Що таке поверхневий натяг. Хімія нафти. Результат дії поверхневого натягу

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версіяроботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Вступ

У навколишньому світі поряд з тяжінням, пружністю та тертям діє ще одна сила, на яку ми зазвичай не звертаємо увагу. Ця сила діє вздовж дотичної поверхні всіх рідин. Силу, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, що обмежує цю поверхню, прагне скоротити її до мінімуму, називають силою поверхневого натягу. Вона порівняно мала, її дія ніколи не викликає сильних ефектів. Тим не менш, ми не можемо налити воду в склянку, взагалі нічого не можемо зробити з якоюсь рідиною без того, щоб не привести в дію сили поверхневого натягу. До ефектів, які називають поверхневим натягом, ми настільки звикли, що не помічаємо їх. Напрочуд різноманітні прояви поверхневого натягу рідини в природі та техніці. У природі та в нашому житті вони відіграють важливу роль. Без них ми не могли б писати гелієвими ручками, картриджив принтерах відразу ж ставили б велику ляпку, спорожнивши весь свій резервуар. Не можна було б намилити руки – піна не утворилася б. Слабкий дощ промочив би нас наскрізь, а веселку не можна було б бачити за жодної погоди. Поверхневий натяг збирає воду в краплі і завдяки поверхневому натягу можна видути мильний міхур. Використовуючи правило "Вчасно дивуватися" бельгійського професора Плато для дослідників, розглянемо в роботі незвичайні досліди.

Мета роботи: експериментально перевірити прояви поверхневого натягу рідини, визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідин методом відриву крапель.

Вивчити навчальну, науково-популярну літературу, використовувати матеріали у мережі «Інтернет» на тему «Поверхневий натяг»;

зробити досліди, що доводять, що власна форма рідини - куля;

провести експерименти зі зменшенням та збільшенням поверхневого натягу;

сконструювати та зібрати експериментальну установку, за допомогою якої визначити коефіцієнт поверхневого натягу деяких рідин методом відриву крапель.

обробити отримані дані та зробити висновок.

Об'єкт дослідження: рідини.

Основна частина. Поверхневий натяг

Рис 1. Г. Галілей

Численні спостереження та досліди показують, що рідина може приймати таку форму, при якій її вільна поверхня має найменшу площу. У своєму прагненні скоротитися поверхнева плівка надавала б рідини сферичну форму, якби не тяжіння Землі. Чим менше крапля, тим більшу роль відіграють сили поверхневого натягу. Тому маленькі крапельки роси на листі дерев, на траві близькі формою до кулі, при вільному падінні дощові краплі майже строго кулясті. Прагнення рідини скорочуватися до можливого мінімуму можна спостерігати на багатьох явищах, які здаються дивовижними. Ще Галілей замислювався над питанням: чому краплі роси, які він бачив вранці на листі капусти, набувають кулястої форми? Твердження, що рідина немає своєї форми, виявляється не зовсім точним. Власна форма рідини - куля як найбільш ємна форма. Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють упорядковані структури у всьому обсязі кристала і можуть здійснювати теплові коливання біля фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, як і у твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і здійснює теплові коливання близько певного положення рівноваги. Однак іноді будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять декілька молекул. 1

Рис 2. Приклад ближнього порядку молекул рідини та далекого порядку молекул кристалічної речовини: 1 – вода; 2 - лід

А як можна пояснити мимовільне скорочення поверхні рідини? Молекули на поверхні та в глибині рідини знаходяться у різних умовах. На кожну молекулу всередині рідини діють сили тяжіння з боку сусідніх молекул, що оточують її з усіх боків. Результуюча цих сил дорівнює нулю. Над поверхнею рідини знаходиться пара, щільність якої в багато разів менша за щільність рідини, і взаємодією молекул пари з молекулами рідини можна знехтувати. Молекули, що знаходяться на поверхні рідини, притягуються лише молекулами, що знаходяться усередині рідини. Під впливом цих сил молекули поверхневого шару втягуються всередину, число молекул лежить на поверхні зменшується, площа поверхні скорочується. Не всі молекули можуть з поверхні піти всередину рідини, цьому перешкоджають сили відштовхування, що виникають при зменшенні відстаней між молекулами. При певних відстанях між молекулами, що втягуються всередину, та молекулами, що знаходяться під поверхнею, сили взаємодії стають рівними нулю, процес скорочення поверхні припиняється. На поверхні залишається таке число молекул, при якому її площа виявляється мінімальною для об'єму рідини. Так як рідина текуча, вона приймає таку форму, при якій число молекул на поверхні мінімальне, а мінімальну поверхню при даному обсязі має кулю, тобто крапля рідини приймає форму, близьку кульовий. Найпростіше вловити характер сил поверхневого натягу, спостерігаючи утворення краплі. Придивіться уважно, як поступово росте крапля, утворюється звуження - шийка, - і крапля відривається. Не потрібно багато фантазії, щоб уявити, що вода ніби укладена в еластичний мішечок, і цей мішечок розривається, коли вага перевищує його міцність. Насправді, звичайно, нічого крім води, у краплі немає, але сам поверхневий шар води поводиться, як розтягнута еластична плівка. Таке ж враження справляє плівка мильної бульбашки.

Досвід №1

Тримання рідини до мінімуму потенційної енергії можна спостерігати за допомогою мильних бульбашок. Мильна плівка є подвійним поверхневим шаром. Якщо видути мильний міхур, а потім припинити надування, то він стане зменшуватися в обсязі, вичавлюючи з себе струмінь повітря.

