία.
Υγρές ταινίες
Όλοι γνωρίζουν πόσο εύκολο είναι να βγάζεις αφρό από το σαπουνόνερο. Ο αφρός είναι ένα σύνολο φυσαλίδων αέρα που οριοθετούνται από το λεπτότερο φιλμ υγρού. Ένα ξεχωριστό φιλμ μπορεί εύκολα να ληφθεί από το υγρό που σχηματίζει αφρό.
Αυτές οι ταινίες είναι πολύ ενδιαφέρουσες. Μπορούν να είναι εξαιρετικά λεπτά: στα πιο λεπτά μέρη, το πάχος τους δεν ξεπερνά το εκατό χιλιοστό του χιλιοστού. Παρά τη λεπτότητα τους, μερικές φορές είναι πολύ σταθερά. Το φιλμ σαπουνιού μπορεί να τεντωθεί και να παραμορφωθεί, και ένα ρεύμα νερού μπορεί να ρέει μέσα από το φιλμ σαπουνιού χωρίς να το καταστρέψει.
Πώς μπορεί κανείς να εξηγήσει τη σταθερότητα των ταινιών; Sine qua nonο σχηματισμός φιλμ είναι η προσθήκη σε ένα καθαρό υγρό ουσιών διαλυτών σε αυτό, επιπλέον, εκείνων που μειώνουν πολύ την επιφανειακή τάση
Στη φύση και την τεχνολογία, συνήθως δεν συναντιόμαστε με μεμονωμένες ταινίες, αλλά με μια συλλογή ταινιών - αφρού. Μπορείτε συχνά να δείτε σε ρυάκια, όπου μικρά ρυάκια πέφτουν σε ήρεμα νερά, έναν άφθονο σχηματισμό αφρού. Σε αυτή την περίπτωση, η ικανότητα του νερού να αφρίζει συνδέεται με την παρουσία ενός ειδικού οργανική ύληαπελευθερώνεται από τις ρίζες των φυτών. Στον κατασκευαστικό εξοπλισμό, χρησιμοποιούνται υλικά που έχουν κυτταρική δομή, όπως ο αφρός. Τέτοια υλικά είναι φθηνά, ελαφριά, δεν μεταδίδουν καλά τη θερμότητα και τον ήχο και είναι αρκετά ισχυρά. Για την παρασκευή τους, ουσίες που προάγουν τον αφρισμό προστίθενται στα διαλύματα από τα οποία σχηματίζονται οικοδομικά υλικά.
ύγρανση
Μικρά σταγονίδια υδραργύρου τοποθετημένα σε γυάλινη πλάκα παίρνουν σφαιρικό σχήμα. Αυτό είναι το αποτέλεσμα των μοριακών δυνάμεων που τείνουν να μειώσουν την επιφάνεια του υγρού. Ο υδράργυρος που τοποθετείται στην επιφάνεια ενός στερεού δεν σχηματίζει πάντα στρογγυλά σταγονίδια. Απλώνεται πάνω από την πλάκα ψευδαργύρου και η συνολική επιφάνεια της σταγόνας αναμφίβολα θα αυξηθεί.
Μια σταγόνα ανιλίνης είναι επίσης σφαιρική μόνο όταν δεν αγγίζει το τοίχωμα του γυάλινου δοχείου. Μόλις ακουμπήσει τον τοίχο, κολλάει αμέσως στο τζάμι, τεντώνοντας κατά μήκος του και αποκτώντας μια μεγάλη κοινή επιφάνεια.
Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι σε περίπτωση επαφής με στερεό σώμα, αρχίζουν να παίζουν οι δυνάμεις προσκόλλησης των υγρών μορίων με τα μόρια του στερεού σώματος ουσιαστικό ρόλο. Η συμπεριφορά ενός υγρού θα εξαρτηθεί από το ποια είναι μεγαλύτερη: η προσκόλληση μεταξύ μορίων υγρού ή η προσκόλληση ενός μορίου υγρού σε ένα στερεό μόριο. Στην περίπτωση του υδραργύρου και του γυαλιού, οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ μορίων υδραργύρου και γυαλιού είναι μικρές σε σύγκριση με τις δυνάμεις συνοχής μεταξύ μορίων υδραργύρου και ο υδράργυρος συλλέγεται σε μια σταγόνα.
