Kas nosaka šķidruma virsmas spraigumu? Virsmas spraiguma pārveidotājs

Pievilcīgie spēki starp molekulām uz šķidruma virsmas neļauj tām pārvietoties ārpus tā.

Šķidruma molekulas piedzīvo savstarpējas pievilkšanās spēkus - patiesībā tieši tāpēc šķidrums uzreiz neiztvaiko. Uz šķidruma iekšpusē esošajām molekulām citu molekulu pievilcīgie spēki darbojas uz visām pusēm un tādējādi savstarpēji līdzsvaro viens otru. Šķidruma virsmas molekulām nav kaimiņu ārpusē, un no tā izrietošais pievilkšanas spēks tiek virzīts šķidruma iekšpusē. Rezultātā visa ūdens virsma šo spēku ietekmē mēdz sarauties. Kopumā šis efekts noved pie tā sauktā virsmas spraiguma spēka veidošanās, kas darbojas gar šķidruma virsmu un noved pie tā, ka uz tā veidojas neredzama, plāna un elastīga plēve.

Viena no virsmas spraiguma efekta sekām ir tāda, ka, lai palielinātu šķidruma virsmas laukumu - to izstieptu, jums ir jādara mehāniskais darbs lai pārvarētu virsmas spraiguma spēkus. Līdz ar to, ja šķidrumu atstāj vienu, tam ir tendence iegūt formu, kurā tā virsmas laukums ir minimāls. Šī forma, protams, ir sfēra - tieši tāpēc lietus lāses lidojumā iegūst gandrīz sfērisku formu (es saku "gandrīz", jo lidojumā lāses ir nedaudz izstieptas gaisa pretestības dēļ). Tā paša iemesla dēļ ūdens pilieni uz tikko vaksētas automašīnas virsbūves sakrājas krellēs.

Virsmas spraiguma spēkus izmanto rūpniecībā, jo īpaši sfērisku formu, piemēram, bises granulu, liešanā. Izkausētā metāla pilieniem vienkārši ļauj sacietēt lidojuma laikā, kad tie tiek nolaisti no pietiekama augstuma, un tie paši sacietē bumbiņās, pirms iekrīt uztveršanas traukā.

Mēs varam minēt daudzus piemērus par virsmas spraiguma spēku darbību no mūsu ikdienas. Vēja ietekmē uz okeānu, jūru un ezeru virsmas veidojas viļņojumi, un šie viļņi ir viļņi, kuros ūdens iekšējā spiediena augšup vērsto spēku līdzsvaro virsmas spraiguma spēks lejup. Šie divi spēki mijas, un uz ūdens veidojas viļņošanās, tāpat kā vilnis veidojas alternatīvas stiepšanās un saspiešanas dēļ mūzikas instrumenta stīgā.

Tas, vai šķidrums sakrāsies “lolītēs” vai izkliedēsies vienmērīgā slānī pa cietu virsmu, ir atkarīgs no starpmolekulārās mijiedarbības spēku attiecības šķidrumā, izraisot virsmas spraigumu, un pievilkšanās spēku starp šķidruma un šķidruma molekulām. cieta virsma. Piemēram, šķidrā ūdenī virsmas spraiguma spēkus izraisa ūdeņraža saites starp molekulām ( cm.Ķīmiskās saites). Stikla virsmu mitrina ūdens, jo stikls satur diezgan daudz skābekļa atomu, un ūdens viegli veido ūdeņraža saites ne tikai ar citām ūdens molekulām, bet arī ar skābekļa atomiem. Ieeļļojot stikla virsmu ar taukiem, ar virsmu neveidosies ūdeņraža saites, un ūdens iekšējo ūdeņraža saišu ietekmē sakrāsies pilienos, kas nosaka virsmas spraigumu.

IN ķīmiskā rūpniecībaŪdenim bieži pievieno īpašus mitrinātājus - virsmaktīvās vielas, - neļaujot ūdenim savākt pilienus uz jebkuras virsmas. Tos pievieno, piemēram, šķidrumam mazgāšanas līdzekļi Par trauku mazgājamās mašīnas. Nokļūstot ūdens virsmas slānī, šādu reaģentu molekulas ievērojami vājina virsmas spraiguma spēkus, ūdens nesavāc pilienus un pēc žāvēšanas uz virsmas neatstāj netīrus plankumus ( cm.

Piliens, piliens... Vēl viena pile savāca uz jaucējkrāna snīpi, uzpūta un nokrita. Šis attēls ir pazīstams visiem. Vai arī silts vasaras lietus apūdeņo augsni, kas alkst pēc mitruma – un atkal ir pilieni. Kāpēc pilieni? Kāds šeit ir iemesls? Tas ir ļoti vienkārši: iemesls tam ir ūdens virsmas spraigums.

Tā ir viena no ūdens vai, vispārīgi runājot, visu šķidrumu īpašībām. Kā jūs zināt, gāze aizpilda visu tilpumu, kurā tā nonāk, bet šķidrums to nevar izdarīt. Molekulas, kas atrodas ūdens tilpuma iekšpusē, no visām pusēm ieskauj vienas un tās pašas molekulas. Bet tie, kas atrodas uz virsmas, uz šķidruma un gāzes robežas, netiek ietekmēti no visām pusēm, bet tikai no tām molekulām, kas atrodas tilpuma iekšpusē, tās neietekmē gāze.

Šajā gadījumā uz šķidruma virsmu iedarbosies spēks, kas vērsts gar to perpendikulāri tai virsmas daļai, uz kuru tas iedarbojas. Šī spēka rezultātā rodas ūdens virsmas spraigums. Tās ārējā izpausme būs kaut kas līdzīga neredzamai, elastīgai plēvei saskarnē. Virsmas spraiguma ietekmē ūdens piliens iegūs sfēras formu kā ķermenis ar mazākā platība noteiktā skaļumā.