Поверхневий натяг - явище молекулярного тиску на рідину, що викликається тяжінням молекул поверхневого шару до молекул всередині рідини. 5

Досвід Плато (1849р.)

Мал. 4. Ж.Плато

Оводом, який спонукав бельгійського професора до дослідів, був випадок. Ненароком він налив у суміш спирту і води невелику кількість масла, і воно набуло форми кулі. Розмірковуючи над цим фактом, Плато намітив низку дослідів, які згодом блискуче були виконаними його друзями та учнями. У своєму щоденнику він написав для дослідників правило: "Вчасно дивуватися". Я вирішила дослідити досвід Плато, але в іншому варіанті: використовувати у досвіді соняшникова оліята підфарбовану марганцову воду.

Досвід, що доводить, що однорідна рідина набуває форми з мінімальною вільною поверхнею

Варіант досвіду Плато №2

1) У мензурку налили олію.

2) Очною піпеткою капнули в олію краплю підфарбованої марганцової води діаметром приблизно 5мм.

) Спостерігали кульки води різного розміру, що повільно падають на дно і приймають овальну плескату форму (Фото 2).

5) Спостерігали, як крапля набуває правильної форми кулі (Фото 2).

Висновок: Рідина, притягуючи молекули поверхневого шару, стискає саму себе. Овальна плеската форма пояснюється тим, що вага краплі, яка не змішується з маслом, більше виштовхує сили. Правильна форма кулі пояснюється тим, що крапля плаває всередині масла: вага краплі врівноважується силою, що виштовхує.

При вільному падінні, у стані невагомості краплі дощу практично мають форму кулі. У космічному кораблі кулясту форму набуває досить велика маса рідини.

Коефіцієнт поверхневого натягу

Без зовнішньої сили вздовж поверхні рідини діє сила поверхневого натягу, яка скорочує до мінімуму площу поверхні плівки. Сила поверхневого натягу - сила, спрямована по дотичній поверхні рідини, перпендикулярно ділянці контуру, що обмежує поверхню, у бік її скорочення.

Ơ - коефіцієнт поверхневого натягу - це відношення модуля F сили поверхневого натягу, що діє на межу поверхневого шару ℓ, до цієї довжини є постійна величина, не залежна від довжини ℓ. Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від природи середовищ, що межують, і від температури. Його виражають у ньютонах на метр (Н/м).

Досліди зі зменшенням та збільшенням

Фото 3

Досвід №3

Доторкнулися до центру поверхні води шматочком мила.

Шматочки пінопласту починають рухатися від центру до країв судини (фото 3).

Капали в центр судини бензином, спиртом, миючим засобом "Fairy".

Висновок: Поверхневий натяг цих речовин менше, ніж у води.

Ці речовини застосовуються видалення бруду, жирних плям, сажі, тобто. не розчинних у воді речовин. Через досить високий поверхневий натяг вода сама по собі не має дуже хорошу дію, що чистить. Наприклад, вступаючи в контакт з плямою, молекули води притягуються один до одного більше, ніж до частинок нерозчинного бруду. Мило і синтетичні миючі засоби(СМС) містять речовини, що зменшують поверхневий натяг води. Перше мило, найпростіший миючий засіб, було отримано на Близькому Сході понад 5000 років тому. Спочатку воно використовувалося, головним чином, для прання та обробки виразок та ран. І лише у 1 столітті н.е. людина стала митися з милом.

На початку 1-го століття мило з'явилося світ.

Від бруду врятувало людину і стала вона чистою з юних років.

Я говорю вам про мило, що незабаром породило: шампунь, гель, порошок.

Став чистим світ, як добре!

Рис 5. Ф. Гюнтер

Миючими засобами називаються натуральні та синтетичні речовини з очищувальною дією, особливо мило та пральні порошки, що застосовуються у побуті, промисловості та сфері обслуговування. Мило отримують в результаті хімічної взаємодії жиру та лугу. Швидше за все, воно було відкрито з чистої випадковості, коли над багаттям смажили м'ясо, і жир стікав на золу, що має лужні властивості. Виробництво мила має давню історію, а ось перший синтетичний миючий засіб (СМС) з'явився в 1916 р., його винайшов німецький хімік Фріц Гюнтердля промислових цілей. Побутові СМС, більш-менш нешкідливі для рук, стали випускатися 1933р. З того часу розроблено цілу низку синтетичних миючих засобів (СМС) вузького призначення, а їх виробництво стало важливою галуззю хімічної промисловості.

Саме через поверхневе натягнення вода сама по собі не має достатньої чистячої дії. Вступаючи в контакт з плямою, молекули води притягуються одна до одної, замість того, щоб захоплювати частинки бруду, тобто вони не змочують бруд.

Мило та синтетичні миючі засоби містять речовини, що підвищують змочують властивості води за рахунок зменшення сили поверхневого натягу. Ці речовини називаються поверхнево-активними (ПАР), оскільки діють на поверхні рідини.

Наразі виробництво СМС стало важливою галуззю хімічної промисловості. Ці речовини називають поверхнево-активною речовиною(ПАР), оскільки діють на поверхні рідини. Молекули ПАР можна подати у вигляді пуголовків. Головами вони чіпляються за воду, а хвістами за жир. Коли ПАР змішують із водою, їх молекули лежить на поверхні звернені «головами» вниз, а «хвостами» назовні. Роздробивши таким чином поверхню води, ці молекули значно зменшують ефект поверхневого натягу, тим самим допомагаючи воді проникнути в тканину. Цими ж «хвостиками» молекули ПАР (Рис 6) захоплюють молекули жиру, що трапляються ним. 2

Досвід №4

1.Налили в блюдце молоко так, щоб воно закрило дно (Фото 4)

2. Капнули на поверхню молока 2 краплі зеленки

3. Спостерігали, як зеленка захоплюється від центру до країв. Дві краплі зеленки покривають більшу частину поверхні молока! (Фото 5)

Висновок: поверхневе натяг зеленки, набагато менше, ніж молока.

