Поверхностное натяжение жидкостей

Муниципальное общеобразовательное казенное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 1 пос. Кировский Кировского района»
Тема:
Поверхностное натяжение жидкостей
Автор:
Хоменко Елизавета Романовна,
ученица 11А класса
МОКУ СОШ № 1 пос. Кировский
Руководитель:
Милюк Лариса Алексеевна
учитель физики, информатики
высшей квалификационной категории
МОКУ СОШ № 1 пос. Кировский
пос. Кировский 2014
1
Содержание
Введение………………………………………………………………………… 2
Особенности взаимодействия молекул поверхностного
слоя жидкости. Поверхностное натяжение…………………………………... 5
Наблюдение поверхностного натяжения. Измерение коэффициента
поверхностного натяжения……………………………………………………. 9
Заключение…………………………………………………………………… 15
Список литературы……………………………………………………………. 16
2
Введение
Дети хорошо знают, что «куличики» можно построить из мокрого песка.
Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но также не пристают друг к другу
песчинки, целиком погруженные в воду.
Когда во время купанья человек окунется с головой в воду, его волосы
расходятся в воде во все стороны, но стоит только высунуть голову из воды, как
волосы тотчас лягут на голове слипшимися слоями.
Жидкость может смачивать одни материалы и не смачивает другие. Все эти
примеры можно объяснить силами поверхностного натяжения жидкости или как
их еще называют силами сцепления молекул жидкости при взаимодействии с
другими молекулами. Именно эти силы позволяют строить песчаные замки из
песка, именно они скрепляют песчинку с песчинкой или волосы. Именно эти силы
обнаруживают себя при смачивании материалов.
Проблема. Почему проявления поверхностного натяжения жидкости в
природе и технике играют важную роль.
Тема данной работы. Поверхностное натяжение жидкостей.
Цель работы является изучение поверхностного натяжения жидкости.
Задачи исследования:
1. Изучить явление поверхностного натяжения жидкости.
2. Используя доступные методы, измерить коэффициент поверхностного
натяжения.
3. Представить в виде таблиц и графиков результаты измерений.
4. Сделать выводы о значении поверхностного натяжения жидкости в природе
С поверхностным натяжением жидкости мы сталкиваемся изо дня в день:
отдельные капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной (и в
невесомости так оно и есть); струя воды из под крана стремится к
цилиндрической форме; булавка, положенная на поверхность воды в стакане не
тонет; многие насекомые могут скользить по поверхности воды. Результаты
полученные в ходе экспериментов позволяют ответить на вопрос от чего зависит
натяжение жидкости и как его можно изменить.
3
Особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя жидкости.
Поверхностное натяжение
Молекула внутри жидкости окружена другими молекулами со всех сторон и
испытывает одинаковую силу притяжения ко всем
соседям. Эти силы компенсируют друг друга, и их
результирующая
равна
нулю.
Молекулу
же,
находящуюся у границы с газом, молекулы жидкости
окружают только с одной стороны, со стороны же
газа
молекул почти нет. Для молекул, расположенных
у
поверхности,
сложение
равнодействующую,
всех
сил
направленную
дает
внутрь
жидкости.
Каждая молекула, находящаяся вблизи поверхности жидкости, стремится
уйти внутрь жидкости, их число на свободной поверхности уменьшится, и
площадь
поверхности,
граничащая
с
воздухом,
принимает
наименьшую
возможную величину. Поэтому искривленный поверхностный слой создает
дополнительное молекулярное давление.
Чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на
поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить
положительную работу внешних сил ΔAвнеш против сил молекулярного давления,
пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:
ΔAвнеш = σΔS.
Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ
> 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе,
необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной
температуре на единицу.
В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на
метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).
4
Следовательно,
молекулы
поверхностного
слоя
жидкости
обладают
избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной
энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее
площади: Ep = Aвнеш = σS.
