Od czego zależy napięcie powierzchniowe cieczy? Przetwornik napięcia powierzchniowego

Siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami na powierzchni cieczy uniemożliwiają im przemieszczanie się poza nią.

Cząsteczki cieczy doświadczają sił wzajemnego przyciągania - w rzeczywistości właśnie z tego powodu ciecz nie odparowuje natychmiast. Na cząsteczki wewnątrz cieczy siły przyciągania innych cząsteczek działają ze wszystkich stron i dlatego wzajemnie się równoważą. Cząsteczki na powierzchni cieczy nie mają sąsiadów na zewnątrz, a wynikająca z tego siła przyciągania skierowana jest do wnętrza cieczy. W rezultacie cała powierzchnia wody ma tendencję do kurczenia się pod wpływem tych sił. Łącznie efekt ten prowadzi do powstania tzw. siły napięcia powierzchniowego, która działa wzdłuż powierzchni cieczy i prowadzi do powstania na niej swego rodzaju niewidocznego, cienkiego i elastycznego filmu.

Jedną z konsekwencji efektu napięcia powierzchniowego jest to, że aby zwiększyć pole powierzchni cieczy – jej rozciągnięcie – należy wykonać pracę mechaniczną, aby pokonać siły napięcia powierzchniowego. W rezultacie, jeśli ciecz zostanie pozostawiona sama, ma ona tendencję do przyjmowania kształtu, w którym jej powierzchnia jest minimalna. Kształt ten jest oczywiście kulą - dlatego krople deszczu w locie przybierają kształt niemal kulisty (mówię "prawie", bo w locie krople są lekko rozciągnięte pod wpływem oporu powietrza). Z tego samego powodu krople wody na karoserii świeżo nawoskowanego samochodu zbierają się w koraliki.

Siły napięcia powierzchniowego są wykorzystywane w przemyśle, szczególnie przy odlewaniu kulistych kształtów, takich jak śrut do strzelby. Krople stopionego metalu po prostu zestalają się w locie, gdy zostaną zrzucone z wystarczającej wysokości, i same zestalają się w postaci kulek, zanim wpadną do pojemnika odbiorczego.

Możemy podać wiele przykładów działania sił napięcia powierzchniowego z naszego codziennego życia. Pod wpływem wiatru na powierzchni oceanów, mórz i jezior tworzą się zmarszczki i są to fale, w których skierowana ku górze siła wewnętrznego ciśnienia wody równoważy skierowana w dół siła napięcia powierzchniowego. Te dwie siły działają naprzemiennie i na wodzie tworzą się zmarszczki, podobnie jak fala powstaje w wyniku naprzemiennego rozciągania i ściskania struny instrumentu muzycznego.

To, czy ciecz zbierze się w postaci „perełek”, czy rozłoży się równomierną warstwą na powierzchni stałej, zależy od stosunku sił oddziaływania międzycząsteczkowego w cieczy, powodujących napięcie powierzchniowe, do sił przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy i twarda powierzchnia. Na przykład w wodzie w stanie ciekłym siły napięcia powierzchniowego powstają w wyniku wiązań wodorowych między cząsteczkami ( cm. Wiązania chemiczne). Powierzchnia szkła jest zwilżana wodą, ponieważ szkło zawiera dość dużo atomów tlenu, a woda łatwo tworzy wiązania wodorowe nie tylko z innymi cząsteczkami wody, ale także z atomami tlenu. Jeśli posmarujesz powierzchnię szkła tłuszczem, wiązania wodorowe nie utworzą się z powierzchnią, a woda będzie gromadzić się w kropelki pod wpływem wewnętrznych wiązań wodorowych, które decydują o napięciu powierzchniowym.

W przemyśle chemicznym do wody często dodaje się specjalne środki zwilżające - środki powierzchniowo czynne, - zapobiega gromadzeniu się kropel wody na dowolnej powierzchni. Dodawane są na przykład do płynnych detergentów do zmywarek. Dostając się do powierzchniowej warstwy wody, cząsteczki takich odczynników zauważalnie osłabiają siły napięcia powierzchniowego, woda nie zbiera się kroplami i nie pozostawia po wyschnięciu brudnych plam na powierzchni ( cm.

Kap, kap... Kolejna kropla zebrała się na wylewce kranu, spuchła i spadła. To zdjęcie jest znane każdemu. Albo ciepły letni deszcz nawadnia glebę pragnącą wilgoci - i znowu pojawiają się krople. Dlaczego krople? Jaki jest tutaj powód? To bardzo proste: powodem jest napięcie powierzchniowe wody.