4. На поверхню зеленки крапли рідина для миття посуду Fairy, ми побачили, як ця рідина розтеклася по всій поверхні.(Фото 6)

Висновок:поверхневе натягування миючого засобу менше, ніж зеленки.

Досвід №5

У широку скляну посудину налили воду.

На поверхню кинули шматочки пінопласту.

Доторкнулися до центру поверхні води шматочком цукру.

Вусочки пінопласту починають рухатися від країв судини до центру (Фото 7).

Висновок:поверхневий натяг водного розчину цукру більший, ніж чистої води.

Досвід №6

Видалення з поверхні тканини жирової плями

Змочили бензином ватку і цією ваткою змочили краї плями (а не сама пляма). Бензин зменшує поверхневий натяг, тому жир збирається до центру плями і звідти його можна видалити, цією ж ваткою якщо ж змочувати, сама пляма, то вона може збільшитися в розмірах внаслідок зменшення поверхневого натягу.

Для експериментального визначення значення поверхневого натягу рідини можна використовувати процес утворення та відриву крапель, що випливають із крапельниці.

Коротка теорія методу відриву крапель

Малий об'єм рідини сам по собі набуває форми, близької до кулі, оскільки завдяки малій масі рідини мала і сила тяжіння, що діє на неї. Цим пояснюється куляста форма невеликих крапель рідини. На рис.1 наведено фотографії, на яких показані різні стадії процесу утворення та відриву краплі. Фотографія отримана за допомогою швидкісної кінозйомки, крапля зростає повільно, можна вважати, що в кожний момент часу вона знаходиться в рівновазі. Поверхневе натяг викликає скорочення поверхні краплі, воно прагне надати краплі сферичну форму. Сила тяжіння має в своєму розпорядженні центр ваги краплі якомога нижче. Через війну крапля виявляється витягнутої (рис.7а).

Мал. 7. а Б В Г

Процес утворення та відриву крапель

Чим більше крапля, тим більшу роль відіграє потенційна енергія сили тяжіння. Основна маса зі зростанням краплі збирається внизу і в краплі утворюється шийка (рис.7б). Сила поверхневого натягу спрямована вертикально по дотичній до шийки і врівноважує силу тяжіння, що діє на краплю. Тепер досить краплі зовсім трохи збільшитись і сили поверхневого натягу вже не врівноважують силу тяжіння. Шийка краплі швидко звужується (рис.7в) і результаті крапля відривається (рис.7г).

Метод вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу деяких рідин ґрунтується на зважуванні крапель. У разі повільного витікання рідини з малого отвору розмір крапель, що утворюються, залежить від щільності рідини, коефіцієнта поверхневого натягу, розміру і форми отвору, а також від швидкості закінчення . При повільному витіканні змочує рідини з вертикальної циліндричної трубки крапля, що утворюється, має форму, показану на малюнку 8. Радіус r шийки краплі пов'язаний із зовнішнім радіусом трубки R співвідношенням r = kR (1)

де k - коефіцієнт, що залежить від розмірів трубки та швидкості витікання.

Момент відриву вага краплі повинен дорівнювати рівнодіючої сил поверхневого натягу, що діють по довжині, рівної протяжності контуру шийки в її вузькій частині. Таким чином, можна записати

Mg = 2πrơ (2)

Підставляючи величину радіуса шийки r із рівності (1) і вирішуючи його, отримаємо

Ơ =mg/2πkR (3)

Для визначення маси краплі деяке число n крапель зважують у склянці відомої ваги. Якщо маса стаканчика без крапель і з краплями буде відповідно М 0 та М, то маса однієї краплі

Підставляючи останній вираз у формулу (3) і вводячи замість радіуса трубки її діаметр d, отримаємо розрахункову формулу

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Дослідницька робота «Визначення коефіцієнта поверхневого натягу деяких рідин методом відриву крапель»

Мета дослідження: визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини методом відриву крапель деяких рідин. Прилади: установка для вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу, ваги, різновага, стаканчик, штангенциркуль, секундомір. Матеріали: миючі засоби: Fairy, Aos, молоко, спирт, бензин, розчини порошків: Міф, Persil, шампуні "Fruttis", « Pantene», «Schauma»і « Fruttis», гелі для душу Sensen», «Монпансьє»і « Discover».

Опис приладу.

Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу зібрали установку, що складається зі штатива, на якому встановили бюретку з рідиною, що досліджується. На кінці бюретки укріпили наконечник-трубку, на кінці якої утворюється крапля. Зважування крапель проводили у спеціальному стаканчику.

Хід дослідження

За допомогою штангенциркуля виміряли діаметр наконечника-трубки тричі і обчислили середнє значення d.

Зважили на терезах чистий сухий стаканчик (М 0).

За допомогою краника бюретки досягли швидкості витікання крапель.

15 крапель за хвилину.

Відлили з бюретки в склянку 60 крапель рідини, вважаючи точно кількість відлитих крапель.

Зважили склянку з рідиною. (М)

Підставили отримані значення формулу ơ = (((M-M0)g)/πkdn

Вирахували коефіцієнт поверхневого натягу.

Провели досвід тричі

Вирахували середнє значення коефіцієнта поверхневого натягу.

Коефіцієнт поверхневого натягу в системі СІ вимірюється Н/м.

