Čo určuje povrchové napätie kvapaliny? Prevodník povrchového napätia

Príťažlivé sily medzi molekulami na povrchu kvapaliny im bránia v pohybe mimo neho.

Molekuly kvapaliny zažívajú sily vzájomnej príťažlivosti - v skutočnosti sa kvapalina okamžite neodparí. Na molekuly vo vnútri kvapaliny pôsobia príťažlivé sily iných molekúl zo všetkých strán, a preto sa navzájom vyrovnávajú. Molekuly na povrchu kvapaliny nemajú vonkajších susedov a výsledná príťažlivá sila smeruje dovnútra kvapaliny. V dôsledku toho má celý povrch vody tendenciu sa pod vplyvom týchto síl zmršťovať. Celkovo tento efekt vedie k vytvoreniu takzvanej sily povrchového napätia, ktorá pôsobí pozdĺž povrchu kvapaliny a vedie k vytvoreniu akéhosi neviditeľného, ​​tenkého a elastického filmu na ňom.

Jedným z dôsledkov efektu povrchového napätia je, že na zväčšenie povrchovej plochy kvapaliny – jej natiahnutia – je potrebné vykonať mechanickú prácu na prekonanie síl povrchového napätia. V dôsledku toho, ak kvapalina zostane sama, má tendenciu nadobudnúť tvar, v ktorom je jej povrch minimálny. Tento tvar je, samozrejme, guľa - preto kvapky dažďa počas letu nadobúdajú takmer guľový tvar (hovorím "takmer", pretože pri lete sa kvapky mierne rozťahujú kvôli odporu vzduchu). Z rovnakého dôvodu sa kvapky vody na karosérii čerstvo navoskovaného auta zhromažďujú v perličkách.

Sily povrchového napätia sa využívajú v priemysle, najmä pri odlievaní guľových tvarov, ako sú brokové pelety. Kvapky roztaveného kovu sa pri páde z dostatočnej výšky nechajú za letu jednoducho stuhnúť a samy pred pádom do prijímacej nádoby stuhnú do tvaru guľôčok.

Môžeme uviesť mnoho príkladov pôsobenia síl povrchového napätia z nášho každodenného života. Vplyvom vetra sa na hladine oceánov, morí a jazier tvoria vlnky, pričom tieto vlnky sú vlny, pri ktorých je vzostupná sila vnútorného tlaku vody vyvážená zostupnou silou povrchového napätia. Tieto dve sily sa striedajú a na vode sa vytvárajú vlnky, rovnako ako sa vytvára vlna v dôsledku striedavého napínania a stláčania struny hudobného nástroja.

To, či sa kvapalina bude zhromažďovať v „guľôčkach“ alebo sa rozprestiera v rovnomernej vrstve po pevnom povrchu, závisí od pomeru síl medzimolekulovej interakcie v kvapaline spôsobujúcej povrchové napätie a príťažlivých síl medzi molekulami kvapaliny a pevný povrch. Napríklad v kvapalnej vode sú sily povrchového napätia spôsobené vodíkovými väzbami medzi molekulami ( cm. Chemické väzby). Povrch skla je zmáčaný vodou, pretože sklo obsahuje pomerne veľa atómov kyslíka a voda ľahko vytvára vodíkové väzby nielen s inými molekulami vody, ale aj s atómami kyslíka. Ak povrch skla namažete tukom, vodíkové väzby sa s povrchom nevytvoria a voda sa vplyvom vnútorných vodíkových väzieb, ktoré určujú povrchové napätie, zhromažďuje do kvapiek.

V chemickom priemysle sa do vody často pridávajú špeciálne zmáčadlá - povrchovo aktívne látky, - zabránenie hromadeniu kvapiek vody na akomkoľvek povrchu. Pridávajú sa napríklad do tekutých prostriedkov na umývanie riadu. Molekuly takýchto činidiel, ktoré sa dostanú do povrchovej vrstvy vody, výrazne oslabia sily povrchového napätia, voda sa nezhromažďuje v kvapkách a po vysušení nezanecháva na povrchu špinavé škvrny ( cm.

Kvapkať, kvapkať... Ďalšia kvapka nazbieraná na výlevke kohútika sa nafúkla a spadla. Tento obrázok pozná každý. Alebo teplý letný dážď zalieva pôdu túžiacu po vlahe – a opäť sú tu kvapky. Prečo kvapky? Aký je tu dôvod? Je to veľmi jednoduché: dôvodom je povrchové napätie vody.

Toto je jedna z vlastností vody alebo všeobecnejšie všetkých kvapalín. Ako viete, plyn vyplní celý objem, do ktorého vstupuje, ale kvapalina to nedokáže. Molekuly nachádzajúce sa vo vnútri objemu vody sú zo všetkých strán obklopené rovnakými molekulami. Ale tie na povrchu, na hranici kvapaliny a plynu, nie sú ovplyvnené zo všetkých strán, ale iba z tých molekúl, ktoré sa nachádzajú vo vnútri objemu, nie sú ovplyvnené plynom.

V tomto prípade bude na povrch kvapaliny pôsobiť sila smerujúca pozdĺž nej kolmo na časť povrchu, na ktorú pôsobí. V dôsledku tejto sily vzniká povrchové napätie vody. Jeho vonkajším prejavom bude vytvorenie niečoho ako neviditeľný, elastický film na rozhraní. Vplyvom povrchového napätia nadobudne kvapka vody tvar gule ako telesa, ktoré má pre daný objem najmenšiu plochu.