Jest to jedna z właściwości wody lub szerzej wszystkich cieczy. Jak wiadomo, gaz wypełnia całą objętość, do której wchodzi, ale ciecz nie może tego zrobić. Cząsteczki znajdujące się w objętości wody są otoczone ze wszystkich stron tymi samymi cząsteczkami. Ale na te na powierzchni, na granicy cieczy i gazu, gaz nie oddziałuje ze wszystkich stron, ale tylko z tych cząsteczek, które znajdują się wewnątrz objętości;

W takim przypadku na powierzchnię cieczy będzie działać siła, skierowana wzdłuż niej prostopadle do części powierzchni, na którą działa. W wyniku działania tej siły powstaje napięcie powierzchniowe wody. Jego zewnętrzną manifestacją będzie utworzenie na styku czegoś w rodzaju niewidzialnej, elastycznej folii. Pod wpływem napięcia powierzchniowego kropla wody przybierze kształt kuli jako bryła o najmniejszej powierzchni przy danej objętości.

Teraz możemy zdefiniować, że napięcie powierzchniowe to praca wykonana w celu zmiany powierzchni cieczy. Z drugiej strony można ją zdefiniować jako energię potrzebną do rozbicia jednostki powierzchni. Napięcie powierzchniowe jest możliwe na styku cieczy i gazu. Jest ona wyznaczana przez siłę działającą pomiędzy cząsteczkami, a zatem odpowiada za lotność (parowanie). Im niższe napięcie powierzchniowe, tym bardziej lotna będzie ciecz.

Możesz określić, co jest równe. Wzór na jego obliczenie obejmuje pole powierzchni i Jak wspomniano wcześniej, współczynnik nie zależy od kształtu i wielkości powierzchni, ale zależy od siły oddziaływania międzycząsteczkowego, tj. rodzaj cieczy. Dla różnych cieczy jego wartość będzie inna.

Można zmieniać napięcie powierzchniowe wody. Uzyskuje się to poprzez ogrzewanie, dodanie substancji biologicznie aktywnych – takich jak mydło, proszek, pasta. Jego wartość zależy od stopnia czystości wody. Im czystsza woda, tym większe napięcie powierzchniowe, a jej wartość ustępuje jedynie rtęci.

Ciekawy efekt obserwuje się, gdy ciecz wchodzi w kontakt zarówno z ciałem stałym, jak i gazem. Jeśli na powierzchnię parafiny nałożymy kroplę wody, przybierze ona kształt kuli. Dzieje się tak dlatego, że siły działające pomiędzy parafiną a kroplą są mniejsze niż oddziaływanie między nimi, w wyniku czego pojawia się kula. Kiedy siły działające pomiędzy powierzchnią a kroplą są większe niż siły oddziaływania międzycząsteczkowego, woda rozleje się równomiernie po powierzchni. Zjawisko to nazywa się zwilżaniem.

Efekt zwilżalności może w pewnym stopniu charakteryzować stopień czystości powierzchni. Na czystej powierzchni kropla rozprowadza się równomiernie, a jeśli powierzchnia jest zabrudzona lub pokryta substancją niezwilżoną wodą, gromadzi się ona w kulki.

Przykładem zastosowania napięcia powierzchniowego w przemyśle jest odlewanie części kulistych, takich jak śrut do strzelby. Krople stopionego metalu po prostu zamarzają w locie, przybierając kulisty kształt.

Napięcie powierzchniowe wody, jak każdej innej cieczy, jest jednym z jej ważnych parametrów. Określa pewne cechy cieczy, takie jak lotność (parowanie) i zwilżalność. Jego wartość zależy wyłącznie od parametrów interakcji międzycząsteczkowych.

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

Wstęp

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

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

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

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

przeprowadzać eksperymenty ze zmniejszaniem i zwiększaniem napięcia powierzchniowego;

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

przetworzyć otrzymane dane i wyciągnąć wnioski.

Przedmiot badań: ciecze.

Głównym elementem. Napięcie powierzchniowe

Ryc. 1. G. Galileo

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

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

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

Doświadczenie nr 1

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

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

Doświadczenie na płaskowyżu (1849)

Ryż. 4. J.Plateau

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

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

Opcja doświadczenia na płaskowyżu nr 2

1) Do zlewki wlano olej słonecznikowy.