Если бы поверхностная энергия была единственным видом энергии,
определяющим поведение жидкости, то любая масса жидкости всегда должна
была бы принимать такую форму, при которой площадь ее поверхность была бы
наименьшей. Такой формой, очевидно, является сферическая поверхность,
которая обладает минимальной площадью при заданном объеме жидкости.
Однако, кроме внутренних сил взаимодействия между частицами, из-за
которых и возникают силы поверхностного натяжения, на жидкость обычно
действуют еще и внешние силы. Это, во-первых, сила тяжести и, во-вторых, силы
взаимодействия частиц жидкости с частицами твердых стенок сосуда, в котором
она содержится. Поэтому действительная форма, которую принимает жидкость,
определяется соотношением этих трех сил.
Исключить действие силы тяжести возможно в условиях невесомости, и
опыты действительно подтвердили, что жидкость, вылитая из сосуда внутри
космической станции стремится принять форму шара. Ранее это подтвердил
физик Плато, он использовал капли анилина в соленом растворе с той же
плотностью, скомпенсировав действие силы тяжести силой Архимеда.
При равномерном растяжении ∆x пленки сила F совершает работу
А= F∙
∆x, поверхность пленки увеличивается путем заполнения молекулами внутренних
слоев. Число молекул поверхностного слоя возрастает, и увеличивается
поверхностная
энергия ∆Е=σΔS, где σ-поверхностное натяжение. Тогда сила,
действующая на линию разрыва поверхности, по касательной к поверхности
раздела
сред,
в
направлении
сокращения
площади
поверхности
и
перпендикулярно к линии разрыва пропорциональна длине l линии разрыва
поверхности: F=σl. Отсюда, σ=F/l.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры (чем
выше температура, тем меньше коэффициент поверхностного натяжения), от
5
количества примесей, содержащихся в жидкости. Так поверхностно-активные
вещества (ПАВ), содержащиеся во всех стиральных порошках и прочих моющих
жидкостях, снижают поверхностное натяжение воды. Наличие небольшого
количества мыла или клея в воде способно снизить коэффициент поверхностного
натяжения вдвое.
Коэффициент поверхностного натяжения также зависит от плотности
вещества, с которым контактирует жидкость. Чем выше плотность второго
вещества, тем меньше коэффициент.
Если вторая среда — другая жидкость или твердое тело, то вводится
понятие смачивания. Если силы притяжение молекул жидкости между собой
меньше, чем силы притяжения между молекулами этой жидкости и второй среды,
то говорят, что жидкость смачивает эту среду.
Рассмотрим каплю жидкости (воды) на поверхности твердого тела
(стекла). Имеются три границы раздела
сред: твердое тело–жидкость (стекловода),
твердое
тело–газ
(стекло–
воздух), жидкость–газ (вода–воздух)
(см. рис. 1). Линия пересечения всех
трех поверхностей раздела называется
линией смачивания.
Измеренный внутри жидкости угол между касательной к поверхности
жидкости, проведенной через точку
соприкосновения
поверхностью
Q
называется
Q
трех
твердого
краевым
сред,
и
тела
углом
смачивания. Его величина зависит от
сил
взаимодействия
между
молекулами соприкасающихся сред.
Жидкость, которая растекается по поверхности твердого тела,
называется смачивающей, а жидкость, которая стягивается в каплю, –
6
несмачивающей. Различие краевых углов в явлениях смачивания и несмачивания
объясняется соответствием сил притяжения между молекулами твердого тела и
жидкостей и сил межмолекулярного притяжения в жидкостях. Если силы
притяжения между молекулами твердого тела и жидкости >F притяжения между
молекулами жидкости, то жидкость будет смачивающей. Если молекулярное
притяжение жидкости (внутри) >F притяжения между молекулами твердого тела
и жидкости, то жидкость будет несмачивающей.
Q<90° – смачивание
Q>90° – несмачивание
Q – угол смачивания
Q =0 ° - идеальное не смачивание
Q =180 ° - идеальное смачивание
Итак, явление смачивания-несмачивания объясняется различным
взаимодействием
молекул
тела
и
жидкости.