Teraz môžeme definovať, že povrchové napätie je práca vykonaná na zmenu povrchu kvapaliny. Na druhej strane ju možno definovať ako energiu potrebnú na rozbitie jednotky povrchu. Povrchové napätie je možné na rozhraní medzi kvapalinou a plynom. Je určená silou pôsobiacou medzi molekulami, a preto je zodpovedná za prchavosť (vyparovanie). Čím je povrchové napätie nižšie, tým je kvapalina prchavejšia.

Môžete určiť, čomu sa rovná Vzorec na jej výpočet zahŕňa plochu povrchu a Ako už bolo spomenuté, koeficient nezávisí od tvaru a veľkosti povrchu, ale je určený silou medzimolekulovej interakcie, t.j. druh kvapaliny. Pre rôzne kvapaliny bude jeho hodnota iná.

Povrchové napätie vody je možné meniť. To sa dosiahne zahrievaním, pridaním biologicky aktívnych látok - ako je mydlo, prášok, pasta. Jeho hodnota závisí od stupňa čistoty vody. Čím je voda čistejšia, tým je povrchové napätie väčšie a jej hodnota je na druhom mieste po ortuti.

Zvláštny efekt sa pozoruje, keď sa kvapalina dostane do kontaktu s pevnou látkou aj plynom. Ak na povrch parafínu nanesieme kvapku vody, získa tvar gule. Je to spôsobené tým, že sily pôsobiace medzi parafínom a kvapkou sú menšie ako vzájomné pôsobenie, v dôsledku čoho sa objaví guľa. Keď sú sily pôsobiace medzi povrchom a kvapkou väčšie ako sily medzimolekulovej interakcie, voda sa rozšíri rovnomerne po povrchu. Tento jav sa nazýva zmáčanie.

Efekt zmáčavosti môže do určitej miery charakterizovať stupeň čistoty povrchu. Na čistom povrchu sa kvapka rozprestiera rovnomerne a ak je povrch znečistený alebo pokrytý vodou nezmáčanou látkou, tá sa zhromažďuje do guľôčok.

Príkladom využitia povrchového napätia v priemysle je odlievanie guľových častí, ako sú brokové pelety. Kvapky roztaveného kovu jednoducho zamŕzajú a nadobúdajú guľovitý tvar.

Povrchové napätie vody, ako každej inej kvapaliny, je jedným z jej dôležitých parametrov. Určuje niektoré charakteristiky kvapaliny, ako je prchavosť (vyparovanie) a zmáčavosť. Jeho hodnota závisí len od parametrov medzimolekulovej interakcie.

Text práce je uverejnený bez obrázkov a vzorcov.
Plná verzia diela je dostupná v záložke „Pracovné súbory“ vo formáte PDF

Úvod

Vo svete okolo nás spolu s gravitáciou, elasticitou a trením existuje ďalšia sila, ktorej zvyčajne nevenujeme pozornosť. Táto sila pôsobí pozdĺž dotyčnice k povrchom všetkých kvapalín. Sila, ktorá pôsobí pozdĺž povrchu kvapaliny kolmo na čiaru ohraničujúcu tento povrch, má tendenciu ju zmenšiť na minimum, sa nazýva tzv. sila povrchového napätia. Je relatívne malý, jeho pôsobenie nikdy nespôsobuje silné účinky. Nemôžeme však naliať vodu do pohára, ani nemôžeme robiť nič so žiadnou tekutinou bez toho, aby sme do hry nevniesli sily povrchového napätia. Na efekty nazývané povrchové napätie sme si tak zvykli, že ich nevnímame. Prejavy povrchového napätia kvapalín v prírode a technike sú prekvapivo rôznorodé. Zohrávajú dôležitú úlohu v prírode a v našom živote. Bez nich by sme nemohli písať héliovými perami, náplne do tlačiarní by okamžite urobili veľkú škvrnu a vyprázdnili by celý zásobník. Ruky by sa nedalo namydliť – netvorila by sa pena. Slabý dážď by nás premočil a dúhu by nebolo možné vidieť bez ohľadu na počasie. Povrchové napätie zhromažďuje vodu do kvapôčok a vďaka povrchovému napätiu je možné vyfúknuť mydlovú bublinu. Pomocou pravidla „Prekvapte sa včas“ od belgického profesora Plateaua pre výskumníkov budeme v našej práci uvažovať o neobvyklých experimentoch.

Účel práce: experimentálne otestovať prejavy povrchového napätia kvapalín, určiť koeficient povrchového napätia kvapalín metódou oddeľovania kvapiek.

Študovať náučnú, populárno-náučnú literatúru, využívať materiály na internete na tému „Povrchové napätie“;

vykonajte pokusy, aby ste dokázali, že správny tvar kvapaliny je guľa;

vykonávať experimenty so znižovaním a zvyšovaním povrchového napätia;

navrhnúť a zostaviť experimentálnu zostavu, pomocou ktorej sa určí koeficient povrchového napätia niektorých kvapalín metódou separácie kvapiek.

spracovať prijaté údaje a vyvodiť záver.

Predmet štúdia: kvapaliny.