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

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

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

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

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

Współczynnik napięcia powierzchniowego

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

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

Eksperymenty z redukcją i powiększaniem

Zdjęcie 3

Doświadczenie nr 3

Dotknij środkiem powierzchni wody kawałkiem mydła.

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

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

Wniosek: napięcie powierzchniowe tych substancji jest mniejsze niż wody.

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

Na początku I wieku narodziło się mydło.

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

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

Świat stał się czysty, jak dobrze!

Ryc. 5. F. Gunter

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

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

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

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

Doświadczenie nr 4

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

2. Upuść 2 krople brylantowej zieleni na powierzchnię mleka

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

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

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

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

Doświadczenie nr 5

Wodę wlano do szerokiego szklanego naczynia.

Na powierzchnię wyrzucono kawałki piany.

Dotknij środka powierzchni wody kawałkiem cukru.

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

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

Doświadczenie nr 6

Usuwanie tłustych plam z powierzchni tkanin

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

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

Krótka teoria metody separacji kropli

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

Ryż. 7. a B C D

Proces powstawania i separacji kropelek

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

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

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

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

Mg = 2πrơ (2)

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

Ơ = mg/2πkR (3)

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

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

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

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

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

Opis urządzenia.

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

Postęp badania

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

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

Stosując kurek biuretowy, osiągnęliśmy natężenie przepływu kropli

15 kropli na minutę.

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

Zważyliśmy szklankę płynu. (M)

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

Obliczono współczynnik napięcia powierzchniowego.

Doświadczenie przeprowadzono trzykrotnie

Obliczono średnią wartość współczynnika napięcia powierzchniowego.

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

Tabela nr 1

Wyniki wyznaczania współczynnika napięcia powierzchniowego (N/m)

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

Wniosek:

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

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

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

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

Wniosek

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

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

3. Wyznaczać współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy

a) zbadano krótką teorię metody separacji kropli;

b) zaprojektowano i zmontowano układ doświadczalny;

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

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

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

Chciałbym zakończyć mój projekt słowami wielkiego fizyka

A. Einsteina:

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

Wykaz źródeł i wykorzystanej literatury

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

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

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

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

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

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

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

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

2 http://greenfuture.ru

W wyniku przyczepności na powierzchni wody powstaje napięcie, a aby rozbić powierzchnię wody, wymagana jest siła fizyczna i, co dziwne, dość znaczna. Na niezakłóconej powierzchni wody mogą utrzymać się przedmioty znacznie „cięższe” od wody, takie jak stalowa igła lub żyletka, lub niektóre owady, które ślizgają się po wodzie, jakby była ciałem stałym, a nie cieczą.

Ze wszystkich cieczy z wyjątkiem rtęci woda ma najwyższe napięcie powierzchniowe.

Wewnątrz cieczy wzajemne przyciąganie cząsteczek jest zrównoważone. Ale nie na powierzchni. Cząsteczki wody, które leżą głębiej, ściągają znajdujące się najwyżej cząsteczki. Dlatego kropla wody wydaje się dążyć do maksymalnego skurczenia się. Jest on ściągany razem przez siły napięcia powierzchniowego.

Fizycy dokładnie obliczyli, jaki ciężar należy zawiesić w słupie wody o grubości trzech centymetrów, aby go rozbić. Będziesz potrzebował ogromnej wagi - ponad sto ton! Ale wtedy woda jest wyjątkowo czysta. W przyrodzie nie ma takiej wody. Zawsze jest w nim coś rozpuszczonego. Nawet jeśli tylko trochę, obce substancje rozrywają ogniwa w mocnym łańcuchu cząsteczek wody, a siły adhezji między nimi maleją.

Jeśli na szklaną płytkę nałożymy krople rtęci, a na płytkę parafinową krople wody, to bardzo małe kropelki będą miały kształt kuli, a większe ulegną lekkiemu spłaszczeniu pod wpływem grawitacji.

Zjawisko to tłumaczy się tym, że pomiędzy rtęcią a szkłem, a także pomiędzy parafiną i wodą powstają siły przyciągania (adhezja), które są mniejsze niż pomiędzy samymi cząsteczkami (kohezja). Kiedy woda styka się z czystym szkłem, a rtęć styka się z metalową płytką, obserwujemy prawie równomierny rozkład obu substancji na płytach, ponieważ siły przyciągania pomiędzy szkłem a cząsteczkami wody, metalu i rtęci są większe niż przyciąganie pomiędzy pojedynczymi cząsteczkami wody i rtęci. Zjawisko to, gdy ciecz jest równomiernie rozmieszczona na powierzchni ciała stałego, nazywa się zwilżaniem. Oznacza to, że woda zwilża czyste szkło, ale nie zwilża parafiny. W szczególnym przypadku zwilżalność może wskazywać stopień zanieczyszczenia powierzchni. Np. na dokładnie umytym talerzu (porcelana, ceramika) woda rozpływa się równomiernie warstwą, w czysto umytej kolbie ściany są równomiernie pokryte wodą, ale jeśli woda na powierzchni przybiera postać kropelek, oznacza to, że powierzchnia naczynia pokryta jest cienką warstwą substancji nie zwilżanej wodą, najczęściej tłuszczem.