Ένα τέτοιο υγρό ονομάζεται μη διαβρέχονταςστερεός. Στην περίπτωση του υδραργύρου και του ψευδάργυρου, οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ των μορίων του υγρού και του στερεού υπερβαίνουν τις δυνάμεις συνοχής που δρουν μεταξύ των μορίων του υγρού και το υγρό εξαπλώνεται πάνω στο στερεό. Στην περίπτωση αυτή, το υγρό ονομάζεται ύγρανσηστερεός.
Από αυτό προκύπτει ότι, μιλώντας για την επιφάνεια ενός υγρού, πρέπει να έχουμε κατά νου όχι μόνο την επιφάνεια όπου το υγρό συνορεύει με τον αέρα, αλλά και την επιφάνεια που συνορεύει με άλλα υγρά ή με ένα στερεό σώμα.
Ανάλογα με το αν το υγρό βρέχει τα τοιχώματα του δοχείου ή όχι, το σχήμα της επιφάνειας του υγρού στο σημείο επαφής με το στερεό τοίχωμα και το αέριο έχει τη μια ή την άλλη μορφή. Στην περίπτωση μη διαβροχής, το σχήμα της υγρής επιφάνειας στην άκρη είναι στρογγυλό, κυρτό. Στην περίπτωση διαβροχής, το υγρό στην άκρη παίρνει ένα κοίλο σχήμα.
Τριχοειδή φαινόμενα
Στη ζωή, συχνά έχουμε να κάνουμε με σώματα που τρυπούνται από πολλά μικρά κανάλια (χαρτί, νήματα, δέρμα, διάφορα οικοδομικά υλικά, χώμα, ξύλο). Όταν έρχονται σε επαφή με νερό ή άλλα υγρά, τέτοια σώματα συχνά τα απορροφούν. Αυτή είναι η βάση για τη δράση μιας πετσέτας κατά το στέγνωμα των χεριών, τη δράση ενός φυτιλιού σε μια λάμπα κηροζίνης κ.λπ. Παρόμοια φαινόμενα μπορούν να παρατηρηθούν και σε στενούς γυάλινους σωλήνες. Οι στενοί σωλήνες ονομάζονται τριχοειδείς ή τρίχες.
Όταν ένας τέτοιος σωλήνας βυθίζεται με το ένα άκρο σε ένα φαρδύ δοχείο σε ένα φαρδύ δοχείο, συμβαίνει το εξής: εάν το υγρό βρέξει τα τοιχώματα του σωλήνα, τότε θα ανέβει πάνω από το επίπεδο του υγρού στο δοχείο και, επιπλέον, όσο υψηλότερο, τόσο στενότερος είναι ο σωλήνας. εάν το υγρό δεν βρέχει τα τοιχώματα, τότε, αντίθετα, η στάθμη του υγρού στο σωλήνα ρυθμίζεται χαμηλότερα από ό,τι σε ένα φαρδύ δοχείο. Η αλλαγή στο ύψος της στάθμης του υγρού σε στενούς σωλήνες ή κενά ονομάζεται τριχοειδής.Με την ευρεία έννοια, τα τριχοειδή φαινόμενα νοούνται ως όλα τα φαινόμενα που οφείλονται στην ύπαρξη επιφανειακής τάσης.
Το ύψος της ανόδου του υγρού στους τριχοειδείς σωλήνες εξαρτάται από την ακτίνα του καναλιού στο σωλήνα, την επιφανειακή τάση και την πυκνότητα του υγρού. Μεταξύ του υγρού στο τριχοειδές και στο ευρύ δοχείο, δημιουργείται μια τέτοια διαφορά στάθμης h έτσι ώστε η υδροστατική πίεση rgh να ισορροπεί τριχοειδική πίεση:
όπου s είναι η επιφανειακή τάση του υγρού
R είναι η τριχοειδική ακτίνα.
Το ύψος της ανόδου ενός υγρού σε ένα τριχοειδές είναι ανάλογο της επιφανειακής τάσης του και αντιστρόφως ανάλογο με την ακτίνα του τριχοειδούς καναλιού και την πυκνότητα του υγρού (νόμος Jurin)
Η πιο χαρακτηριστική ιδιότητα ενός υγρού, που το διακρίνει από ένα αέριο, είναι ότι στο όριο με ένα αέριο, το υγρό σχηματίζει μια ελεύθερη επιφάνεια, η παρουσία της οποίας οδηγεί στην εμφάνιση ενός ειδικού είδους φαινομένων που ονομάζονται επιφάνεια. Οφείλουν την εμφάνισή τους στις ειδικές φυσικές συνθήκες στις οποίες βρίσκονται τα μόρια κοντά στην ελεύθερη επιφάνεια.