Hlavná časť. Povrchové napätie

Obr. 1. G. Galileo

Početné pozorovania a experimenty ukazujú, že kvapalina môže mať formu, v ktorej má jej voľný povrch najmenšiu plochu. Vo svojej túžbe po kontrakcii by povrchový film dal kvapaline guľový tvar, ak by ju nepriťahovala k Zemi. Čím menší je pokles, tým väčšiu úlohu zohrávajú sily povrchového napätia. Preto malé kvapky rosy na listoch stromov a na tráve majú pri voľnom páde tvar takmer guľovitý; Tendenciu kvapaliny zmršťovať sa na minimum možno pozorovať pri mnohých javoch, ktoré sa zdajú prekvapivé. Galileo sa zamyslel aj nad otázkou: prečo kvapky rosy, ktoré ráno videl na listoch kapusty, nadobúdajú guľovitý tvar? Tvrdenie, že kvapalina nemá svoj vlastný tvar, sa ukazuje ako nie celkom presné. Správnou formou kvapaliny je guľa ako najpriestrannejšia forma. Molekuly látky v kvapalnom stave sú umiestnené takmer blízko seba. Na rozdiel od pevných kryštalických telies, v ktorých molekuly tvoria usporiadané štruktúry v celom objeme kryštálu a môžu vykonávať tepelné vibrácie okolo pevných centier, majú molekuly kvapaliny väčšiu voľnosť. Každá molekula kvapaliny, rovnako ako v pevnej látke, je zo všetkých strán „obložená“ susednými molekulami a podlieha tepelným vibráciám okolo určitej rovnovážnej polohy. Z času na čas sa však môže ktorákoľvek molekula presunúť na blízke voľné miesto. Takéto skoky v kvapalinách sa vyskytujú pomerne často; preto molekuly nie sú viazané na špecifické centrá ako v kryštáloch a môžu sa pohybovať v celom objeme kvapaliny. To vysvetľuje tekutosť kvapalín. Vďaka silnej interakcii medzi tesne umiestnenými molekulami môžu vytvárať lokálne (nestabilné) usporiadané skupiny obsahujúce niekoľko molekúl. 1

Obrázok 2. Príklad usporiadania molekúl kvapaliny na krátke vzdialenosti a radu molekúl kryštalickej látky na veľké vzdialenosti: 1 - voda; 2 - ľad

Ako možno vysvetliť samovoľnú kontrakciu povrchu kvapaliny? Molekuly na povrchu a hlboko v kvapaline sú v rôznych podmienkach. Každá molekula vo vnútri kvapaliny je vystavená príťažlivým silám susedných molekúl, ktoré ju obklopujú zo všetkých strán. Výslednica týchto síl je nulová. Nad povrchom kvapaliny sa nachádza para, ktorej hustota je mnohonásobne menšia ako hustota kvapaliny a interakciu molekúl pary s molekulami kvapaliny možno zanedbať. Molekuly, ktoré sú na povrchu kvapaliny, sú priťahované iba molekulami, ktoré sú vo vnútri kvapaliny. Vplyvom týchto síl sú molekuly povrchovej vrstvy vťahované dovnútra, počet molekúl na povrchu klesá a plocha povrchu klesá. Ale nie všetky molekuly sa môžu pohybovať z povrchu do kvapaliny, tomu bránia odpudivé sily, ktoré vznikajú, keď sa vzdialenosti medzi molekulami zmenšujú. Pri určitých vzdialenostiach medzi molekulami vtiahnutými dovnútra a molekulami umiestnenými pod povrchom sa interakčné sily rovnajú nule a proces povrchovej kontrakcie sa zastaví. Počet molekúl zostávajúcich na povrchu je taký, že jeho plocha je minimálna pre daný objem kvapaliny. Keďže kvapalina je tekutá, má formu, v ktorej je počet molekúl na povrchu minimálny a guľa má minimálny povrch pre daný objem, to znamená, že kvapka kvapaliny má tvar blízky guľovitému tvaru. Najjednoduchší spôsob, ako pochopiť povahu síl povrchového napätia, je pozorovať tvorbu kvapky. Pozorne sa pozrite, ako kvapka postupne rastie, vytvorí sa zúženie - krčok - a kvapka sa odlomí. Netreba veľa fantázie, aby ste si predstavili, že voda je uzavretá v elastickom vrecku a tento vak sa rozbije, keď hmotnosť presiahne jeho silu. V skutočnosti v kvapke samozrejme nie je nič iné ako voda, no samotná povrchová vrstva vody sa správa ako natiahnutá elastická fólia. Film mydlovej bubliny vytvára rovnaký dojem.

Skúsenosť č.1

Trenie kvapaliny smerom k minimu potenciálnej energie možno pozorovať pomocou mydlových bublín. Mydlový film je dvojitá povrchová vrstva. Ak vyfúknete mydlovú bublinu a potom prestanete nafukovať, začne zmenšovať objem a vytlačí prúd vzduchu.

Povrchové napätie je jav molekulárneho tlaku na kvapalinu spôsobený priťahovaním molekúl povrchovej vrstvy k molekulám vo vnútri kvapaliny. 5

The Plateau Experience (1849)

Ryža. 4. J.Plateau

Gadfly, ktorá podnietila belgického profesora k experimentu, bola náhoda. Do zmesi alkoholu a vody omylom nalial malé množstvo oleja a tá nadobudla tvar gule. Platón sa zamyslel nad touto skutočnosťou a načrtol sériu experimentov, ktoré neskôr brilantne vykonali jeho priatelia a študenti. Vo svojom denníku napísal pravidlo pre výskumníkov: "Je čas nechať sa prekvapiť." Rozhodol som sa preskúmať Plateau zážitok, ale iným spôsobom: použiť v experimente slnečnicový olej a tónovanú mangánovú vodu.

Experiment dokazujúci, že homogénna kvapalina nadobúda tvar s minimálnym voľným povrchom

Možnosť zážitku z plošiny č. 2

1) Slnečnicový olej sa nalial do kadičky.

2) Pomocou očného kvapkadla kvapnite do slnečnicového oleja kvapku tónovanej mangánovej vody s priemerom približne 5 mm.