Napięcie powierzchniowe, chęć substancji (fazy ciekłej lub stałej) do zmniejszenia nadmiaru energii potencjalnej na styku z inną fazą (energia powierzchniowa). Zdefiniowana jako praca włożona w utworzenie jednostki powierzchni styku (wymiar J/m2). Według innej definicji, napięcie powierzchniowe- siła na jednostkę długości konturu ograniczającego granicę faz (wymiar N/m); siła ta działa stycznie do powierzchni i zapobiega jej samoistnemu wzrostowi.

Napięcie powierzchniowe- główna charakterystyka termodynamiczna warstwy powierzchniowej cieczy na granicy z fazą gazową lub inną cieczą. Napięcie powierzchniowe różnych cieczy na granicy z ich własnymi parami jest bardzo zróżnicowana: od jednostek dla skroplonych gazów niskowrzących do kilku tysięcy mN/m dla stopionych substancji ogniotrwałych. Napięcie powierzchniowe zależy od temperatury. W przypadku wielu jednoskładnikowych, niezwiązanych ze sobą cieczy (woda, stopione sole, ciekłe metale) oddalonych od temperatury krytycznej, zależność liniowa dobrze się sprawdza:

gdzie s i s 0 to napięcie powierzchniowe w temperaturach T I T odpowiednio 0, α≈0,1 mN/(m·K) - współczynnik temperaturowy napięcie powierzchniowe. Główna metoda regulacji napięcie powierzchniowe polega na zastosowaniu środków powierzchniowo czynnych (surfaktanty).

Napięcie powierzchniowe jest zawarty w wielu równaniach fizyki, chemii fizycznej i koloidowej, elektrochemii.

Definiuje następujące wielkości:

1. ciśnienie kapilarne, gdzie R 1 i R 2 - główne promienie krzywizny powierzchni i ciśnienie pary nasyconej R nad zakrzywioną powierzchnią cieczy: , gdzie R- promień krzywizny powierzchni, R- stała gazowa, Vn- objętość molowa cieczy, P 0 - ciśnienie nad płaską powierzchnią (prawa Lapplace'a i Kelvina, patrz Zjawiska kapilarne).

2. Kąt zwilżania θ w kontakcie cieczy z powierzchnią ciała stałego: cos, gdzie jest to właściwa swobodna energia powierzchniowa ciała stałego na granicy faz z gazem i cieczą, - napięcie powierzchniowe ciecze (prawo Younga, patrz Zwilżanie).

3. Adsorpcja środka powierzchniowo czynnego, gdzie μ jest potencjałem chemicznym zaadsorbowanej substancji (równanie Gibbsa, patrz Adsorpcja). Do rozcieńczonych roztworów, gdzie Z- stężenie molowe środka powierzchniowo czynnego.

4. Stan warstwy adsorpcyjnej środka powierzchniowo czynnego na powierzchni cieczy: (str S + a/A 2)·( A- B)=k T, gdzie str S=(s 0 -s) - ciśnienie dwuwymiarowe, odpowiednio s 0 i s napięcie powierzchniowe czysta ciecz i ta sama ciecz w obecności warstwy adsorpcyjnej, A- stała (analogiczna do stałej van der Waalsa), A- powierzchnia warstwy powierzchniowej na zaadsorbowaną cząsteczkę, B- obszar zajmowany przez 1 cząsteczkę cieczy, k- Stała Boltzmanna (równanie Frumkina-Volmera, patrz Aktywność powierzchniowa).

5. Efekt elektrokapilarny: - D S/ D f = r s, gdzie r s to gęstość ładunku powierzchniowego, f to potencjał elektrody (równanie Lipmana, patrz Zjawiska elektrokapilarne).