Tagad mēs varam definēt, ka virsmas spraigums ir darbs, kas tiek veikts, lai mainītu šķidruma virsmu. No otras puses, to var definēt kā enerģiju, kas nepieciešama, lai sadalītu virsmas vienību. Šķidruma un gāzes saskarnē ir iespējams virsmas spraigums. To nosaka spēks, kas darbojas starp molekulām, un tāpēc tas ir atbildīgs par nepastāvību (iztvaikošanu). Jo zemāks virsmas spraigums, jo šķidrums būs gaistošāks.

Jūs varat noteikt, ar ko tas ir vienāds. Formulā tā aprēķināšanai ir iekļauts virsmas laukums un Kā minēts iepriekš, koeficients nav atkarīgs no virsmas formas un izmēra, bet to nosaka starpmolekulārās mijiedarbības stiprums, t.i. šķidruma veids. Dažādiem šķidrumiem tā vērtība būs atšķirīga.

Ūdens virsmas spraigumu var mainīt. To panāk karsējot, pievienojot bioloģiski aktīvas vielas – piemēram, ziepes, pulveri, pastas. Tās vērtība ir atkarīga no ūdens tīrības pakāpes. Jo tīrāks ir ūdens, jo lielāks ir virsmas spraigums, un tā vērtība ir otrajā vietā aiz dzīvsudraba.

Šķidrumam nonākot saskarē, tiek novērots ziņkārīgs efekts ciets, un ar gāzi. Ja uz parafīna virsmas uzklājam ūdens pilienu, tā iegūs bumbiņas formu. Tas ir saistīts ar faktu, ka spēki, kas darbojas starp parafīnu un pilienu, ir mazāki nekā savstarpējā mijiedarbība, kā rezultātā parādās bumbiņa. Ja spēki, kas darbojas starp virsmu un pilienu, ir lielāki par starpmolekulārās mijiedarbības spēkiem, ūdens vienmērīgi izkliedēsies pa virsmu. Šo parādību sauc par mitrināšanu.

Mitrināmības efekts zināmā mērā var raksturot virsmas tīrības pakāpi. Ieslēgts tīru virsmu piliens izkliedējas vienmērīgi, un, ja virsma ir netīra vai pārklāta ar vielu, kas nav samitrināta ar ūdeni, tā sakrājas bumbiņās.

Virsmas spraiguma izmantošanas piemērs rūpniecībā ir sfērisku daļu, piemēram, bises granulu, liešana. Izkausēta metāla pilieni vienkārši sasalst lidojuma laikā, iegūstot sfērisku formu.

Ūdens virsmas spraigums, tāpat kā jebkura cita šķidruma, ir viens no tā svarīgajiem parametriem. Tas nosaka dažas šķidruma īpašības, piemēram, nepastāvību (iztvaikošanu) un mitrināmību. Tās vērtība ir atkarīga tikai no starpmolekulārās mijiedarbības parametriem.

Darba teksts ievietots bez attēliem un formulām.
Pilna versija darbs ir pieejams cilnē "Darba faili" PDF formātā

Ievads

Apkārtējā pasaulē līdzās gravitācijai, elastībai un berzei ir vēl kāds spēks, kuram mēs parasti nepievēršam uzmanību. Šis spēks darbojas gar visu šķidrumu virsmu pieskari. Spēku, kas iedarbojas gar šķidruma virsmu perpendikulāri līniju, kas ierobežo šo virsmu, tiecas to samazināt līdz minimumam, sauc. virsmas spraiguma spēks. Tas ir salīdzinoši mazs, tā darbība nekad neizraisa spēcīgus efektus. Taču mēs nevaram glāzē ieliet ūdeni un vispār neko nevaram darīt ar kādu šķidrumu, neiedarbinot virsmas spraiguma spēkus. Mēs esam tik ļoti pieraduši pie efektiem, ko sauc par virsmas spraigumu, ka mēs tos nepamanām. Šķidrumu virsmas spraiguma izpausmes dabā un tehnoloģijā ir pārsteidzoši daudzveidīgas. Viņiem ir svarīga loma dabā un mūsu dzīvē. Bez tiem mēs nevarētu rakstīt ar hēlija pildspalvām, printera kasetnes uzreiz izveidotu lielu traipu, iztukšojot visu to rezervuāru. Rokas būtu neiespējami ieziepēt - putas neveidotos. Neliels lietus mūs būtu izmērcējis, un varavīksni nebūtu iespējams redzēt neatkarīgi no laikapstākļiem. Virsmas spraigums savāc ūdeni pilienos un, pateicoties virsmas spraigumam, var tikt izpūsts ziepju burbulis. Izmantojot beļģu profesora Plateau likumu “Esi pārsteigts laikā” pētniekiem, mēs savā darbā apsvērsim neparastus eksperimentus.

Darba mērķis: eksperimentāli pārbaudīt šķidrumu virsmas spraiguma izpausmes, noteikt šķidrumu virsmas spraiguma koeficientu ar pilienu atdalīšanas metodi

Studēt izglītojošo, populārzinātnisko literatūru, izmantot materiālus internetā par tēmu “Virsmas spraigums”;

veikt eksperimentus, lai pierādītu, ka šķidruma pareizā forma ir sfēra;

veikt eksperimentus ar virsmas spraiguma samazināšanos un palielināšanu;

izstrādāt un samontēt eksperimentālu iekārtu, ar kuras palīdzību noteikt dažu šķidrumu virsmas spraiguma koeficientu ar pilienu atdalīšanas metodi.

apstrādāt saņemtos datus un izdarīt secinājumu.

Pētījuma objekts: šķidrumi.