Если
молекулы
жидкости
притягиваются к телу сильнее, чем друг к другу, то такая жидкость смачивает
тело. Если же молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к
телу, то жидкость не будет смачивать данное тело.
Явление смачивания-несмачивания часто встречается в природе и быту.
Например, водоплавающие птицы смазывают перья жиром, выделяющимся из
специальных желез (внутренних органов птицы). Вода не смачивает жир и,
поэтому, перья остаются сухими даже при нырянии (пословица "как с гуся вода").
Благодаря явлению смачивания мы можем вытираться полотенцами, мыть посуду,
стирать белье. Благодаря явлению несмачивания мы можем ходить под зонтами и
в плащах, не промокающих под дождем.
Применение смачивания: умывание, крашение, стирка, пайка,
склеивание, флотация руд.
Применение несмачивания: смоление бочек и лодок, смазывание
салом пробок и втулок, окрашивание масляной краской и вообще покрытие
маслянистыми веществами всех тех
предметов, которые мы хотим сделать
водонепроницаемыми, изготовление тканей для плащей, курток, зонтиков.
7
С явлением смачивания-несмачивания очень тесно связано явление
капиллярности. Если стеклянную трубку опустить в чашу с водой, то внутри
трубки
вода
поднимется
на
некоторую высоту (левый рисунок).
Ртуть, напротив, опустится ниже
уровня в чаше (правый рисунок). Это
явление
подъема
или
опускания
уровня жидкости в тонких трубках по сравнению с уровнем жидкости в широком
сосуде называется явлением капиллярности, а трубки для наблюдения этого
явления – капиллярами (греч. "капиллус" – волос).
Из рассмотренных примеров нетрудно заметить, что жидкости,
смачивающие материал, из которого сделан капилляр, будут в нем подниматься
(вода и стекло). И наоборот: жидкости, не смачивающие капилляр, будут в нем
опускаться (стекло и ртуть). Высота подъема (опускания) жидкости в капилляре
зависит от свойств жидкости (её поверхностного натяжения σ и плотности ρ), а
также от радиуса капилляра – чем меньше радиус капилляра, тем больше высота
подъема (опускания) жидкости в капилляре.
Значение капиллярных явлений: питание растений, фитиль, полотенце,
промокашка, боронование почвы. В теле взрослого человека имеется до 160 млрд.
капилляров. Общая длина капилляров достигает 60-80тыс. км.
Таким образом, силы поверхностного натяжения действуют вдоль
поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Поведение жидкости
таково, как если бы она была заключена в упругую пленку, которая стремится
сжать находящуюся в ней жидкость.
Благодаря поверхностному натяжению воды, на её поверхности могут
плавать легкие предметы и бегать водомерки, чем меньше поверхностное
натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань.
Для уменьшения поверхностно натяжения жидкости к ней добавляют
примеси, которые уменьшают поверхностную энергию (мыл, жирные кислоты).
8
Наблюдение поверхностного натяжения. Измерение коэффициента
поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение проявляется в целом ряде опытов.
Эксперимент №1
Образуем мыльную пленку на колечке с ниткой. В эксперименте
отчетливо видно стремление пленки сократиться до наименьших размеров.
Поверхность «туго» натянута.
Пока пленка цела по обе стороны
нитки, нитка имеет форму, которую она
случайно
приняла
при
образовании
пленки.
Если уничтожить пленку по одну сторону нитки, то мыльная пленка по
другую сторону тотчас уменьшит свою поверхность и натянет нитку.
Эксперимент №2
Насыпаем на поверхность воды в сосуде раскрошенную пробку. Этим
приемом мы сделаем заметными перемещения поверхностного слоя воды.
Теперь прикоснемся к поверхности воды маленьким кусочком мыла. Мы
увидим, что порошок стремительно побежит от него во все стороны. Это
показывает, что поверхностное натяжение мыльного раствора меньше, чем
поверхностное натяжение чистой воды.
Но, если мы
в воду опускаем кусочек сахарного леденца, порошок
прислоняется к нему. Это показывает, что поверхностное натяжение сахарного
раствора больше, чем поверхностное натяжение чистой воды.