Σε κάθε μόριο υγρού δρουν ελκτικές δυνάμεις από τα μόρια που το περιβάλλουν, που βρίσκονται σε απόσταση περίπου 10 -9 m από αυτό (ακτίνα μοριακή δράση). ανά μόριο Μ 1 που βρίσκεται μέσα στο υγρό (Εικ. 1), δρουν δυνάμεις από τα ίδια μόρια και το αποτέλεσμα αυτών των δυνάμεων είναι κοντά στο μηδέν.
Για τα μόρια Μ 2 δυνάμεις που προκύπτουν είναι μη μηδενικές και κατευθύνονται μέσα στο υγρό, κάθετα στην επιφάνειά του. Έτσι, όλα τα μόρια υγρού στο επιφανειακό στρώμα έλκονται μέσα στο υγρό. Αλλά ο χώρος μέσα στο υγρό καταλαμβάνεται από άλλα μόρια, έτσι το επιφανειακό στρώμα δημιουργεί πίεση στο υγρό (μοριακή πίεση).
Για να μετακινήσετε ένα μόριο Μ 3 που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το επιφανειακό στρώμα, στην επιφάνεια, είναι απαραίτητο να εκτελέσετε εργασία ενάντια στις δυνάμεις της μοριακής πίεσης. Επομένως, τα μόρια του επιφανειακού στρώματος του υγρού έχουν επιπλέον δυναμική ενέργεια σε σύγκριση με τα μόρια μέσα στο υγρό. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται επιφανειακή ενέργεια.
Είναι προφανές ότι το μέγεθος της επιφανειακής ενέργειας είναι το μεγαλύτερο, το περισσότερη περιοχήελεύθερη επιφάνεια. Αφήστε το εμβαδόν της ελεύθερης επιφάνειας να αλλάξει κατά Δ μικρό, ενώ η επιφανειακή ενέργεια άλλαξε κατά \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\), όπου σ είναι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης. Αφού για αυτή την αλλαγή είναι απαραίτητο να γίνει δουλειά
\(~A = \Delta W_p ,\) μετά \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)
Επομένως \(~\sigma = \dfrac(A)(\Delta S)\) .
Η μονάδα SI για την επιφανειακή τάση είναι το τζάουλ ανά τετραγωνικό μέτρο (J/m2).
- μια τιμή αριθμητικά ίση με το έργο που γίνεται από μοριακές δυνάμεις όταν η περιοχή της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού αλλάζει κατά 1 m 2 σε σταθερή θερμοκρασία.
Εφόσον οποιοδήποτε σύστημα, αφημένο μόνο του, τείνει να πάρει μια θέση στην οποία η δυναμική του ενέργεια είναι η μικρότερη, το υγρό παρουσιάζει μια τάση να μειώνει την ελεύθερη επιφάνεια. Το επιφανειακό στρώμα του υγρού συμπεριφέρεται σαν τεντωμένο ελαστικό φιλμ, δηλ. όλη την ώρα προσπαθεί να μειώσει την επιφάνειά του στις ελάχιστες δυνατές διαστάσεις για έναν δεδομένο όγκο.
Για παράδειγμα, μια σταγόνα υγρού σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας έχει σφαιρικό σχήμα.
Επιφανειακή τάση
Η ιδιότητα της επιφάνειας ενός υγρού να συρρικνώνεται μπορεί να ερμηνευθεί ως η ύπαρξη δυνάμεων που τείνουν να κοντύνουν αυτήν την επιφάνεια. Μόριο Μ 1 (Εικ. 2), που βρίσκεται στην επιφάνεια του υγρού, αλληλεπιδρά όχι μόνο με μόρια που βρίσκονται μέσα στο υγρό, αλλά και με μόρια που βρίσκονται στην επιφάνεια του υγρού, που βρίσκονται εντός της σφαίρας μοριακής δράσης. Για ένα μόριο Μ 1 το προκύπτον \(~\vec R\) των μοριακών δυνάμεων που κατευθύνονται κατά μήκος της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού είναι ίσο με μηδέν, και για ένα μόριο Μ 2 που βρίσκεται στο όριο της υγρής επιφάνειας, \(~\vec R \ne 0\) και \(~\vec R\) κατευθύνεται κατά μήκος της κάθετης προς τα όρια της ελεύθερης επιφάνειας και εφαπτομενικά στην ίδια την υγρή επιφάνεια.