) Pozorovali sme vodné gule rôznych veľkostí, ktoré pomaly padali na dno a nadobúdali sploštený oválny tvar (foto 2).

5) Pozorovali sme, ako kvapka nadobudla správny tvar gule (foto 2).

Záver: Kvapalina, ktorá priťahuje molekuly povrchovej vrstvy, sa sama stlačí. Oválny sploštený tvar sa vysvetľuje tým, že hmotnosť kvapky, ktorá sa nemieša s olejom, je väčšia ako vztlaková sila. Správny tvar gule sa vysvetľuje tým, že kvapka pláva vo vnútri oleja: hmotnosť kvapky je vyvážená vztlakovou silou.

Pri voľnom páde, v stave beztiaže, majú dažďové kvapky prakticky tvar gule. V kozmickej lodi nadobudne sférický tvar aj pomerne veľká masa kvapaliny.

Koeficient povrchového napätia

Pri absencii vonkajšej sily pôsobí sila povrchového napätia pozdĺž povrchu kvapaliny, čo znižuje povrchovú plochu filmu na minimum. Sila povrchového napätia je sila smerujúca tangenciálne k povrchu kvapaliny, kolmá na úsek obrysu, ktorý ohraničuje povrch, v smere jej kontrakcie.

Ơ - koeficient povrchového napätia - je to pomer modulu F sily povrchového napätia pôsobiacej na hranici povrchovej vrstvy ℓ k tejto dĺžke, konštantná hodnota nezávislá od dĺžky ℓ. Koeficient povrchového napätia závisí od charakteru okolitého média a teploty. Vyjadruje sa v newtonoch na meter (N/m).

Experimenty s redukciou a zvýšením

Fotka 3

Skúsenosť č.3

Dotknite sa stredu hladiny vody kúskom mydla.

Kusy peny sa začnú pohybovať od stredu k okrajom nádoby (foto 3).

Do stredu nádoby spadol benzín, alkohol, čistiaci prostriedok "víla"

Záver: Povrchové napätie týchto látok je menšie ako u vody.

Tieto látky sa používajú na odstránenie nečistôt, mastných škvŕn, sadzí, t.j. látky, ktoré sú nerozpustné vo vode Kvôli dosť vysokému povrchovému napätiu samotná voda nemá veľmi dobrý čistiaci účinok. Napríklad, keď sa molekuly vody dostanú do kontaktu so škvrnou, priťahujú sa k sebe viac ako častice nerozpustnej špiny Mydlá a syntetické detergenty (SDC) obsahujú látky, ktoré znižujú povrchové napätie vody. Prvé mydlo, najjednoduchší prací prostriedok, bolo získané na Blízkom východe pred viac ako 5000 rokmi. Najprv sa používal najmä na umývanie a liečenie vredov a rán. A to až v 1. storočí nášho letopočtu. muž sa začal umývať mydlom.

Začiatkom 1. storočia sa zrodilo mydlo.

Človeka to zachránilo pred špinou a od mladosti sa stal čistým.

Hovorím vám o mydle, ktoré čoskoro zrodilo: šampón, gél, prášok.

Svet sa stal čistým, aký je dobrý!

Obr. 5. F. Gunther

Čistiace prostriedky sú prírodné a syntetické látky s čistiacim účinkom, najmä mydlo a pracie prášky používané v každodennom živote, priemysle a službách. Mydlo sa získava ako výsledok chemickej interakcie tuku a zásady. S najväčšou pravdepodobnosťou bol objavený čistou náhodou, keď sa mäso vyprážalo na ohni a tuk stekal na popol, ktorý má zásadité vlastnosti. Výroba mydla má dlhú históriu, ale prvý syntetický prací prostriedok (SDC) sa objavil v roku 1916, vynašiel ho nemecký chemik Fritz Gunther na priemyselné účely. Domáce SMS, viac-menej neškodné pre ruky, sa začali vydávať v roku 1933. Odvtedy sa vyvinulo množstvo syntetických detergentov (SDC) na úzke účely a ich výroba sa stala dôležitým odvetvím chemického priemyslu.

Voda sama o sebe nemá dostatočný čistiaci účinok kvôli povrchovému napätiu. Keď sa molekuly vody dostanú do kontaktu so škvrnou, priťahujú sa k sebe namiesto toho, aby zachytávali čiastočky nečistôt, inými slovami, nečistoty nezmáčajú.

Mydlá a syntetické pracie prostriedky obsahujú látky, ktoré zvyšujú zmáčacie vlastnosti vody znížením povrchového napätia. Tieto látky sa nazývajú povrchovo aktívne látky (tenzidy), pretože pôsobia na povrch kvapaliny.

V súčasnosti sa výroba SMS stala dôležitým odvetvím chemického priemyslu. Tieto látky sú tzv povrchovo aktívna látka(tenzidy), pretože pôsobia na povrch kvapaliny. Molekuly povrchovo aktívnej látky môžu byť reprezentované ako pulce. „Držia sa“ vody hlavami a tuku „chvostmi“. Keď sa povrchovo aktívne látky zmiešajú s vodou, ich molekuly na povrchu smerujú „hlavami“ nadol a „chvosty“ von. Tým, že tieto molekuly rozrušujú povrch vody týmto spôsobom, výrazne znižujú účinok povrchového napätia, čím pomáhajú vode prenikať do tkaniva. Tými istými „chvoskami“ molekuly povrchovo aktívnej látky (obr. 6) zachytávajú molekuly tuku, s ktorými sa stretávajú. 2

Skúsenosť č.4

1.Nalejte mlieko do tanierika tak, aby pokrývalo dno (foto 4)

2. Nakvapkajte 2 kvapky brilantnej zelenej na povrch mlieka

3. Pozorovali sme, ako sa žiarivá zelená „unášala“ od stredu k okrajom. Dve kvapky brilantnej zelenej pokrývajú väčšinu povrchu mlieka! (Foto 5)

Záver: povrchové napätie brilantnej zelenej je oveľa menšie ako u mlieka.