Galvenā daļa. Virsmas spraigums

1. att. G. Galileo

Daudzi novērojumi un eksperimenti liecina, ka šķidrums var iegūt formu, kurā tā brīvajai virsmai ir vismazākais laukums. Vēloties sarauties, virsmas plēve šķidrumam piešķirtu sfērisku formu, ja ne pievilcība Zemei. Jo mazāks kritums, jo lielāku lomu spēlē virsmas spraiguma spēki. Tāpēc mazi rasas pilieni uz koku lapām, uz zāles ir tuvu bumbiņai, kad brīvais kritiens lietus lāses ir gandrīz stingri sfēriskas. Šķidruma tendence sarauties līdz minimumam ir novērojama daudzās parādībās, kas šķiet pārsteidzošas. Galilejs domāja arī par jautājumu: kāpēc rasas pilieni, ko viņš no rīta ieraudzīja uz kāpostu lapām, iegūst sfērisku formu? Apgalvojums, ka šķidrumam nav savas formas, izrādās ne visai precīzs. Šķidruma pareizā forma ir sfēra kā ietilpīgākā forma. Vielas molekulas šķidrā stāvoklī atrodas gandrīz tuvu viena otrai. Atšķirībā no cietajiem kristāliskajiem ķermeņiem, kuros molekulas veido sakārtotas struktūras visā kristāla tilpumā un var veikt termiskās vibrācijas ap fiksētiem centriem, šķidrām molekulām ir lielāka brīvība. Katra šķidruma molekula, tāpat kā cietā viela, no visām pusēm ir “iesaiņota” ar blakus esošajām molekulām un tiek pakļauta termiskām vibrācijām ap noteiktu līdzsvara stāvokli. Tomēr laiku pa laikam jebkura molekula var pārvietoties uz tuvumā esošu brīvu vietu. Šādi lēcieni šķidrumos notiek diezgan bieži; tāpēc molekulas nav piesaistītas konkrētiem centriem, kā kristālos, un var pārvietoties pa visu šķidruma tilpumu. Tas izskaidro šķidrumu plūstamību. Pateicoties spēcīgai mijiedarbībai starp cieši izvietotām molekulām, tās var veidot lokālas (nestabilas) sakārtotas grupas, kas satur vairākas molekulas. 1

2. attēls. Šķidruma molekulu šaura un kristāliskas vielas molekulu liela attāluma secības piemērs: 1 - ūdens; 2 - ledus

Kā izskaidrot šķidruma virsmas spontānu kontrakciju? Molekulas uz šķidruma virsmas un dziļumos atrodas iekšā dažādi apstākļi. Katra šķidruma iekšpusē esošā molekula ir pakļauta pievilcīgiem spēkiem no blakus esošajām molekulām, kas to ieskauj no visām pusēm. Šo spēku rezultāts ir nulle. Virs šķidruma virsmas atrodas tvaiki, kuru blīvums ir daudzkārt mazāks par šķidruma blīvumu, un var neņemt vērā tvaiku molekulu mijiedarbību ar šķidruma molekulām. Molekulas, kas atrodas uz šķidruma virsmas, piesaista tikai tās molekulas, kas atrodas šķidruma iekšpusē. Šo spēku ietekmē virsmas slāņa molekulas tiek ievilktas uz iekšu, samazinās molekulu skaits uz virsmas un virsmas laukums. Bet ne visas molekulas var pārvietoties no virsmas šķidrumā, to novērš atgrūšanas spēki, kas rodas, samazinoties attālumam starp molekulām. Noteiktos attālumos starp molekulām, kas tiek ievilktas, un molekulām zem virsmas, mijiedarbības spēki kļūst vienāds ar nulli, virsmas samazināšanas process apstājas. Molekulu skaits, kas paliek uz virsmas, ir tāds, ka tā platība ir minimāla noteiktam šķidruma tilpumam. Tā kā šķidrums ir šķidrs, tam ir forma, kurā molekulu skaits uz virsmas ir minimāls, un sfērai ir minimālā virsma noteiktam tilpumam, tas ir, šķidruma piliens iegūst formu, kas ir tuvu sfēriskai. Vienkāršākais veids, kā saprast virsmas spraiguma spēku būtību, ir novērot piliena veidošanos. Skatieties uzmanīgi, kā piliens pamazām aug, veidojas sašaurināšanās - kakls - un piliens nolūst. Nav vajadzīga liela iztēle, lai iedomāties, ka ūdens ir iekļauts elastīgā maisiņā, un šis maisiņš saplīst, kad svars pārsniedz tā spēku. Realitātē, protams, pilē nav nekas cits kā ūdens, bet pats ūdens virsmas slānis uzvedas kā izstiepta elastīga plēve. Ziepju burbuļa plēve rada tādu pašu iespaidu.

Pieredze Nr.1

Šķidruma berzi pret potenciālās enerģijas minimumu var novērot, izmantojot ziepju burbuļus. Ziepju plēve ir dubults virsmas slānis. Ja jūs izpūšat ziepju burbuli un pēc tam pārtraucat piepūst, tas sāks samazināties, izspiežot gaisa plūsmu.

Virsmas spraigums ir molekulārā spiediena parādība uz šķidrumu, ko izraisa virsmas slāņa molekulu piesaiste šķidruma iekšpusē esošajām molekulām. 5

Plato pieredze (1849)

Rīsi. 4. J.Plato

Liekulis, kas mudināja beļģu profesoru eksperimentēt, bija nejaušība. Viņš nejauši ielēja nelielu daudzumu eļļas spirta un ūdens maisījumā, un tas ieguva bumbiņas formu. Pārdomājot šo faktu, Platons izklāstīja virkni eksperimentu, kurus vēlāk izcili veica viņa draugi un studenti. Savā dienasgrāmatā viņš rakstīja likumu pētniekiem: "Ir pienācis laiks būt pārsteigtam." Nolēmu izpētīt Plato pieredzi, taču citā veidā: eksperimentā izmantot saulespuķu eļļu un tonētu mangāna ūdeni.

Eksperiments, kas pierāda, ka viendabīgs šķidrums iegūst formu ar minimālu brīvo virsmu

Plato pieredzes variants #2

1) Saulespuķu eļļu ielej vārglāzē.

2) Izmantojot acu pilinātāju, iepiliniet saulespuķu eļļā pilienu tonēta mangāna ūdens ar aptuveni 5 mm diametru.