Таблиця №1

Результати визначення коефіцієнта поверхневого натягу (Н/м)

Висновок:З досліджених кухонних миючих засобів, при решті однакових параметрів, що впливають на якість «відмивання», краще використовувати засіб « Fairy». З досліджених пральних порошків « Міф», т.к. саме їх розчини мають найменший поверхневий натяг. Отже, перший засіб (« Fairy») краще допомагає змивати нерозчинні у воді жири з посуду, будучи емульгатором - засобом, що полегшує отримання емульсій (суспензій дрібних частинок рідкої речовини у воді). Друге (" Міф») краще відмиває білизну, проникаючи в пори між волокнами тканин. Зауважимо, що з використанні кухонних миючих засобів, ми змушуємо речовина (зокрема жир) хоча б деякий час розчиниться у питній воді, т.к. відбувається «дроблення» його на дрібні частки. За цей час рекомендується змити нанесений миючий засіб струменем чистої води, а не обполіскувати посуд через якийсь час у ємності. Крім того, досліджували поверхневий натяг шампунів і гелів для душу. Через досить високу в'язкість цих рідин складно точно визначити коефіцієнт поверхневого натягу їх, зате можна порівняти. Були досліджені (методом відриву крапель) шампуні. «Pantene», «Schauma»і « Fruttis», а також гелі для душу Sensen», «Монпансьє»і « Discover».

Висновок:

Поверхневий натяг зменшується в шампунях ряду "Fruttis" - «Schauma» - Pantene,у гелях - у ряді «Монпансьє» - «Discover» - "Senses".

Поверхневий натяг шампунів менший за поверхневий натяг гелів (Наприклад « Pantene» < «Senses»на 65 мН/м), що виправдовує їх призначення: шампуні – для миття волосся, гелі – для миття тіла.

При решті однакових характеристик, що впливають на якість миття, з досліджених шампунів краще використовувати "Pantene" (Рис. 9),з досліджених гелів для душу - "Senses" (Рис.10).

Метод відриву крапель, не дуже точним, однак, використовується в медичній практиці. Цим методом визначають у діагностичних цілях поверхневий натяг спинномозкової рідини, жовчі і т.д.

Висновок

1. Отримано експериментальні підтвердження теоретичних висновків , які доводять, що однорідна рідина набуває форми з мінімальною вільною поверхнею

2. Проведені експерименти зі зменшенням та збільшенням поверхневого натягу, результати яких довели, що мило та синтетичні миючі засоби містять речовини, що підвищують змочують властивості води за рахунок зменшення сили поверхневого натягу.

3. Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідин

а) вивчена коротка теоріяметоду відриву крапель;

б) сконструйовано та зібрано експериментальну установку;

в) обчислено середні значення коефіцієнта поверхневого натягу різних рідин, зроблено висновки.

4. Результати експериментів та дослідження представлені у вигляді таблиці та фотографій.

Робота над проектом дозволила мені набути більш широких знань з розділу фізики «Поверхневий натяг».

Мені хочеться закінчити свій проект словами великого вченого фізика

А. Ейнштейна:

«Мені достатньо відчути вічної таємниціжиття, усвідомлювати та інтуїтивно осягати чудову структуру всього сущого і активно боротися, щоб схопити навіть найменшу крупинку розуму, який проявляється в Природі»

Список використаних джерел та літератури

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

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

Буховцев Б.Б., Климонтович Ю. Л., Мякішев Г.Я., Фізика, підручник для 9 класу середньої школи - 4-те видання - М.: Просвітництво, 1988 - 271 с.

Касьянов В.А., Фізика, 10 клас, підручник для загальноосвітніх навчальних закладів, М: Дрофа, 2001р. – 410 с.

Пінський А.А. Фізика: підручник. Посібник для 10 класів із поглибленим вивченням фізики. М.: Просвітництво, 1993р. – 416 с.

Юфанова І.Л. Цікаві вечори з фізики у середній школі: книга для вчителя. - М.: Просвітництво, 1990р. -215с

Чуянов В.Я., Енциклопедичний словник юного фізика, М.: Педагогіка, 1984р. – 350 с.

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

2 http://greenfuture.ru

СТАТТЯ ОБНОВЛЕНО: 29.12.2019

Поверхневий натяг води – одна з найцікавіших властивостей води.

Приклади поверхневого натягу води

Для кращого розуміння поверхневого натягу води наведемо кілька його проявів у реальному житті:

• Коли ми бачимо як вода з кінчика крана капає, а не ллється - це поверхневий натяг води;
• Коли крапля дощу в польоті набуває округлої злегка витягнутої форми - це поверхневий натяг води;
• Коли вода на водонепроникній поверхні набуває кулястої форми - це поверхневий натяг води;
• Горобина, що виникає при подиху вітру на поверхні водойм, так само є проявом поверхневого натягу води;
• Вода в космосі набуває кулястої форми завдяки поверхневому натягу;
• Комаха водомірка тримається на поверхні води завдяки саме цій властивості води;
• Якщо на поверхню води акуратно покласти голку, вона плаватиме;
• Якщо в склянку по черзі налити рідини різної густини та кольору, ми побачимо, що вони не змішуються;
• Райдужні мильні бульбашки, так само є чудовим проявом поверхневого натягу.