4. „Rozprávkový“ prostriedok na umývanie riadu bol nakvapkaný na povrch brilantnej zelene, videli sme, ako sa tento prostriedok rozlial po celom povrchu (foto 6).

Záver: Povrchové napätie čistiaceho prostriedku je menšie ako povrchové napätie brilantnej zelene.

Skúsenosť č.5

Voda sa naliala do širokej sklenenej nádoby.

Na povrch sa hádzali kúsky peny.

Dotknite sa stredu hladiny vody kúskom cukru.

Polystyrénové úponky sa začínajú pohybovať od okrajov nádoby smerom do stredu (foto 7).

Záver: Povrchové napätie vodného roztoku cukru je väčšie ako povrchové napätie čistej vody.

Skúsenosť č.6

Odstraňovanie mastných škvŕn z povrchu látky

Vatu sme navlhčili benzínom a touto vatou navlhčili okraje škvrny (nie samotnú škvrnu). Benzín znižuje povrchové napätie, takže tuk sa hromadí v strede škvrny a môže sa odtiaľ odstrániť, ak namočíte samotnú škvrnu rovnakou vatou, môže sa zväčšiť v dôsledku zníženia povrchového napätia.

Na experimentálne stanovenie hodnoty povrchového napätia kvapaliny možno použiť proces tvorby a oddeľovania kvapiek vytekajúcich z kvapkadla.

Stručná teória metódy kvapkovej separácie

Malý objem samotnej kvapaliny nadobúda tvar blízko gule, pretože v dôsledku malej hmotnosti kvapaliny je gravitačná sila, ktorá na ňu pôsobí, tiež malá. To vysvetľuje sférický tvar malých kvapiek kvapaliny. Obrázok 1 zobrazuje fotografie zobrazujúce rôzne štádiá procesu tvorby a oddeľovania kvapiek. Fotografia bola urobená pomocou vysokorýchlostného filmovania; môžeme predpokladať, že v každom okamihu je v rovnováhe. Povrchové napätie spôsobuje kontrakciu povrchu kvapky, má tendenciu dať kvapke guľovitý tvar. Gravitácia umiestňuje ťažisko kvapky čo najnižšie. V dôsledku toho sa kvapka javí ako pretiahnutá (obr. 7a).

Ryža. 7. a B C d

Proces tvorby a separácie kvapiek

Čím väčší je pokles, tým väčšiu úlohu zohráva potenciálna energia gravitácie. Ako kvapka rastie, väčšina hmoty sa zhromažďuje na dne a na kvapke sa vytvára hrdlo (obr. 7b). Sila povrchového napätia smeruje vertikálne tangenciálne ku krku a vyrovnáva gravitačnú silu pôsobiacu na kvapku. Teraz stačí, aby sa kvapka dosť zväčšila a sily povrchového napätia už nevyrovnávajú silu gravitácie. Hrdlo kvapky sa rýchlo zužuje (obr. 7c) a následkom toho sa kvapka odlomí (obr. 7d).

Metóda merania koeficientu povrchového napätia niektorých kvapalín je založená na vážení kvapiek. V prípade pomalého prúdenia kvapaliny z malého otvoru závisí veľkosť vytvorených kvapiek od hustoty kvapaliny, koeficientu povrchového napätia, veľkosti a tvaru otvoru, ako aj od rýchlosti prúdenia. . Keď zmáčacia kvapalina pomaly vyteká zo zvislej valcovej rúrky, výsledná kvapka má tvar znázornený na obrázku 8. Polomer r hrdla kvapky súvisí s vonkajším polomerom rúrky R vzťahom r = kR (1)

kde k je koeficient závislý od veľkosti trubice a prietoku.

V momente oddelenia, hmotnosť kvapky sa musí rovnať výslednici síl povrchového napätia pôsobiacich po dĺžke rovnajúcej sa dĺžke obrysu krku v jeho najužšej časti. Môžeme teda písať

Mg = 2πrơ (2)

Dosadením hodnoty polomeru hrdla r z rovnosti (1) a jej riešením dostaneme

Ơ = mg/2πkR (3)

Na určenie hmotnosti kvapky sa do pohára so známou hmotnosťou odváži určitý počet n kvapiek. Ak je hmotnosť šálky bez kvapiek a s kvapkami M 0 a M, potom hmotnosť jednej kvapky

Dosadením posledného výrazu do vzorca (3) a zavedením jeho priemeru d namiesto polomeru rúrky dostaneme vzorec na výpočet

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Výskumná práca „Stanovenie koeficientu povrchového napätia niektorých kvapalín metódou oddeľovania kvapiek“

Účel štúdie: určiť koeficient povrchového napätia kvapaliny odtrhnutím kvapiek niektorých kvapalín. Zariadenia: inštalácia na meranie koeficientu povrchového napätia, váhy, závažia, pohár, strmeň, stopky. Materiály: čistiace prostriedky: „Víla“, „Aos“, mlieko, alkohol, benzín, práškové roztoky: „Mýtus“, „Persil“, šampóny "Fruttis", « Pantene», "Schauma" a " Fruttis",sprchové gély" Sensen», "Monpensier" a " Objavte».