Το αποτέλεσμα των δυνάμεων που δρουν σε όλα τα μόρια που βρίσκονται στο όριο της ελεύθερης επιφάνειας είναι η δύναμη επιφανειακή τάση. Γενικά, δρα με τέτοιο τρόπο που τείνει να μειώσει την επιφάνεια του υγρού.
Μπορούμε να υποθέσουμε ότι η δύναμη επιφανειακής τάσης \(~\vec F\) είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος μεγάλοτα όρια του επιφανειακού στρώματος του υγρού, επειδή σε όλα τα μέρη του επιφανειακού στρώματος του υγρού τα μόρια βρίσκονται στις ίδιες συνθήκες:
\(~F \sim l .\)
Πράγματι, σκεφτείτε ένα κατακόρυφο ορθογώνιο πλαίσιο (Εικ. 3, α, β), του οποίου η κινητή πλευρά είναι ισορροπημένη. Αφού αφαιρέσετε το πλαίσιο από το διάλυμα μεμβράνης σαπουνιού, το κινητό μέρος μετακινείται από τη θέση 1 στη θέση 2 . Λαμβάνοντας υπόψη ότι η μεμβράνη είναι μια λεπτή στρώση υγρού και έχει δύο ελεύθερες επιφάνειες, βρίσκουμε τη δουλειά που γίνεται όταν μετακινούμε την εγκάρσια ράβδο σε απόσταση η = ένα 1 ⋅ ένα 2: ΕΝΑ = 2F⋅h, Οπου φά- τη δύναμη που ασκεί το πλαίσιο από την πλευρά κάθε επιφανειακής στρώσης. Από την άλλη πλευρά, \(~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).
Επομένως, \(~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Δεξί βέλος F = \sigma \cdot l\), από όπου \(~\sigma = \dfrac Fl\).
Σύμφωνα με αυτόν τον τύπο, η μονάδα SI για την επιφανειακή τάση είναι newton ανά μέτρο (N/m).
Συντελεστής επιφανειακής τάσηςΤο σ είναι αριθμητικά ίσο με τη δύναμη επιφανειακής τάσης που ενεργεί ανά μονάδα μήκους του ορίου της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού. Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από τη φύση του υγρού, από τη θερμοκρασία και από την παρουσία ακαθαρσιών. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, μειώνεται.
- Στην κρίσιμη θερμοκρασία, όταν η διάκριση μεταξύ υγρού και ατμού εξαφανίζεται, σ = 0.
Οι ακαθαρσίες γενικά μειώνουν (μερικές αυξάνουν) τον συντελεστή επιφανειακής τάσης.
Έτσι, το επιφανειακό στρώμα ενός υγρού είναι, σαν να λέγαμε, μια ελαστική τεντωμένη μεμβράνη που καλύπτει ολόκληρο το υγρό και τείνει να το συλλέγει σε μια «σταγόνα». Ένα τέτοιο μοντέλο (ελαστική τεντωμένη μεμβράνη) καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των δυνάμεων επιφανειακής τάσης. Για παράδειγμα, εάν μια μεμβράνη τεντωθεί υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, τότε η δύναμη επιφανειακής τάσης θα κατευθυνθεί κατά μήκος της επιφάνειας του υγρού ενάντια στην τάνυση. Ωστόσο, αυτή η κατάσταση διαφέρει σημαντικά από την τάση ενός ελαστικού φιλμ από καουτσούκ. Ένα ελαστικό φιλμ τεντώνεται αυξάνοντας την απόσταση μεταξύ των σωματιδίων, ενώ η δύναμη τάσης αυξάνεται, ενώ τεντώνεται το υγρό φιλμ, η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων δεν αλλάζει και η αύξηση της επιφάνειας επιτυγχάνεται ως αποτέλεσμα της μετάβασης των μορίων από το υγρό στο επιφανειακό στρώμα. Επομένως, με την αύξηση της επιφάνειας του υγρού, η δύναμη επιφανειακής τάσης δεν αλλάζει (δεν εξαρτάται από την επιφάνεια).
δείτε επίσης
- Kikoin A.K. Στις δυνάμεις της επιφανειακής τάσης // Kvant. - 1983. - Νο. 12. - Σ. 27-28
ύγρανση
Στην περίπτωση επαφής με στερεό σώμα, οι δυνάμεις συνοχής των μορίων του υγρού με τα μόρια του στερεού σώματος αρχίζουν να παίζουν σημαντικό ρόλο. Η συμπεριφορά ενός υγρού θα εξαρτηθεί από το ποια είναι μεγαλύτερη: η προσκόλληση μεταξύ των μορίων του υγρού ή η προσκόλληση των μορίων του υγρού στα μόρια του στερεού.