) Mēs novērojām ūdens bumbas dažādi izmēri, lēnām nokrītot līdz apakšai un iegūstot saplacinātu ovālu (2. foto).

5) Mēs novērojām, kā piliens ieguva pareizo bumbiņas formu (2. fotoattēls).

Secinājums: Šķidrums, piesaistot virsmas slāņa molekulas, saspiež sevi. Ovālā saplacinātā forma ir izskaidrojama ar to, ka piliena svars, kas nesajaucas ar eļļu, ir lielāks par peldošo spēku. Bumbiņas pareizā forma ir izskaidrojama ar to, ka piliens peld eļļas iekšpusē: piliena svaru līdzsvaro peldošais spēks.

Brīvi krītot, bezsvara stāvoklī, lietus lāsēm praktiski ir bumbiņas forma. IN kosmosa kuģis Pietiekami liela šķidruma masa arī iegūst sfērisku formu.

Virsmas spraiguma koeficients

Ja nav ārēja spēka, gar šķidruma virsmu iedarbojas virsmas spraiguma spēks, kas samazina plēves virsmas laukumu līdz minimumam. Virsmas spraiguma spēks ir spēks, kas ir vērsts tangenciāli uz šķidruma virsmu, perpendikulāri kontūras posmam, kas ierobežo virsmu, tās saraušanās virzienā.

Ơ - virsmas spraiguma koeficients - tā ir virsmas spraiguma spēka moduļa F attiecība, kas iedarbojas uz virsmas slāņa robežu ℓ pret šo garumu, nemainīga vērtība, kas nav atkarīga no garuma ℓ. Virsmas spraiguma koeficients ir atkarīgs no apkārtējās vides rakstura un temperatūras. To izsaka ņūtonos uz metru (N/m).

Eksperimenti ar samazināšanu un palielināšanu

3. fotoattēls

Pieredze Nr.3

Pieskarieties ūdens virsmas centram ar ziepju gabalu.

Putuplasta gabali sāk pārvietoties no trauka centra uz malām (3. fotoattēls).

Kuģa centrā iekrita benzīns, spirts, mazgāšanas līdzeklis "Fejas"

Secinājums: šo vielu virsmas spraigums ir mazāks nekā ūdens.

Šīs vielas izmanto netīrumu, tauku traipu, kvēpu noņemšanai, t.i. ūdenī nešķīstošas ​​vielas, pateicoties diezgan lielam virsmas spraigumam, pašam ūdenim nav īpaši laba tīrīšanas efekta. Piemēram, kad ūdens molekulas nonāk saskarē ar traipu, tās vairāk piesaista viena otrai, nevis nešķīstošu netīrumu daļiņām. Ziepes un sintētiskie mazgāšanas līdzekļi (SDC) satur vielas, kas samazina ūdens virsmas spraigumu. Pirmās ziepes, vienkāršākais mazgāšanas līdzeklis, tika iegūtas Tuvajos Austrumos pirms vairāk nekā 5000 gadiem. Sākumā to izmantoja galvenokārt čūlu un brūču mazgāšanai un ārstēšanai. Un tikai mūsu ēras 1. gadsimtā. vīrietis sāka mazgāties ar ziepēm.

1. gadsimta sākumā dzima ziepes.

Tas izglāba cilvēku no netīrumiem un viņš kļuva tīrs jau no mazotnes.

Es jums stāstu par ziepēm, kuras drīz dzemdēja: šampūns, želeja, pulveris.

Pasaule ir kļuvusi tīra, cik tā ir labi!

5. att. F. Ginters

Mazgāšanas līdzekļi ir dabiskas un sintētiskas vielas ar attīrošu efektu, īpaši ziepes un veļas pulveri, ko izmanto ikdienā, rūpniecībā un apkalpošanā. Rezultātā tiek iegūtas ziepes ķīmiskā mijiedarbība tauki un sārmi. Visticamāk, tas atklāts tīri nejauši, kad gaļa tika cepta uz uguns, un tauki saplūda uz pelniem, kuriem ir sārmainas īpašības. Ziepju ražošanai ir sena vēsture, taču pirmais sintētiskais mazgāšanas līdzeklis (SMS) parādījās 1916. gadā, to izgudroja Vācu ķīmiķis Frics Ginters rūpnieciskiem nolūkiem. Mājsaimniecības SMS, kas ir vairāk vai mazāk nekaitīgas rokām, sāka izsniegt 1933. gadā. Kopš tā laika attīstījās vesela sērija sintētiskie mazgāšanas līdzekļi (SDC) šauriem mērķiem, un to ražošana ir kļuvusi par nozīmīgu ķīmiskās rūpniecības nozari.

Virsmas spraiguma dēļ ūdenim pašam par sevi nav pietiekamas tīrīšanas efekta. Kad ūdens molekulas nonāk saskarē ar traipu, tās pievelkas viena otrai, nevis aiztur netīrumu daļiņas, citiem vārdiem sakot, tās nesaslapina netīrumus.

Ziepes un sintētiskie mazgāšanas līdzekļi satur vielas, kas palielina ūdens mitrināšanas īpašības, samazinot virsmas spraigumu. Šīs vielas sauc par virsmaktīvām vielām (virsmaktīvām vielām), jo tās iedarbojas uz šķidruma virsmu.

Mūsdienās SMS ražošana ir kļuvusi par nozīmīgu ķīmiskās rūpniecības nozari. Šīs vielas sauc virsmaktīvā viela(virsmaktīvās vielas), jo tās iedarbojas uz šķidruma virsmu. Virsmaktīvās vielas molekulas var attēlot kā kurkuļus. Viņi “pieķeras” ūdenim ar galvām, bet taukiem – ar “asti”. Kad virsmaktīvās vielas sajauc ar ūdeni, to molekulas uz virsmas ir vērstas uz leju un "astes" uz āru. Šādā veidā sadalot ūdens virsmu, šīs molekulas ievērojami samazina virsmas spraiguma ietekmi, tādējādi palīdzot ūdenim iekļūt audos. Ar šīm pašām “astēm” virsmaktīvās vielas molekulas (6. att.) uztver tauku molekulas, ar kurām tās saskaras. 2

Pieredze Nr.4

1.Ielejiet apakštasītē pienu tā, lai tas nosegtu apakšējo daļu (Foto 4)

2. Piliniet 2 pilienus briljantzaļās uz piena virsmas

3. Novērojām, kā briljantzaļais tika “iznests” no centra uz malām. Divi pilieni briljantzaļā pārklāj lielāko daļu piena virsmas! (5. fotoattēls)

Secinājums: briljantzaļā virsmas spraigums ir daudz mazāks nekā pienam.