Popis zariadenia.

Na určenie koeficientu povrchového napätia bola zostavená zostava pozostávajúca zo statívu, na ktorý bola nainštalovaná byreta s testovanou kvapalinou. Na konci byrety je pripevnený hrot trubice, na konci ktorej sa vytvorí kvapka. Kvapky sa odvážili do špeciálneho pohára.

Priebeh štúdie

Pomocou posuvného meradla sa trikrát zmeral priemer hrotovej trubice a vypočítala sa priemerná hodnota d.

Na váhe sa odvážil čistý, suchý pohár (M 0).

Pomocou byretového kohútika sme dosiahli rýchlosť toku kvapiek

15 kvapiek za minútu.

60 kvapiek tekutiny sa nalialo z byrety do pohára, pričom sa presne počítalo množstvo kvapiek.

Odvážili sme pohár tekutiny. (M)

Získané hodnoty dosadíme do vzorca ơ = ((M-M0)g)/πkdn

Vypočítal sa koeficient povrchového napätia.

Experiment sa uskutočnil trikrát

Vypočítala sa priemerná hodnota koeficientu povrchového napätia.

Koeficient povrchového napätia v sústave SI sa meria v N/m.

Tabuľka č.1

Výsledky stanovenia koeficientu povrchového napätia (N/m)

Záver: Zo študovaných kuchynských čistiacich prostriedkov, pričom všetky ostatné parametre ovplyvňujúce kvalitu „umývania“ sú rovnaké, je lepšie použiť produkt „ Víla" Zo študovaných pracích práškov " Mýtus“, pretože Práve ich riešenia majú najnižšie povrchové napätie. Preto prvý liek („ Víla") lepšie pomáha zmývať vo vode nerozpustné tuky z riadu, pretože je emulgátorom - prostriedkom, ktorý uľahčuje výrobu emulzií (suspenzie najmenších častíc tekutej látky vo vode). Po druhé („ Mýtus") lepšie perie bielizeň, preniká do pórov medzi vláknami tkanín. Upozorňujeme, že pri použití kuchynských čistiacich prostriedkov nútime látku (najmä tuk) aspoň na chvíľu rozpustiť vo vode, pretože je „rozdrvený“ na drobné čiastočky. Počas tejto doby sa odporúča skôr opláchnuť nanesený umývací prostriedok prúdom čistej vody, ako oplachovať riad po určitom čase v nádobe. Okrem toho sa skúmalo povrchové napätie šampónov a sprchových gélov. Kvôli pomerne vysokej viskozite týchto kvapalín je ťažké presne určiť ich koeficient povrchového napätia, ale dá sa to porovnať. Šampóny boli študované (metódou odtrhnutia kvapiek) „Pantene», "Schauma" a " Fruttis" ako aj sprchové gély“ Sensen», "Monpensier" a " Objavte».

Záver:

V šampónoch sa povrchové napätie v určitom rozsahu znižuje "Fruttis" - "Schauma" - "Pantene" v géloch - v rade "Monpensier" - "Objaviť" - "Zmysly".

Povrchové napätie šampónov je menšie ako povrchové napätie gélov (napr. Pantene» < «Zmysly„o 65 mN/m), čo odôvodňuje ich účel: šampóny – na umývanie vlasov, gély – na umývanie tela.

So všetkými ostatnými identickými vlastnosťami ovplyvňujúcimi kvalitu umývania je lepšie použiť študované šampóny. "Pantene" (obr. 9), zo študovaných sprchových gélov - „Zmysly“ (obr. 10).

Metóda trhania kvapiek, aj keď nie veľmi presná, sa však v lekárskej praxi používa. Touto metódou sa na diagnostické účely zisťuje povrchové napätie cerebrospinálnej tekutiny, žlče atď.

Záver

1. Získalo sa experimentálne potvrdenie teoretických záverov , čo dokazuje, že homogénna kvapalina nadobúda tvar s minimálnym voľným povrchom

2. Boli uskutočnené pokusy so znižovaním a zvyšovaním povrchového napätia, ktorých výsledky dokázali, že mydlo a syntetické detergenty obsahujú látky, ktoré znižovaním sily povrchového napätia zvyšujú zmáčacie vlastnosti vody.

3. Stanoviť koeficient povrchového napätia kvapalín

a) študovala sa stručná teória metódy oddeľovania kvapiek;

b) bolo navrhnuté a zostavené experimentálne usporiadanie;

c) vypočítali sa priemerné hodnoty koeficientu povrchového napätia rôznych kvapalín a vyvodili sa závery.

4. Výsledky pokusov a výskumov sú prezentované vo forme tabuliek a fotografií.

Práca na projekte mi umožnila získať širšie znalosti v sekcii fyziky „Povrchové napätie“.

Svoj projekt by som rád ukončil slovami veľkého fyzika

A. Einstein:

"Stačí mi zažiť pocit večného tajomstva života, uvedomiť si a intuitívne pochopiť nádhernú štruktúru všetkých vecí a aktívne sa snažiť uchopiť aj to najmenšie zrnko inteligencie, ktorá sa prejavuje v prírode."

Zoznam použitých zdrojov a literatúry

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

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

Bukhovtsev B.B., Klimontovič Yu.L., Myakishev G.Ya., Fyzika, učebnica pre 9. ročník strednej školy - 4. vydanie - M.: Vzdelávanie, 1988 - 271 s.

Kasyanov V.A., Fyzika, 10. ročník, učebnica pre všeobecnovzdelávacie inštitúcie, M.: Drop, 2001. - 410 s.