ύγρανση- φαινόμενο που εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης υγρών μορίων με στερεά μόρια. Εάν οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων ενός υγρού και ενός στερεού είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων ενός υγρού, τότε το υγρό ονομάζεται ύγρανση; αν οι δυνάμεις έλξης του υγρού και του στερεού είναι μικρότερες από τις δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων του υγρού, τότε το υγρό λέγεται μη διαβρέχονταςαυτό το σώμα.
Το ίδιο υγρό μπορεί να είναι διαβρεκτικό και μη διαβρεκτικό σε σχέση με διαφορετικά σώματα. Έτσι, το νερό βρέχει το γυαλί και δεν βρέχει μια λιπαρή επιφάνεια, ο υδράργυρος δεν βρέχει το γυαλί, αλλά τον χαλκό.
Η διαβροχή ή η μη διαβροχή των τοιχωμάτων του αγγείου στο οποίο βρίσκεται από ένα υγρό επηρεάζει το σχήμα της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού στο δοχείο. Εάν χυθεί μεγάλη ποσότητα υγρού σε ένα δοχείο, τότε το σχήμα της επιφάνειάς του καθορίζεται από τη δύναμη της βαρύτητας, η οποία παρέχει μια επίπεδη και οριζόντια επιφάνεια. Ωστόσο, κοντά στους τοίχους, το φαινόμενο της διαβροχής και της μη διαβροχής οδηγεί σε καμπυλότητα της υγρής επιφάνειας, το λεγόμενο εφέ άκρων.
Το ποσοτικό χαρακτηριστικό των εφέ ακμών είναι γωνία επαφήςθ είναι η γωνία μεταξύ του επιπέδου που εφάπτεται στην επιφάνεια του υγρού και της επιφάνειας του στερεού. Υπάρχει πάντα υγρό μέσα στη γωνία επαφής (Εικ. 4, α, β). Όταν βρέχεται, θα είναι αιχμηρό (Εικ. 4, α), και όταν δεν είναι βρεγμένο, θα είναι αμβλύ (Εικ. 4, β). ΣΕ σχολικό μάθημαΟι φυσικοί θεωρούν μόνο την ολική διαβροχή (θ = 0º) ή την ολική μη διαβροχή (θ = 180º).
Οι δυνάμεις που σχετίζονται με την παρουσία επιφανειακής τάσης και κατευθύνονται εφαπτομενικά στην επιφάνεια του υγρού, στην περίπτωση μιας κυρτής επιφάνειας, δίνουν την προκύπτουσα δύναμη που κατευθύνεται μέσα στο υγρό (Εικ. 5, α). Στην περίπτωση μιας κοίλης επιφάνειας, η δύναμη που προκύπτει κατευθύνεται, αντίθετα, προς το αέριο που γειτνιάζει με το υγρό (Εικ. 5, β).
Εάν το υγρό διαβροχής βρίσκεται στην ανοιχτή επιφάνεια ενός στερεού σώματος (Εικ. 6, α), τότε απλώνεται σε αυτήν την επιφάνεια. Αν στην ανοιχτή επιφάνεια ενός στερεού σώματος υπάρχει υγρό που δεν διαβρέχεται, τότε αυτό παίρνει σχήμα κοντά σε σφαιρικό (Εικ. 6, β).
Το βρέξιμο έχει σημασιατόσο στο σπίτι όσο και στη βιομηχανία. Η καλή διαβροχή είναι απαραίτητη κατά τη βαφή, το πλύσιμο, την επεξεργασία φωτογραφικών υλικών, την εφαρμογή επιστρώσεων χρωμάτων και βερνικιών, κατά την κόλληση υλικών, κατά τη συγκόλληση, σε διαδικασίες επίπλευσης (εμπλουτισμός μεταλλευμάτων με πολύτιμο πέτρωμα). Αντίθετα, κατά την κατασκευή στεγανωτικών συσκευών χρειάζονται υλικά που δεν βρέχονται από το νερό.