6. Praca tworzenia jądra krytycznego nowej fazy Toaleta. Na przykład podczas jednorodnej kondensacji pary pod ciśnieniem, gdzie P 0 - prężność pary nad płaską powierzchnią cieczy (równanie Gibbsa, patrz Pochodzenie nowej fazy).

7. Długość l fal kapilarnych na powierzchni cieczy: , gdzie ρ to gęstość cieczy, τ to okres drgań, G- przyśpieszenie grawitacyjne.

8. Sprężystość filmów cieczy z warstwą środka powierzchniowo czynnego: moduł sprężystości, gdzie S- obszar folii (równanie Gibbsa, patrz Cienkie folie).

Napięcie powierzchniowe mierzone dla wielu czystych substancji i mieszanin (roztworów, stopów) w szerokim zakresie temperatur i składu. Ponieważ napięcie powierzchniowe jest bardzo wrażliwy na obecność zanieczyszczeń, pomiary różnymi metodami nie zawsze dają te same wartości.

Główne metody pomiaru są następujące:

1. wzrost cieczy zwilżających w kapilarach. Wysokość podnoszenia, gdzie jest różnica gęstości cieczy i wypartego gazu, ρ - promień kapilary. Dokładność określenia napięcie powierzchniowe wzrasta wraz ze zmniejszaniem się współczynnika ρ/α (α - stała kapilarna cieczy).

2. Pomiar maksymalnego ciśnienia w pęcherzyku gazu (metoda Rebindera); Obliczenia opierają się na równaniu Laplace'a. Gdy pęcherzyk zostanie wciśnięty do cieczy przez skalibrowaną kapilarę o promieniu r przed momentem rozdzielenia, ciśnienie p m = 2σ/r

3. Metoda ważenia kropli (stalagmometria): (równanie Tate'a), gdzie G- waga całkowita N krople oddzielone pod wpływem siły ciężkości od nacięcia rurki kapilarnej o promieniu R. Aby poprawić dokładność, prawą stronę mnoży się przez współczynnik korekcyjny zależny od r i objętości kropli.

4. Metoda wyważania płyt (metoda Wilhelmy'ego). Podczas zanurzania płytki o obwodzie przekroju poprzecznego L do płynu zwilżającego jest ciężar płytki, gdzie G 0 - masa suchego talerza.

5. Metoda zrywania pierścienia (metoda Du Nouy). Aby oderwać pierścień druciany z promieniem R wymagana jest siła z powierzchni cieczy

6. Metoda kropli siedzącej. Profil kropli na niezwilżalne podłoże wyznacza się na podstawie warunku, że suma ciśnień hydrostatycznych i kapilarnych jest stała. Równanie różniczkowe profilu spadku rozwiązuje się poprzez całkowanie numeryczne (metoda Bashfortha-Adamsa). Mierząc parametry geometryczne profilu spadku, korzystając z odpowiednich tabel, znajdź napięcie powierzchniowe.

7. Metoda kropli rotacyjnej. Kroplę cieczy o gęstości r 1 umieszcza się w rurce z cięższą cieczą (o gęstości r 2). Kiedy rurka obraca się z prędkością kątową ω, kropla rozciąga się wzdłuż osi, przybierając w przybliżeniu kształt walca o promieniu R. Równanie projektowe: . Metodę tę stosuje się do pomiaru małych rozmiarów napięcie powierzchniowe na styku dwóch cieczy.

Napięcie powierzchniowe jest czynnikiem decydującym w wielu procesach technologicznych: flotacji, impregnacji materiałów porowatych, powlekaniu, działaniu detergentowym, metalurgii proszków, lutowaniu itp. Rola jest ogromna napięcie powierzchniowe w procesach zachodzących w stanie nieważkości.

Pojęcie napięcie powierzchniowe po raz pierwszy wprowadzony przez J. Segnera (1752). W pierwszej połowie XIX w. w oparciu o pomysł napięcie powierzchniowe rozwinęła się matematyczna teoria zjawisk kapilarnych (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). W drugiej połowie XIX w. J. Gibbs opracował termodynamiczną teorię zjawisk powierzchniowych, w której odgrywa ona decydującą rolę napięcie powierzchniowe. W XX wieku opracowywane są metody regulacji napięcie powierzchniowe z wykorzystaniem środków powierzchniowo czynnych i efektów elektrokapilarnych (I. Langmuir, P.A. Rebinder, A.H. Frumknn). Do współczesnych aktualnych problemów należy rozwój teorii molekularnej napięcie powierzchniowe różne ciecze (w tym stopione metale), wpływ krzywizny powierzchni napięcie powierzchniowe.