Так с помощью примесей можно изменить силу поверхностного
натяжения.
Эксперимент №3
Кажется,
невозможно
заставить
стальной
предмет
плавать
на
поверхности воды, а ведь это не так трудно сделать. Аккуратно возьмем иголку
посередине и уроним её в горизонтальном положении на поверхность воды.
9
Вместо иголки можно взять булавку, легкую пуговицу, мелкие плоские
металлические предметы. Наловчившись, можно заставить плавать даже копейку.
Причина плавания этих предметов нам уже известна:
вода плохо
смачивает металл, побывавший в руках и потому покрытый тончайшим слоем
жира. Оттого вокруг плавающего предмета на поверхности воды образуется
вдавленность, её можно даже видеть. Поверхностная пленка жидкости, стремясь
распрямиться, оказывает давление вверх на предметы и тем поддерживает их.
Поддерживает предметы, согласно закону плавания, и выталкивающая сила
жидкости: игла, скрепка, перо и другие предметы выталкиваются снизу с силой,
равной весу вытесненной ими воды.
Эксперимент №4
Мы налили воды в бокал до краев. Он полон. Может быть, для одной двух булавок найдется место в бокале?
Начнем бросать булавки и считать их. Булавки упали на дно –
уровень воды остался неизменным. Десять, двадцать, тридцать булавок…
жидкость не выливается. Пятьдесят, шестьдесят, семьдесят… Целая сотня
булавок лежит на дне, а вода из бокала все еще не выливается.
Не только не выливается, но даже и не поднялась сколько-нибудь
заметным образом над краями. Продолжаем добавлять булавки. Вторая, третья,
четвертая сотня булавок очутилась в сосуде – и ни одна капля не перелилась через
край; но теперь уже видно, как поверхность воды вздулась, возвышаясь немного
над краями бокала. В этом вздутии вся разгадка непонятного явления. Вода мало
смачивает стекло, если оно (пусть даже совсем чуть-чуть) загрязнено жиром; края
же бокала, как и вся употребляемая нами посуда, неизбежно покрывается следами
жира от прикосновения пальцев. Не смачивая краев, вода, вытесняемая булавками
из бокала, образует выпуклость.
10
Эксперимент №5
Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва
стеклянной пластинки
№ опыта
1
2
3
F,Н
0,03
0,029
0,033
l,м
0,212
σ= F/2l,Н/м
0,0708
0,0683
0,0778
σ ср., мН/м
72,3
Вывод. В ходе эксперимента с помощью динамометра был измерен вес
стеклянной пластинки в момент отрыва от воды. С учетом погрешности
динамометра, полученный коэффициент поверхностного натяжения воды равен
72,3 мН/м. Полученное значение
примерно равно табличному значению 72,8
мН/м.
Эксперимент №6
Зависимость коэффициента поверхностного натяжения σ воды от
температуры
№ опыта
1
2
3
F,Н
0,03
0,02
0,018
l,м
0,212
σ= F/2l,Н/м
0,0708
0,0472
0,0425
t0С
18
42
52
σ, мН/м
70
47
43
Зависимость коэффициента
поверхностного натяжения от
температуры
70
80
47
60
43
40
σ, мН/м
20
0
18
42
52
Температура воды в градусах Цельсия
Вывод. В ходе эксперимента было выявлено, что коэффициент поверхностного
натяжения воды зависит от температуры. С повышением температуры
коэффициент поверхностного натяжения воды уменьшается.
11
Эксперимент № 7
Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва
капель
№
М1,
М2,
опыта
кг
кг
1
0,044
0,0417 0,0438
2
3
0,0442
M, кг
Мg, Н
σ=Мg/nπD, σ ср.,
Н/м
мН/м
0,0023 0,0225
0,0717
72,8
0,0022 0,0215 9,8 50 3,14 0,002
0,0687
0,0025 0,0245
0,0780
g,
м/с2
n
π
D, м
Вывод. По результатам данного эксперимента был определен коэффициент
поверхностного натяжения воды. С учетом погрешности при измерении диаметра
трубки и погрешности при измерении массы воды полученные в результате
расчетов коэффициент поверхностного натяжения воды равен 72,8 мН/м. Данное
значение примерно равно табличному значению 72,8 мН/м.