4. Uz briljantzaļās virsmas tika pilināts trauku mazgāšanas līdzeklis “Fairy”, redzējām, kā šis šķidrums izplatījās pa visu virsmu (6. foto).

Secinājums: Mazgāšanas līdzekļa virsmas spraigums ir mazāks nekā briljantzaļajam.

Pieredze Nr.5

Ūdeni ielēja platā stikla traukā.

Uz virsmas tika izmesti putu gabali.

Pieskarieties ūdens virsmas centram ar cukura gabalu.

Putupolistirola stīgas sāk virzīties no trauka malām uz centru (7. foto).

Secinājums: virsmas spraigums ūdens šķīdums vairāk cukura nekā tīrs ūdens.

Pieredze Nr.6

Tauku traipu noņemšana no auduma virsmas

Ar benzīnu samitrinājām vati un ar šo vati samitrinājām traipa malas (nevis pašu traipu). Benzīns samazina virsmas spraigumu, tāpēc tauki uzkrājas traipa centrā un no turienes var tikt noņemti, ja ar to pašu vati samitrina pašu traipu, tas var palielināties, jo samazinās virsmas spraigums.

Lai eksperimentāli noteiktu šķidruma virsmas spraiguma vērtību, varat izmantot pilienu veidošanās un atdalīšanas procesu, kas plūst no pilinātāja.

Īsa pilienu atdalīšanas metodes teorija

Neliels šķidruma tilpums pats iegūst sfērai tuvu formu, jo šķidruma mazās masas dēļ arī gravitācijas spēks, kas uz to iedarbojas, ir mazs. Tas izskaidro mazu šķidruma pilienu sfērisko formu. 1. attēlā ir redzamas fotogrāfijas, kas parāda dažādi posmi piliena veidošanās un atdalīšanas process. Fotogrāfija uzņemta, izmantojot ātrgaitas filmēšanu, mēs varam pieņemt, ka katrā brīdī tas ir līdzsvarā. Virsmas spraigums izraisa piliena virsmas saraušanos, tas mēdz piešķirt pilienam sfērisku formu. Gravitācija novieto piliena smaguma centru pēc iespējas zemāk. Rezultātā piliens šķiet iegarens (7.a att.).

Rīsi. 7. a b c d

Pilienu veidošanās un atdalīšanas process

Jo lielāks kritums, jo lielāku lomu spēlē gravitācijas potenciālā enerģija. Pilienam augot, lielākā masas daļa sakrājas apakšā un pilienam veidojas kakliņš (7.b att.). Virsmas spraiguma spēks ir vērsts vertikāli tangenciāli uz kaklu un tas līdzsvaro gravitācijas spēku, kas iedarbojas uz pilienu. Tagad pietiek ar to, ka kritums krietni palielinās un virsmas spraiguma spēki vairs nelīdzsvaro gravitācijas spēku. Piliena kakls ātri sašaurinās (7.c att.) un rezultātā piliens nolūst (7.d att.).

Dažu šķidrumu virsmas spraiguma koeficienta mērīšanas metode ir balstīta uz pilienu svēršanu. Lēnas šķidruma plūsmas gadījumā no neliela cauruma izveidoto pilienu lielums ir atkarīgs no šķidruma blīvuma, virsmas spraiguma koeficienta, cauruma izmēra un formas, kā arī plūsmas ātruma. . Kad mitrināšanas šķidrums lēnām izplūst no vertikālas cilindriskas caurules, iegūtajam pilienam ir tāda forma, kā parādīts 8. attēlā. Piliena kakla rādiuss r ir saistīts ar caurules R ārējo rādiusu ar attiecību r = kR (1).

kur k ir koeficients atkarībā no caurules izmēra un plūsmas ātruma.

Atdalīšanas momentam, piliena svaram jābūt vienādam ar rezultēto virsmas spraiguma spēkiem, kas iedarbojas gar garumu, kas vienāds ar kakla kontūras garumu tā šaurākajā daļā. Tādējādi mēs varam rakstīt

Mg = 2πrơ (2)

Aizstājot kakla rādiusa r vērtību no vienādības (1) un atrisinot to, iegūstam

Ơ = mg/2πkR (3)

Lai noteiktu piliena masu, zināma svara glāzē nosver noteiktu skaitu n pilienu. Ja krūzes masa bez pilieniem un ar pilieniem ir attiecīgi M 0 un M, tad viena piliena masa

Aizvietojot pēdējo izteiksmi formulā (3) un caurules rādiusa vietā ieviešot tās diametru d, iegūstam aprēķina formulu

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Pētnieciskais darbs “Dažu šķidrumu virsmas spraiguma koeficienta noteikšana ar pilienu atdalīšanas metodi”

Pētījuma mērķis: nosaka šķidruma virsmas spraiguma koeficientu, noraujot dažu šķidrumu pilienus. Ierīces: instalācija virsmas spraiguma koeficienta mērīšanai, svari, svars, krūze, suports, hronometrs. Materiāli: mazgāšanas līdzekļi: "Fairy", "Aos", piens, alkohols, benzīns, pulvera šķīdumi: "Myth", "Persil", šampūni "Fruttis", « Pantene», "Šauma" Un " Fruttis", dušas želejas" Sensen», "Monpensier" Un " Atklājiet».

Ierīces apraksts.