Поверхневий натяг - кілька точних визначень

Велика медична енциклопедія

Поверхневий натяг (П. н.) - це сила тяжіння, з якою кожна ділянка поверхневої плівки (вільної поверхні рідини або будь-якої поверхні розділу двох фаз) діє на суміжні частини поверхні. Внутрішній тиск та П. н. Поверхневий шар рідини поводиться як еластична розтягнута мембрана. Згідно з поданням, розвиненим гол. обр. Лапласом (Laplace), ця властивість рідких поверхонь залежить від «молекулярних сил тяжіння, що швидко убувають з відстанню. Всередині однорідної рідини сили, що діють на кожну молекулу з боку молекул, що її оточують, взаємно врівноважуються. Але поблизу поверхні рівнодіюча сил молекулярного тяжіння спрямована всередину; вона прагне втягнути поверхневі молекули у товщу рідини. Внаслідок цього весь поверхневий шар подібно до пружної розтягнутої плівки надає на внутрішню масу рідини в напрямку, нормальному до поверхні, дуже значний тиск. За підрахунками цей «внутрішній тиск», під яким перебуває вся маса рідини, сягає кількох тисяч атмосфер. Воно зростає на опуклій поверхні і зменшується на увігнутій. В силу прагнення вільної енергії до мінімуму будь-яка рідина прагне прийняти форму, при якій її поверхня - місце дії поверхневих сил - має найменшу можливу величину. Чим більша поверхня рідини, тим більшу площу займає її поверхнева плівка, тим значніший запас вільної поверхневої енергії, що звільняється при її скороченні. Натяг, з яким кожна ділянка поверхневої плівки, що скорочується, діє на суміжні частини (у напрямку, паралельному вільної поверхні), називається П. н. На відміну від еластичного напруження пружного розтягнутого тіла, П. зв. не слабшає у міру стиснення поверхневої плівки. … Поверхневий натяг дорівнює роботі, яку потрібно зробити, щоб збільшити вільну поверхню рідини на одиницю. П. н. спостерігається на межі рідини з газом (також і з власною парою), з іншою рідиною, що не змішується, або з твердим тілом. Так само і тверде тіло має П. н. на кордоні з газами та рідинами. На відміну від П. н., яке рідина (або тверде тіло) має на своїй вільній поверхні, що межує з газоподібним середовищем, натяг на внутрішній межі двох рідких (або рідкої і твердої) фаз зручно позначити спеціальним терміном-прийнятим в німецькій літературі , терміном "прикордонний натяг" (Grenzflachenspannung). Якщо в рідині розчинена речовина, яка знижує її П. н., то вільна енергія зменшується не тільки шляхом зменшення величини прикордонної поверхні, а й за допомогою адсорпції: поверхнево активна (або капілярноактивна) речовина збирається в підвищеній концентрації в поверхневому шарі.
…

Велика медична енциклопедія 1970

Підсумувати все вищесказане можна таким чином - молекули, які знаходяться на поверхні якоїсь рідини, у тому числі й води, притягуються рештою молекул внутрішньо рідини, внаслідок чого і виникає поверхневий натяг. Наголосимо, що це спрощене розуміння цієї властивості.

Коефіцієнт поверхневого натягу - визначення

Політехнічний термінологічний тлумачний словник

Коефіцієнт поверхневого натягу - лінійна щільність сили поверхневого натягу на поверхні рідини або на межі розділу двох рідин, що не змішуються.

Політехнічний термінологічний тлумачний словник. Упорядкування: В. Бутаков, І. Фаградянц. 2014

Нижче наведемо значення коефіцієнта поверхневого натягу (К. п. н.) для різних рідин при температурі 20°C:

• К. п. н. ацетону – 0.0233 Ньютон / Метр;
• К. п. н. бензолу - 0.0289 Ньютон/Метр;
• К. п. н. води дистильованої – 0.0727 Ньютон/Метр;
• К. п. н. гліцерину - 0.0657 Ньютон/Метр;
• К. п. н. гасу - 0.0289 Ньютон/Метр;
• К. п. н. ртуті - 0.4650 Ньютон/Метр;
• К. п. н. етилового спирту – 0.0223 Ньютон/Метр;
• К. п. н. ефіру - 0.0171 Ньютон / Метр.

Коефіцієнти поверхневого натягу води

Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від температури рідини. Наведемо його значення за різних температур води.

На цьому уроці йтиметься про рідини та їх властивості. З точки зору сучасної фізики, рідини є найбільш складним предметом досліджень, тому що в порівнянні з газами вже не можна говорити про незначну малу енергію взаємодії між молекулами, а в порівнянні з твердими тілами не можна говорити про впорядковане розташування молекул рідини (у рідині відсутній далекий порядок). . Це призводить до того, що рідини мають низку найцікавіших властивостей та їх проявів. Про одну таку властивість і йтиметься на цьому уроці.

Для початку, обговоримо особливі властивості, які мають молекули приповерхневого шару рідини в порівнянні з молекулами, що знаходяться в обсязі.

Мал. 1. Відмінність молекул приповерхневого шару від молекул, що знаходяться в обсязі рідини

Розглянемо дві молекули А та Б. Молекула А знаходиться всередині рідини, молекула Б – на її поверхні (Рис. 1). Молекула А оточена іншими молекулами рідини рівномірно, тому сили, що діють на молекулу А з боку молекул, що потрапляють у сферу міжмолекулярної взаємодії, скомпенсовані, або їх рівнодіюча дорівнює нулю.

Що ж відбувається з молекулою Б, що знаходиться на поверхні рідини? Нагадаємо, що концентрація молекул газу, що знаходиться над рідиною, значно менша, ніж концентрація молекул рідини. Молекула Б з одного боку оточена молекулами рідини, з другого боку - сильно розрідженими молекулами газу. Оскільки з боку рідини на неї діє набагато більше молекул, то рівнодіюча всіх міжмолекулярних сил буде спрямована всередину рідини.

Таким чином, для того, щоб молекула з глибини рідини потрапила в поверхневий шар, потрібно здійснити роботу проти некомпенсованих міжмолекулярних сил.