Τριχοειδή φαινόμενα
Η καμπυλότητα της επιφάνειας του υγρού στα άκρα του αγγείου φαίνεται ιδιαίτερα καθαρά σε στενούς σωλήνες, όπου ολόκληρη η ελεύθερη επιφάνεια του υγρού είναι καμπυλωμένη. Σε σωλήνες με στενή διατομή, αυτή η επιφάνεια είναι μέρος μιας σφαίρας, ονομάζεται μηνίσκος. Ένα υγρό διαβροχής έχει έναν κοίλο μηνίσκο (Εικ. 7, α), ενώ ένα υγρό που δεν διαβρέχεται έχει έναν κυρτό (Εικ. 7, β). Δεδομένου ότι η επιφάνεια του μηνίσκου είναι μεγαλύτερη από την περιοχή διατομής του σωλήνα, η καμπύλη επιφάνεια του υγρού τείνει να ευθυγραμμιστεί υπό την επίδραση μοριακών δυνάμεων.
Δημιουργούνται δυνάμεις επιφανειακής τάσης επιπλέον (Λαπλάσια)πίεση κάτω από μια καμπύλη υγρή επιφάνεια.
Αν η επιφάνεια του υγρού κοίλος, τότε η δύναμη επιφανειακής τάσης κατευθύνεται έξω από το υγρό (Εικ. 8, α), και η πίεση κάτω από την κοίλη επιφάνεια του υγρού είναι μικρότερη από την κάτω από την επίπεδη κατά \(~p = \dfrac(2 \sigma )(R)\). Αν η επιφάνεια του υγρού κυρτός, τότε η δύναμη επιφανειακής τάσης κατευθύνεται στο εσωτερικό του υγρού (Εικ. 8, β) και η πίεση κάτω από την κυρτή επιφάνεια του υγρού είναι μεγαλύτερη από ό,τι κάτω από την επίπεδη κατά την ίδια τιμή.
Ρύζι. 8 - Αυτός ο τύπος είναι μια ειδική περίπτωση του τύπου Laplace, ο οποίος καθορίζει την υπερπίεση για μια αυθαίρετη υγρή επιφάνεια διπλής καμπυλότητας:
Οπου R 1 και R 2 - ακτίνες καμπυλότητας οποιωνδήποτε δύο αμοιβαία κάθετων κανονικά τμήματαυγρή επιφάνεια. Η ακτίνα καμπυλότητας είναι θετική εάν το κέντρο καμπυλότητας του αντίστοιχου τμήματος βρίσκεται μέσα στο ρευστό και αρνητική εάν το κέντρο καμπυλότητας είναι έξω από το ρευστό. Για κυλινδρική επιφάνεια ( R 1 = μεγάλο; R 2 = ∞) υπερπίεση \(~p = \dfrac(\sigma)(R)\) .
Αν τοποθετήσουμε ένα στενό σωλήνα ( τριχοειδής) στο ένα άκρο σε ένα υγρό που χύνεται σε ένα φαρδύ δοχείο, κατόπιν λόγω της παρουσίας της δύναμης πίεσης Laplace, το υγρό στο τριχοειδές ανεβαίνει (αν το υγρό βρέχεται) ή πέφτει (αν το υγρό δεν βρέχεται) (Εικ. 9, α, β), αφού δεν υπάρχει υπερβολική πίεση κάτω από την επίπεδη επιφάνεια του υγρού σε ένα φαρδύ δοχείο.
Τα φαινόμενα αλλαγής του ύψους της στάθμης του υγρού στα τριχοειδή αγγεία σε σύγκριση με τη στάθμη του υγρού σε φαρδιά αγγεία ονομάζονται τριχοειδή φαινόμενα.
Το υγρό στο τριχοειδές ανεβαίνει ή πέφτει σε τέτοιο ύψος η, στην οποία η δύναμη υδροστατική πίεσηη στήλη του υγρού εξισορροπείται από τη δύναμη της υπερβολικής πίεσης, δηλ.
\(~\dfrac(2 \sigma)(R) = \rho \cdot g \cdot h .\)
Από όπου \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R)\). Εάν η διαβροχή δεν έχει ολοκληρωθεί θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), τότε, όπως δείχνουν οι υπολογισμοί, \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R) \cdot \cos \theta\).
Τα τριχοειδή φαινόμενα είναι πολύ συχνά. Άνοδος του νερού στο έδαφος, σύστημα αιμοφόρα αγγείαστους πνεύμονες ριζικό σύστημαΣτα φυτά, το φυτίλι και το στυπόχαρτο είναι τριχοειδή συστήματα.
Βιβλιογραφία
- Aksenovich L. A. Φυσική στο γυμνάσιο: Θεωρία. Καθήκοντα. Δοκιμές: Proc. επίδομα για ιδρύματα που παρέχουν γενική. περιβάλλοντα, εκπαίδευση / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Εκδ. Κ. Σ. Φαρίνο. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 178-184.