Lai noteiktu virsmas spraiguma koeficientu, tika salikts uzstādījums, kas sastāvēja no statīva, uz kura tika uzstādīta birete ar testa šķidrumu. Biretes galā ir piestiprināts caurules gals, kura galā veidojas piliens. Pilienus svēra speciālā krūzē.

Pētījuma gaita

Izmantojot suportu, uzgaļa caurules diametrs tika izmērīts trīs reizes un aprēķināta vidējā vērtība d.

Nosvēra uz svariem tīru, sausu glāzi (M 0).

Izmantojot biretes krānu, mēs panācām piliena plūsmas ātrumu

15 pilieni minūtē.

No biretes glāzē ielēja 60 pilienus šķidruma, precīzi saskaitot izlieto pilienu skaitu.

Nosvērām glāzi šķidruma. (M)

Iegūtās vērtības aizstāja formulā ơ = ((M-M0)g)/πkdn

Tika aprēķināts virsmas spraiguma koeficients.

Eksperiments tika veikts trīs reizes

Tika aprēķināta virsmas spraiguma koeficienta vidējā vērtība.

Virsmas spraiguma koeficientu SI sistēmā mēra N/m.

Tabula Nr.1

Virsmas spraiguma koeficienta (N/m) noteikšanas rezultāti

Secinājums: No pētītajiem virtuves mazgāšanas līdzekļiem, ja visi pārējie parametri, kas ietekmē “mazgāšanas” kvalitāti, ir vienādi, labāk ir izmantot produktu “ Feja" No pētītajiem veļas pulveriem " Mīts", jo Tieši viņu risinājumiem ir viszemākais virsmas spraigums. Tāpēc pirmais līdzeklis (“ Feja") labāk palīdz no traukiem nomazgāt ūdenī nešķīstošos taukus, būdams emulgators - līdzeklis, kas atvieglo emulsiju (šķidras vielas mazāko daļiņu suspensijas ūdenī) veidošanos. Otrais (“ Mīts") labāk izmazgā veļu, iekļūstot porās starp audumu šķiedrām. Ņemiet vērā, ka, lietojot virtuves mazgāšanas līdzekļus, mēs piespiežam vielu (īpaši taukus) vismaz uz brīdi izšķīdināt ūdenī, jo tas tiek “sasmalcināts” sīkās daļiņās. Šajā laikā uzklāto mazgāšanas līdzekli ieteicams noskalot ar tīra ūdens strūklu, nevis traukus pēc kāda laika skalot traukā. Papildus tika pētīts arī šampūnu un dušas želeju virsmas spraigums. Šo šķidrumu diezgan augstās viskozitātes dēļ ir grūti precīzi noteikt to virsmas spraiguma koeficientu, taču to var salīdzināt. Tika pētīti šampūni (ar pilienu noraušanas metodi) "Pantene», "Šauma" Un " Fruttis", kā arī dušas želejas" Sensen», "Monpensier" Un " Atklājiet».

Secinājums:

Virsmas spraigums samazinās šampūnu diapazonā "Fruttis" - "Šauma" - "Pantene"želejās - pēc kārtas "Monpensier" - "Atklājiet" - "Sajūtas".

Šampūnu virsmas spraigums ir mazāks par želeju virsmas spraigumu (piemēram, " Pantene» < «Sajūtas"par 65 mN/m), kas attaisno to mērķi: šampūni - matu mazgāšanai, želejas - ķermeņa mazgāšanai.

Ar visiem pārējiem identiskas īpašības, kas ietekmē mazgāšanas kvalitāti, labāk ir izmantot starp pētītajiem šampūniem "Pantene" (9. att.), no pētītajām dušas želejām - “Sajūtas” (10. att.).

Pilienu atdalīšanas metode, lai arī ne pārāk precīza, tomēr tiek izmantota medicīnas prakse. Ar šo metodi diagnostikas nolūkos nosaka cerebrospinālā šķidruma, žults u.c. virsmas spraigumu.

Secinājums

1. Saņemts eksperimentāls apstiprinājums teorētiskos secinājumus , pierāda, ka viendabīgs šķidrums iegūst formu ar minimālu brīvo virsmu

2. Veikti eksperimenti ar virsmas spraiguma samazināšanos un palielināšanu, kuru rezultāti pierādīja, ka ziepes un sintētiskie mazgāšanas līdzekļi satur vielas, kas paaugstina ūdens mitrināšanas īpašības, samazinot virsmas spraiguma spēku.

3. Noteikt šķidrumu virsmas spraiguma koeficientu

a) tika izpētīta īsa pilienu atdalīšanas metodes teorija;

b) tika izstrādāta un samontēta eksperimentālā iekārta;

c) tika aprēķinātas dažādu šķidrumu virsmas spraiguma koeficienta vidējās vērtības un izdarīti secinājumi.

4. Eksperimentu un pētījumu rezultāti atspoguļoti tabulu un fotogrāfiju veidā.

Darbs pie projekta man ļāva iegūt plašākas zināšanas fizikas sadaļā “Virsmas spraigums”.

Es vēlētos pabeigt savu projektu ar izcilā fiziķa vārdiem

A. Einšteins:

"Man pietiek piedzīvot mūžīgā dzīves noslēpuma sajūtu, apzināties un intuitīvi izprast visu lietu brīnišķīgo uzbūvi un aktīvi censties aptvert pat vismazāko saprāta graudiņu, kas izpaužas dabā."

Izmantoto avotu un literatūras saraksts

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

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

Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu.L., Myakishev G.Ya., Fizika, mācību grāmata vidusskolas 9. klasei - 4. izdevums - M.: Izglītība, 1988 - 271 lpp.

Kasjanovs V.A., Fizika, 10. klase, vispārējās izglītības mācību grāmata izglītības iestādēm, M.: Bustards, 2001. - 410 s.

Pinsky A.A. Fizika: mācību grāmata. Rokasgrāmata 10 klasēm ar padziļinātu fizikas apguvi. M.: Izglītība, 1993. gads. - 416 s.