Pinsky A.A. Fyzika: učebnica. Príručka pre 10 ročníkov s hĺbkovým štúdiom fyziky. M.: Vzdelávanie, 1993. - 416 s.

Yufanova I.L. Zábavné večery z fyziky na strednej škole: kniha pre učiteľov. - M.: Školstvo, 1990. -215 s

Chuyanov V.Ya., Encyklopedický slovník mladého fyzika, M.: Pedagogika, 1984. - 350 s.

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

2 http://greenfuture.ru

V dôsledku priľnavosti sa na povrchu vody vytvára napätie a na pretrhnutie povrchu vody je potrebná fyzická sila, ktorá je napodiv dosť významná. Nerušená vodná hladina môže podporovať predmety, ktoré sú oveľa „ťažšie“ ako voda, ako je oceľová ihla alebo žiletka, alebo určitý hmyz, ktorý kĺže vodou, akoby to bola pevná látka a nie kvapalina.

Voda má zo všetkých kvapalín okrem ortuti najvyššie povrchové napätie.

Vo vnútri kvapaliny je vzájomná príťažlivosť molekúl vyvážená. Nie však na povrchu. Molekuly vody, ktoré ležia hlbšie, ťahajú nadol najvyššie položené molekuly. Preto sa zdá, že kvapka vody sa snaží čo najviac zmenšiť. Je ťahaný k sebe silami povrchového napätia.

Fyzici presne vypočítali, aké závažie je potrebné zavesiť do stĺpca vody hrubého tri centimetre, aby sa rozbilo. Budete potrebovať obrovskú váhu - viac ako sto ton! Ale práve vtedy je voda mimoriadne čistá. Takáto voda v prírode neexistuje. Vždy je v nej niečo rozpustené. Cudzorodé látky, aj keď len trochu, prerušia články v silnom reťazci molekúl vody a adhézne sily medzi nimi sa znížia.

Ak nanesiete kvapky ortuti na sklenenú dosku a kvapky vody na parafínovú dosku, potom budú mať veľmi malé kvapôčky tvar gule a väčšie budú vplyvom gravitácie mierne sploštené.

Tento jav sa vysvetľuje tým, že medzi ortuťou a sklom, ako aj medzi parafínom a vodou vznikajú príťažlivé sily (adhézia), ktoré sú menšie ako medzi molekulami samotnými (kohézia). Keď sa voda dostane do kontaktu s čistým sklom a ortuť sa dostane do kontaktu s kovovou platňou, pozorujeme takmer rovnomerné rozloženie oboch látok na platniach, pretože príťažlivé sily medzi molekulami skla a vody, kovom a molekulami ortuti sú väčšie ako príťažlivosť medzi jednotlivými molekulami vody a ortuti. Tento jav, keď je kvapalina rovnomerne umiestnená na povrchu pevnej látky, sa nazýva zmáčanie. To znamená, že voda zmáča čisté sklo, ale nezmáča parafín. V konkrétnom prípade môže zmáčavosť indikovať stupeň povrchovej kontaminácie. Napríklad na čisto umytom tanieri (porcelán, kamenina) sa voda rozprestrie v rovnomernej vrstve, v čisto umytej banke sú steny rovnomerne pokryté vodou, ale ak má voda na povrchu formu kvapiek, znamená to, že povrch riadu je pokrytý tenkou vrstvou látky, ktorá nie je zmáčaná vodou, najčastejšie tukom.

Povrchové napätie, túžba látky (kvapalnej alebo tuhej fázy) znížiť svoju nadbytočnú potenciálnu energiu na rozhraní s inou fázou (povrchová energia). Definuje sa ako práca vynaložená na vytvorenie jednotky plochy rozhrania (rozmer J/m 2). Podľa inej definície, povrchové napätie- sila na jednotku dĺžky obrysu obmedzujúca fázové rozhranie (rozmer N/m); táto sila pôsobí tangenciálne k povrchu a bráni jej samovoľnému nárastu.

Povrchové napätie- hlavná termodynamická charakteristika povrchovej vrstvy kvapaliny na hranici s plynnou fázou alebo inou kvapalinou. Povrchové napätie rôznych kvapalín na hranici s ich vlastnou parou sa značne líši: od jednotiek pre skvapalnené nízkovriace plyny až po niekoľko tisíc mN/m pre roztavené žiaruvzdorné látky. Povrchové napätie závisí od teploty. Pre mnoho jednozložkových neasociovaných kvapalín (voda, roztavené soli, tekuté kovy) ďaleko od kritickej teploty platí lineárna závislosť:

kde s a s 0 sú povrchové napätie pri teplotách T A T 0 podľa toho, α≈0,1 mN/(m K) - teplotný koeficient povrchové napätie. Hlavná metóda regulácie povrchové napätie spočíva v použití povrchovo aktívnych látok (tenzidov).

Povrchové napätie je obsiahnutá v mnohých rovniciach fyziky, fyzikálnej a koloidnej chémie, elektrochémie.

Definuje tieto množstvá:

1. kapilárny tlak, kde r 1 a r 2 - hlavné polomery zakrivenia povrchu a tlak nasýtených pár r nad zakriveným povrchom kvapaliny: , kde r- polomer zakrivenia povrchu, R- plynová konštanta, Vn- molárny objem kvapaliny, p 0 - tlak nad rovným povrchom (Lapplaceove a Kelvinove zákony, pozri Kapilárne javy).