Згадаймо, що робота – це зміна потенційної енергії, взята зі знаком мінус.

Отже, молекули приповерхневого шару, в порівнянні з молекулами всередині рідини, мають надмірну потенційну енергію.

Ця надлишкова енергія є складовою внутрішньої енергії рідини і називається поверхневою енергією. Позначається вона, як і вимірюється, як і будь-яка інша енергія, в джоулях.

Очевидно, що чим більша площа поверхні рідини, тим більше таких молекул, які мають надмірну потенційну енергію, а значить тим більша поверхнева енергія. Цей факт можна записати у вигляді наступного співвідношення:

,

де – площа поверхні, а – коефіцієнт пропорційності, який ми назвемо коефіцієнтом поверхневого натягу, цей коефіцієнт характеризує ту чи іншу рідину. Запишемо суворе визначення цієї величини.

Поверхневий натяг рідини (коефіцієнт поверхневого натягу рідини) - це фізична величина, яка характеризує цю рідину і дорівнює відношенню поверхневої енергії до площі поверхні рідини

Вимірюється коефіцієнт поверхневого натягу в ньютонах, поділених на метр.

Обговоримо, від чого залежить коефіцієнт поверхневого натягу рідини. Спочатку, пригадаємо, що коефіцієнт поверхневого натягу характеризує питому енергію взаємодії молекул, отже чинники, змінюють цю енергію, змінять і коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Отже, коефіцієнт поверхневого натягу залежить від:

1. Природи рідини (у «летючих» рідин, таких як ефір, спирт і бензин, поверхневий натяг менше, ніж у «нелетких» - води, ртуті та рідких металів).

2. Температури (що вище температура, тим менше поверхневий натяг).

3. Наявність поверхнево активних речовин, що зменшують поверхневий натяг (ПАР), наприклад мила або прального порошку.

4. Властивості газу, що межує з рідиною.

Зазначимо, що коефіцієнт поверхневого натягу не залежить від площі поверхні, тому що для однієї окремо взятої приповерхневої молекули абсолютно неважливо, скільки таких молекул навколо. Зверніть увагу на таблицю, в якій наведені коефіцієнти поверхневого натягу різних речовин при температурі:

Таблиця 1. Коефіцієнти поверхневого натягу рідин на кордоні з повітрям, при

Отже, молекули приповерхневого шару мають надмірну потенційну енергію в порівнянні з молекулами в обсязі рідини. У курсі механіки було показано, що будь-яка система прагне мінімуму потенційної енергії. Наприклад, тіло, кинуте з певної висоти, прагнутиме впасти вниз. Крім того, ви почуваєтеся набагато комфортнішим за лежачи, оскільки в цьому випадку максимально низько розташований центр мас вашого тіла. Навіщо прагне зменшити свою потенційну енергію у разі рідини? Оскільки поверхнева енергія залежить від площі поверхні, отже, будь-якій рідині енергетично невигідно мати більшу площу поверхні. Іншими словами, у вільному стані рідина буде прагнути зробити свою поверхню мінімальною.

У цьому легко переконатись, експериментуючи з мильною плівкою. Якщо занурити в мильний розчин якийсь дротяний каркас, то на ньому утворюється мильна плівка, причому плівка набуде такої форми, щоб площа її поверхні була мінімальною (Рис. 2).

Мал. 2. Фігури з мильного розчину

Переконатись у існуванні сил поверхневого натягу можна за допомогою простого експерименту. Якщо до дротяного кільця в двох місцях прив'язана нитка, причому так, щоб довжина нитки була дещо більшою за довжину хорди, що з'єднує точки кріплення нитки, і вмочити дротяне кільце в мильний розчин (Мал. 3а), мильна плівка затягне всю поверхню кільця і ​​нитка буде лежати на мильній плівці. Якщо тепер порвати плівку з одного боку нитки, мильна плівка, яка з іншого боку нитки, скоротиться і натягне нитку (Рис. 3б).

Мал. 3. Експеримент із виявлення сил поверхневого натягу

Чому так сталося? Справа в тому, що мильний розчин, що залишився зверху, тобто рідина, прагне скоротити площу своєї поверхні. Таким чином, нитка витягується нагору.

Отже, існування сили поверхневого натягу ми переконалися. Тепер навчимося її розраховувати. Для цього проведемо уявний експеримент. Опустимо в мильний розчин дротяну рамку, одна із сторін якої рухома (Рис. 4). Розтягуватимемо мильну плівку, діючи на рухомий бік рамки силою. Таким чином, на поперечину діють три сили - зовнішня сила і дві сили поверхневого натягу, що діють вздовж кожної поверхні плівки. Скориставшись другим законом Ньютона, можемо записати, що

Мал. 4. Обчислення сили поверхневого натягу

Якщо під дією зовнішньої сили поперечина переміститься на відстань, то ця зовнішня сила зробить роботу

Природно, що за рахунок виконання цієї роботи площа поверхні плівки збільшиться, а отже, збільшиться і поверхнева енергія, яку ми можемо визначити через коефіцієнт поверхневого натягу:

Зміну площі, у свою чергу, можна визначити наступним чином:

де - Довжина рухомої частини дротяної рамки. З огляду на це можна записати, що робота зовнішньої сили дорівнює

Прирівнюючи праві частини (*) і (**), отримаємо вираз для сили поверхневого натягу:

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силіповерхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, що обмежує поверхню

Отже, ми ще раз переконалися в тому, що рідина прагне набути такої форми, щоб площа її поверхні була мінімальною. Можна показати, що при заданому обсязі площа поверхні буде мінімальною у кулі. Таким чином, якщо на рідину не діють інші сили або їхня дія мало, рідина буде прагнути набувати сферичної форми. Так, наприклад, поводитиметься вода в невагомості (Мал. 5) або мильні бульбашки (Мал. 6).