Jufanova I.L. Izklaidējoši vakari fizikā in vidusskola: grāmata skolotājiem. - M.: Izglītība, 1990. gads. -215s

Čujanovs V.Ya., Enciklopēdiskā vārdnīca jaunais fiziķis, M.: Pedagoģija, 1984. - 350 s.

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

2 http://greenfuture.ru

Adhēzijas dēļ uz ūdens virsmas veidojas spriegums, un, lai salauztu ūdens virsmu, ir nepieciešams fizisks spēks, un, dīvainā kārtā, diezgan ievērojams. Netraucēta ūdens virsma var atbalstīt objektus, kas ir daudz “smagāki” par ūdeni, piemēram, tērauda adatu vai žileti, vai noteiktus kukaiņus, kas slīd pa ūdeni tā, it kā tas būtu ciets, nevis šķidrs.

No visiem šķidrumiem, izņemot dzīvsudrabu, ūdens ir visaugstākais virsmas spraigums.

Šķidruma iekšpusē molekulu piesaiste viena otrai ir līdzsvarota. Bet ne virspusē. Ūdens molekulas, kas atrodas dziļāk, novelk augstākās molekulas. Tāpēc šķiet, ka ūdens piliens cenšas sarukt pēc iespējas vairāk. To savelk kopā virsmas spraiguma spēki.

Fiziķi precīzi aprēķinājuši, kāds svars ir jāpiekar no trīs centimetrus biezas ūdens staba, lai to salauztu. Jums būs nepieciešams milzīgs svars - vairāk nekā simts tonnas! Bet tas ir tad, kad ūdens ir ārkārtīgi tīrs. Dabā tāda ūdens nav. Tajā vienmēr kaut kas ir izšķīdis. Pat ja tikai nedaudz, svešas vielas sarauj saites spēcīgajā ūdens molekulu ķēdē, un saķeres spēki starp tām samazinās.

Ja uz stikla plāksnes uzklājat dzīvsudraba pilienus, bet uz parafīna plāksnes - ūdens pilienus, tad ļoti maziem pilieniem būs bumbiņas forma, bet lielāki gravitācijas ietekmē nedaudz saplacinās.

Šī parādība izskaidrojama ar to, ka starp dzīvsudrabu un stiklu, kā arī starp parafīnu un ūdeni rodas pievilcības spēki (saķere), kas ir mazāki nekā starp pašām molekulām (kohēzija). Kad ūdens nonāk saskarē ar tīru stiklu un dzīvsudrabs saskaras ar metāla plāksni, mēs novērojam gandrīz vienmērīgs sadalījums abām vielām uz plāksnēm, jo ​​pievilkšanās spēki starp stikla un ūdens molekulām, metāla un dzīvsudraba molekulām ir lielāki nekā pievilkšanās starp atsevišķām ūdens un dzīvsudraba molekulām. Šo parādību, kad šķidrums vienmērīgi atrodas uz cietas vielas virsmas, sauc par mitrināšanu. Tas nozīmē, ka ūdens saslapina tīru stiklu, bet nesamitrina parafīnu. Konkrētā gadījumā mitrināmība var norādīt uz virsmas piesārņojuma pakāpi. Piemēram, uz tīri mazgāta šķīvja (porcelāna, māla trauki) vienmērīgā slānī izklājas ūdens, tīri nomazgātā kolbā sienas vienmērīgi pārklājas ar ūdeni, bet, ja ūdens uz virsmas ir pilienu veidā, tas liecina, ka trauka virsma ir pārklāta ar plānu vielas kārtu, ko nesamitrina ūdens, visbiežāk tauki.

Virsmas spraigums, vielas (šķidrās vai cietās fāzes) vēlme samazināt savu potenciālās enerģijas pārpalikumu saskarnē ar citu fāzi (virsmas enerģiju). Definēts kā darbs, kas pavadīts, lai izveidotu saskarnes laukuma vienību (izmērs J/m 2). Saskaņā ar citu definīciju virsmas spraigums- spēks uz kontūras garuma vienību, kas ierobežo fāzes saskarni (izmērs N/m); šis spēks iedarbojas tangenciāli pret virsmu un novērš tā spontānu pieaugumu.

Virsmas spraigums- šķidruma virsmas slāņa galvenais termodinamiskais raksturlielums uz robežas ar gāzes fāzi vai citu šķidrumu. Virsmas spraigums dažādu šķidrumu robeža ar saviem tvaikiem ir ļoti atšķirīga: no vienībām sašķidrinātām zemas viršanas temperatūras gāzēm līdz vairākiem tūkstošiem mN/m izkausētām ugunsizturīgām vielām. Virsmas spraigums atkarīgs no temperatūras. Daudziem vienkomponentu nesaistītiem šķidrumiem (ūdens, kausēti sāļi, šķidrie metāli) tālu no kritiskā temperatūra lineārās attiecības darbojas labi:

kur s un s 0 ir virsmas spraigums temperatūrā T Un T 0 attiecīgi, α≈0,1 mN/(m K) - temperatūras koeficients virsmas spraigums. Galvenā regulēšanas metode virsmas spraigums sastāv no virsmaktīvo vielu (virsmaktīvās vielas) izmantošanas.

Virsmas spraigums ir iekļauts daudzos fizikas, fizikālās un koloīdu ķīmijas, elektroķīmijas vienādojumos.

Tas nosaka šādus daudzumus:

1. kapilārais spiediens, kur r 1 un r 2 - galvenie virsmas izliekuma rādiusi un piesātināta tvaika spiediens r virs izliektas šķidruma virsmas: , kur r- virsmas izliekuma rādiuss, R- gāzes konstante, Vn- šķidruma molārais tilpums, lpp 0 - spiediens virs plakanas virsmas (Laplasa un Kelvina likumi, sk. Kapilāru parādības).

2. Kontakta leņķis θ šķidruma saskarē ar virsmu ciets: cos , kur ir cietas vielas īpatnējā brīvās virsmas enerģija uz robežas ar gāzi un šķidrumu, - virsmas spraigumsšķidrumi (Junga likums, sk. Mitrināšana).