2. Kontaktný uhol θ pri kontakte kvapaliny s povrchom tuhej látky: cos, kde je špecifická voľná povrchová energia tuhej látky na rozhraní s plynom a kvapalinou, - povrchové napätie kvapaliny (Youngov zákon, pozri Zmáčanie).

3. Adsorpcia povrchovo aktívnych látok, kde μ je chemický potenciál adsorbovanej látky (Gibbsova rovnica, pozri Adsorpcia). Pre zriedené roztoky kde s- molárna koncentrácia povrchovo aktívnej látky.

4. Stav adsorpčnej vrstvy povrchovo aktívnej látky na povrchu kvapaliny: (str s + a/A 2)·( A- b)=k T, kde p s=(s 0 -s) - dvojrozmerný tlak, s 0 a s - resp povrchové napätiečistá kvapalina a tá istá kvapalina v prítomnosti adsorpčnej vrstvy, A- konštanta (analogická s van der Waalsovou konštantou), A- plocha povrchovej vrstvy na adsorbovanú molekulu, b- plocha, ktorú zaberá 1 molekula kvapaliny, k- Boltzmannova konštanta (Frumkin-Volmerova rovnica, pozri Povrchová aktivita).

5. Elektrokapilárny efekt: - d s/ d f = r s, kde r s je hustota povrchového náboja, f je elektródový potenciál (Lipmanova rovnica, pozri Elektrokapilárne javy).

6. Práca na vytvorení kritického jadra novej fázy W c. Napríklad pri homogénnej kondenzácii pary pri tlaku, kde p 0 - tlak pár nad plochým povrchom kvapaliny (Gibbsova rovnica, pozri Vznik novej fázy).

7. Dĺžka l kapilárnych vĺn na povrchu kvapaliny: , kde ρ je hustota kvapaliny, τ je doba kmitania, g- gravitačné zrýchlenie.

8. Elasticita tekutých filmov s vrstvou povrchovo aktívnej látky: modul pružnosti, kde s- plocha filmu (Gibbsova rovnica, pozri Tenké filmy).

Povrchové napätie merané pre mnohé čisté látky a zmesi (roztoky, taveniny) v širokom rozsahu teplôt a zložení. Pretože povrchové napätie je veľmi citlivý na prítomnosť nečistôt, merania pomocou rôznych metód nedávajú vždy rovnaké hodnoty.

Hlavné metódy merania sú nasledovné:

1. stúpanie zmáčacích kvapalín v kapilárach. Výška zdvihu, kde je rozdiel v hustotách kvapaliny a vytlačeného plynu, ρ - polomer kapiláry. Presnosť stanovenia povrchové napätie rastie s klesajúcim pomerom ρ/α (α - kapilárna konštanta kvapaliny).

2. Meranie maximálneho tlaku v plynovej bubline (Rebinderova metóda); Výpočet je založený na Laplaceovej rovnici. Keď sa bublina stlačí do kvapaliny cez kalibrovanú kapiláru s polomerom r pred momentom oddelenia, tlak p m = 2σ/r

3. Spôsob váženia kvapiek (stalagmometria): (Tateova rovnica), kde G- Celková váha n kvapky oddelené vplyvom gravitácie z rezu kapiláry s polomerom r. Na zlepšenie presnosti sa pravá strana vynásobí korekčným faktorom v závislosti od r a objemu kvapky.

4. Metóda vyvažovania platní (Wilhelmyho metóda). Pri ponorení platne s obvodom prierezu L do zmáčacej tekutiny je hmotnosť dosky, kde G 0 - hmotnosť suchého plechu.

5. Metóda odtrhnutia prsteňa (Du Nouy metóda). Na odtrhnutie drôteného krúžku s polomerom R sila je potrebná od povrchu kvapaliny

6. Metóda sedenia kvapiek. Profil kvapky na nezmáčateľnom podklade sa určí z podmienky, že súčet hydrostatického a kapilárneho tlaku je konštantný. Diferenciálna rovnica profilu poklesu je riešená numerickou integráciou (metóda Bashforth-Adams). Meraním geometrických parametrov profilu poklesu pomocou príslušných tabuliek nájdite povrchové napätie.

7. Metóda rotačnej kvapky. Kvapka kvapaliny s hustotou r 1 sa umiestni do skúmavky s ťažšou (hustota r 2) kvapalinou. Keď sa trubica otáča uhlovou rýchlosťou ω, kvapka sa natiahne pozdĺž osi, pričom má približne tvar valca s polomerom r. Návrhová rovnica: . Metóda sa používa na meranie malých povrchové napätie na rozhraní dvoch kvapalín.

Povrchové napätie je určujúcim faktorom v mnohých technologických procesoch: flotácia, impregnácia poréznych materiálov, nátery, pôsobenie detergentov, prášková metalurgia, spájkovanie atď. povrchové napätie v procesoch prebiehajúcich v nulovej gravitácii.

koncepcia povrchové napätie prvýkrát predstavil J. Segner (1752). V prvej polovici 19. stor. na základe myšlienky povrchové napätie bola vypracovaná matematická teória kapilárnych javov (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). V druhej polovici 19. stor. J. Gibbs vypracoval termodynamickú teóriu povrchových javov, v ktorej zohráva rozhodujúcu úlohu povrchové napätie. V 20. storočí metódy regulácie sa vyvíjajú povrchové napätie pomocou surfaktantov a elektrokapilárnych efektov (I. Langmuir, P.A. Rebinder, A.H. Frumknn). Medzi moderné aktuálne problémy patrí rozvoj molekulárnej teórie povrchové napätie rôzne kvapaliny (vrátane roztavených kovov), vplyv zakrivenia povrchu na povrchové napätie.