Мал. 5. Вода у невагомості

Мал. 6. Мильні бульбашки

Наявністю сил поверхневого натягу також можна пояснити те, чому металева голка лежить на поверхні води (Рис. 7). Голка, яку акуратно поклали на поверхню, деформує її, збільшуючи тим самим площу цієї поверхні. Таким чином, виникає сила поверхневого натягу, яка прагне зменшити таку зміну площі. Рівнодійна сила поверхневого натягу буде спрямована вгору, і вона компенсує силу тяжкості.

Мал. 7. Голка на поверхні води

Так само можна пояснити принцип дії піпетки. Крапелька, на яку діє сила тяжіння, витягується вниз, тим самим збільшуючи площу своєї поверхні. Звичайно, виникають сили поверхневого натягу, рівнодіюча яких протилежна напрямку сили тяжіння, і які не дають крапельці розтягуватися (Рис. 8). Коли ви натискаєте на гумовий ковпачок піпетки, ви тим самим створюєте додатковий тиск, який допомагає силі тяжіння, і в результаті крапля падає вниз.

Мал. 8. Принцип роботи піпетки

Наведемо ще один приклад з повсякденному житті. Якщо опустити пензлик для малювання в склянку з водою, її волоски розпушаться. Якщо тепер вийняти цей пензлик з води, то ви помітите, що всі волоски прилипли один до одного. Це пов'язано з тим, що площа поверхні води, що налипла на пензлик, у такому разі буде мінімальною.

І ще один приклад. Якщо ви захочете збудувати замок із сухого піску, це у вас навряд чи вийде, оскільки пісок буде розсипатися під дією сили тяжіння. Однак якщо ви намочите пісок, то він зберігатиме свою форму завдяки силам поверхневого натягу води між піщинками.

Нарешті, відзначимо, що теорія поверхневого натягу допомагає знайти гарні та прості аналогії під час вирішення складніших фізичних завдань. Наприклад, коли потрібно побудувати легку і в той же час міцну конструкцію, на допомогу приходить фізика того, що відбувається в мильних бульбашках. А побудувати першу адекватну модель атомного ядра вдалося, уподібнивши це атомне ядрокраплі зарядженої рідини.

Список літератури

1. Г. Я. Мякішев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотський. "Фізика 10". - М: Просвітництво, 2008.
2. Я. Є. Гегузін "Бульбашки", Бібліотека Квант. - М: Наука, 1985.
3. Б. М. Яворський, А. А. Пінський "Основи фізики" т. 1.
4. Г. С. Ландсберг "Елементарний підручник фізики" т. 1.

1. Nkj.ru().
2. Youtube.com ().
3. Youtube.com ().
4. Youtube.com ().

Домашнє завдання

1. Вирішивши завдання до цього уроку, ви зможете підготуватися до питань 7,8,9 ГІА та питань А8, А9, A10 ЄДІ.
2. Гельфгат І.М., Ненашев І.Ю. «Фізика. Збірник задач 10 клас» 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. Спираючись на задачу 5.47, визначте коефіцієнт поверхневого натягу води та мильного розчину.

Список питань-відповідей

Запитання:Чому поверхневий натяг змінюється зі зміною температури?

Відповідь:При збільшенні температури молекули рідини починають рухатися швидше, а отже, молекули легше долають потенційні сили тяжіння. Що призводить до зменшення сил поверхневого натягу, що є потенційними силами, якими зв'язуються молекули приповерхневого шару рідини.

Запитання:Чи залежить коефіцієнт поверхневого натягу від густини рідини?

Відповідь:Так, залежить, оскільки від густини рідини залежить енергія молекул приповерхневого шару рідини.

Запитання:Які є способи визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини?

Відповідь:У шкільному курсі вивчають два способи визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини. Перший - це метод відриву зволікання, його принцип описаний у задачі 5.44 з домашнього завдання, другий - метод рахунку крапель, описаний у задачі 5.47.

Запитання:Чому через деякий час мильні бульбашки руйнуються?

Відповідь:Справа в тому, що через деякий час, під дією сили тяжіння міхур стає товстішим внизу, ніж угорі, і потім під впливом випаровування руйнується в будь-якій точці. Це призводить до того, що вся бульбашка, подібно повітряній кульці, Схлопується під дією не скомпенсованих сил поверхневого натягу.

Визначення 1

Поверхневе натяг - порив рідини зменшити власну вільну поверхню, тобто скоротити надлишок потенційної енергії на межі роз'єднання з газоподібною фазою.

Пружними характеристиками оснащені не тільки тверді фізичні тіла, але й поверхня рідини. Кожен у своєму житті бачив, як розтягується мильна плівка при невеликому видуванні бульбашок. Сили поверхневого натягу, що виникають у мильній плівці, утримують на певний період повітря, аналогічному тому, як гумова камера, що розтягнулася, зберігає повітря у футбольному м'ячі.

Поверхневий натяг з'являється на межі розділу основних фаз, наприклад, газоподібної та рідкої, або рідкої та твердої. Це безпосередньо зумовлено тим, що елементарні частинки поверхневого шару рідини завжди відчувають різну силу тяжіння зсередини та зовні.

Зазначений фізичний процес можна розглядати на прикладі краплі води, де рідина рухається себе так, ніби вона знаходиться в еластичній оболонці. Тут атоми поверхневого шару рідкої речовини притягуються до своїх внутрішніх сусідів сильніше, ніж до зовнішніх частинок повітря.