3. Virsmaktīvās vielas adsorbcija, kur μ ir adsorbētās vielas ķīmiskais potenciāls (Gibsa vienādojums, sk. Adsorbcija). Atšķaidītiem šķīdumiem, kur Ar- virsmaktīvās vielas molārā koncentrācija.

4. Virsmaktīvās vielas adsorbcijas slāņa stāvoklis uz šķidruma virsmas: (lpp s + a/A 2)·( A- b)=k T, kur p s=(s 0 -s) - divdimensiju spiediens, s 0 un s - attiecīgi virsmas spraigums tīrs šķidrums un tas pats šķidrums adsorbcijas slāņa klātbūtnē, A- konstante (analogs van der Vālsa konstantei), A- virsmas slāņa laukums uz vienu adsorbēto molekulu, b- laukums, ko aizņem 1 šķidruma molekula, k- Bolcmana konstante (Frumkina-Volmera vienādojums, sk. Virsmas aktivitāte).

5. Elektrokapilārais efekts: - d s/ d f = r s, kur r s ir virsmas lādiņa blīvums, f ir elektroda potenciāls (Lipmana vienādojums, sk. Elektrokapilārās parādības).

6. Jaunas fāzes kritiskā kodola veidošanas darbs W c. Piemēram, viendabīgas tvaika kondensācijas laikā pie spiediena, kur lpp 0 - tvaika spiediens virs līdzenas šķidruma virsmas (Gibsa vienādojums, sk. Jaunas fāzes izcelsme).

7. Kapilāro viļņu garums l uz šķidruma virsmas: , kur ρ ir šķidruma blīvums, τ ir svārstību periods, g- brīvā kritiena paātrinājums.

8. Šķidrumu kārtiņu elastība ar virsmaktīvās vielas slāni: elastības modulis, kur s- plēves laukums (Gibsa vienādojums, sk. Plānās plēves).

Virsmas spraigums mēra daudzām tīrām vielām un maisījumiem (šķīdumiem, kausējumiem) plašā temperatūru un sastāvu diapazonā. Kopš virsmas spraigums ir ļoti jutīgs pret piemaisījumu klātbūtni, mērījumi, izmantojot dažādas metodes, ne vienmēr dod vienādas vērtības.

Galvenās mērīšanas metodes ir šādas:

1. mitrināšanas šķidrumu paaugstināšanās kapilāros. Pacelšanas augstums, kur ir šķidruma un izspiestās gāzes blīvuma atšķirība, ρ - kapilāra rādiuss. Noteikšanas precizitāte virsmas spraigums palielinās, samazinoties attiecībai ρ/α (α - šķidruma kapilārā konstante).

2.Mērīšana maksimālais spiediens gāzes burbulī (Rebinder metode); Aprēķins ir balstīts uz Laplasa vienādojumu. Kad burbulis tiek izspiests šķidrumā caur kalibrētu kapilāru ar rādiusu r pirms atdalīšanas brīža, spiediens p m = 2σ/r

3. Pilienu svēršanas metode (stalagmometrija): (Tate vienādojums), kur G - kopējais svars n pilieni, kas gravitācijas ietekmē atdalīti no kapilārās caurules griezuma ar rādiusu r. Lai uzlabotu precizitāti, labā puse tiek reizināta ar korekcijas koeficientu atkarībā no r un kritiena tilpuma.

4. Plākšņu balansēšanas metode (Wilhelmy metode). Iegremdējot plāksni ar šķērsgriezuma perimetru L mitrināšanas šķidrumā ir plāksnes svars, kur G 0 - sausās plāksnes svars.

5. Gredzena noraušanas metode (Du Nouy metode). Lai atrautos stieples gredzens rādiuss R no šķidruma virsmas ir nepieciešams spēks

6. Sēdošā kritiena metode. Kritiena profilu uz nesamitrina substrāta nosaka no nosacījuma, ka hidrostatiskā un kapilārā spiediena summa ir nemainīga. Kritiena profila diferenciālvienādojums tiek atrisināts ar skaitlisko integrāciju (Bashforth-Adams metode). Pēc mērījumiem ģeometriskie parametri kritiena profils tiek atrasts, izmantojot atbilstošās tabulas virsmas spraigums.

7. Rotējošā piliena metode. Šķidruma pilienu ar blīvumu r 1 ievieto mēģenē ar smagāku (blīvumu r 2) šķidrumu. Kad caurule griežas ar leņķisko ātrumu ω, piliens tiek izstiepts pa asi, aptuveni iegūstot rādiusa cilindra formu r. Dizaina vienādojums: . Metode tiek izmantota mazu mērīšanai virsmas spraigums divu šķidrumu saskarnē.

Virsmas spraigums ir noteicošais faktors daudziem tehnoloģiskie procesi: flotācija, porainu materiālu impregnēšana, pārklājums, mazgāšanas līdzeklis, pulvermetalurģija, lodēšana uc Liela loma virsmas spraigums procesos, kas notiek nulles gravitācijas apstākļos.

Koncepcija virsmas spraigums pirmo reizi ieviesa J. Segners (1752). 19. gadsimta pirmajā pusē. pamatojoties uz ideju virsmas spraigums tika izstrādāta kapilāro parādību matemātiskā teorija (P. Laplass, S. Puasons, K. Gauss, A. Ju. Davidovs). 19. gadsimta otrajā pusē. Dž.Gibss izstrādāja virsmas parādību termodinamisko teoriju, kurā izšķirošā loma lugas virsmas spraigums. 20. gadsimtā regulēšanas metodes tiek izstrādātas virsmas spraigums izmantojot virsmaktīvās vielas un elektrokapilāru efektu (I. Langmuir, P.A. Rebinder, A.H. Frumknn). Starp mūsdienu pašreizējās problēmas- attīstība molekulārā teorija virsmas spraigums dažādi šķidrumi (arī kausēti metāli), virsmas izliekuma ietekme uz virsmas spraigums.