Загалом поверхневий натяг можна пояснити, як нескінченно малу або елементарну роботу $sigma A$, яку необхідно зробити для збільшення загальної площіповерхні рідини на нескінченно малу величину $dS$ за постійної температури $dt$.

Механізм виникнення поверхневого натягу у рідинах

Малюнок 2. Скалярна позитивна величина. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт

Рідина, на відміну від твердих тіл і газів, не здатна заповнити весь об'єм посудини, в яку вона була поміщена. Між парою та рідкою речовиною формується певна межа розділу, яка діє в особливих умовах порівняно з іншою масою рідини. Розглянемо для наочного прикладу дві молекули $A$ і $B$. Частка $A$ знаходиться всередині самої рідини, молекула $B$ - безпосередньо на її поверхні. Перший елемент оточений іншими атомами рідини рівномірно, тому сили, що діють на молекулу, з боку потрапляючих у сферу міжмолекулярної взаємодії частинок завжди скомпенсовані, або, іншими словами, їх рівнодіюча потужність дорівнює нулю.

Молекула $B$ з одного боку обрамлена молекулами рідини, з другого боку –атомами газу, підсумкова концентрація яких значно нижче, ніж об'єднання елементарних частинок рідини. Так як з боку рідини на молекулу $B$ впливає набагато більше молекул, ніж з боку ідеального газу, рівнодію всіх міжмолекулярних сил вже неможливо прирівняти нулю, так як цей параметр спрямований всередину об'єму речовини. Таким чином, щоб молекула з глибини рідини опинилася в поверхневому шарі, слід виконати роботу проти нескомпенсованих сил. А це означає, що атоми приповерхневого рівня, порівняно з частинками всередині рідини, оснащені надмірною потенційною енергією, яка називається поверхневою енергією.

Коефіцієнт поверхневого натягу

Рисунок 3. Поверхнева напруга. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт

Визначення 2

Коефіцієнт поверхневого натягу - це фізичний показник, що характеризує певну рідину і чисельно дорівнює співвідношенню поверхневої енергії до загальної площі вільного середовища рідини.

У фізиці основною одиницею вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу концепції СІ є (N)/(m).

Вказана величина безпосередньо залежить від:

• природи рідини (у летючих елементах таких, як спирт, ефір, бензин, коефіцієнт поверхневого натягу значно менше, ніж у нелетких - ртуті, води);
• температури рідкої речовини (що вище температура, тим менший підсумковий поверхневий натяг);
• властивостей ідеального газу, що межує з цією рідиною;
• наявності стабільних поверхнево-активних елементів, таких як пральний порошок або мило, які здатні зменшити поверхневий натяг.

Зауваження 1

Також слід зазначити, що параметр поверхневого натягу залежить від початкової площі вільного середовища рідини.

З механіки також відомо, що незмінним станам системи відповідає мінімальне значення її внутрішньої енергії. Внаслідок такого фізичного процесу рідке тіло часто набуває форми з мінімальною поверхнею. Якщо на рідину не впливають сторонні сили або їхня дія вкрай мало, її елементи до форми сфери у вигляді краплі води або мильного міхура. Аналогічним чином починають поводитися вода, перебуваючи в невагомості. Рідина рухається так, ніби по дотичній до її основної поверхні діють фактори, що скорочують дане середовище. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.

Отже, коефіцієнт поверхневого натягу можна також визначити, як основний модуль сили поверхневого натягу, який загалом діє на одиницю довжини початкового контуруобмежує вільне середовище рідини. Наявність зазначених параметрів робить поверхню рідкої речовини схожою на розтягнуту пружну плівку з єдиною різницею, що незмінні сили в плівці безпосередньо залежать від площі її системи, а самі сили поверхневого натягу здатні самостійно працювати. Якщо покласти невелику швейну голку на поверхню води, прасування гнеться і не дасть їй потонути.

Діями зовнішнього фактора можна описати ковзання легких комах, таких як водомірки, по всій поверхні водойм. Лапка цих членистоногих деформує водну поверхню, тим самим збільшуючи її площу. Внаслідок цього виникає сила поверхневого натягу, що прагне зменшити подібну зміну площі. Равнодіюча сила буде завжди спрямована виключно нагору, компенсуючи при цьому дію тяжкості.

Результат дії поверхневого натягу

Під впливом поверхневого натягу невеликі кількості рідких середовищ прагнуть прийняти кулясту форму, яка ідеально відповідатиме найменшій величині. довкілля. Наближення до кульової зміни досягається тим більше, чим слабші початкові сили тяжкості, оскільки в малих крапель показник сили поверхневого натягу значно перевищує вплив тяжкості.

Поверхневе натяг вважається однією з найважливіших характеристик поверхонь поділу фаз. Воно безпосередньо впливає формування дрібнодисперсних частинок фізичних тілі рідин при їхньому поділі, а також на злиття елементів або бульбашок у туманах, емульсіях, пінах, на процеси адгезії.

Примітка 2

Поверхневий натяг встановлює форму майбутніх біологічних клітин та його основних елементів.

Зміна сил даного фізичного процесу впливає фагоцитоз і процеси альвеолярного дихання. Завдяки цьому явищу пористі речовини можуть протягом тривалого часу утримувати величезну кількість рідини навіть з пар повітря, Капілярні явища, що передбачають зміни висоти рівня рідини в капілярах порівняно з рівнем рідини в ширшій посудині, дуже поширені. За допомогою цих процесів обумовлено підняття води у ґрунті, за кореневою системою рослин, рух біологічних рідин по системі дрібних канальців та судин.