Описанный
способ
экспериментального
определения коэффициента поверхностного натяжения
дает хорошие результаты, несмотря на то, что в
действительности отрыв капли происходит не совсем
так, как описано выше. На самом деле капля не
отрывается по линии окружности шейки. В момент, когда размер капли достигает
значения, определяемого равенством (l=2πR), шейка начинает быстро сужаться,
как это показано на рисунке (г), причем ей сопутствует еще одна маленькая капля,
как это показано на рис. (д).
Эксперимент №5
Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды методом
поднятия жидкости в капилляре
№
опыта
1
2
3
ρ,кг/м³
1000
g,
м/с2
9,8
D,м
h,м
σ=ρghD/4
σ ср., мН/м
0,002
0,015
0,013
0,016
0,0735
0,0637
0,0784
71,9
12
Вывод. По результатам данного эксперимента был определен коэффициент
поверхностного натяжения воды. С учетом погрешности при измерении высоты
подъема жидкости рассчитанный коэффициент поверхностного натяжения воды
равен 71,9 мН/м. Полученное значение примерно равно табличному значению
72,8 мН/м.
Эксперимент №5
Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды методом
отрыва кольца
№ опыта
1
2
3
F,Н
0,02
0,023
0,025
L=2πR,м
0,157
σ= F/2l,Н/м
0,0636
0,0732
0,0796
σ ср., мН/м
72,1
Вывод. В ходе эксперимента с помощью динамометра был измерен вес
алюминиевого кольца в момент отрыва от воды. С учетом погрешности
динамометра полученный коэффициент поверхностного натяжения воды равен
72,1 мН/м. Полученное значение
примерно равно табличному значению 72,8
мН/м.
Значения поверхностного натяжения
Вещество
t0С
Значение σ, мН/м
Экспериментальное
Табличное
Мыльный раствор
37
25
Масло растительное
30
32
47
46
Спирт
20
18
Вода
72,8
72,3
Молоко
20
Вывод. С учетом погрешности динамометра среднее значение коэффициента
поверхностного натяжения воды 72,1 мН/м. Полученное значение
примерно
равно табличному значению 72,8 мН/м.
13
Заключение
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно
положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст
игле утонуть. По этой же причине клоп-водомерка умело использует силу
поверхностного натяжения, удерживающую его на поверхности воды. Он не
тонет, поскольку вес клопа меньше силы поверхностного натяжения. Легкие
водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по
льду. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила
поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это
вода, которая не течет, вода, которую трудно пить.
Скрепка, плавающая на поверхности жидкости. Ее удерживают силы
поверхностного натяжения.
Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не
зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы
большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар.
Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы;
Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для
растений. Пострадали бы важные функции нашего организма.
Проведенные опыты, анализ полученных результатов, представленные в
работе, позволяют сделать выводы:
1. Силы поверхностного натяжения малы и проявляются при малых объёмах
жидкости.
2. Поверхностная энергия жидкости зависит не только от свойств самой
жидкости, но и от свойств среды, с которой жидкость граничит, а также от
температуры жидкости. При увеличении температуры внутренняя энергия
молекул возрастает и, естественно, уменьшается напряжение в пограничном
слое жидкости и, следовательно, уменьшаются силы поверхностного
натяжения.
3. В выполненной исследовательской работе, полно представлены и теория по
данному вопросу, и проделанные эксперименты, которые подробно
14
описываются, и являются доказательством того, что эти силы существуют,
играют большую роль и в природе, и в жизни человека.
Сила
поверхностного
натяжения,
стремясь
сократить,
площадь
поверхности, двигает кровь в капиллярных отверстиях, тем помогая нам попросту
жить.
Силы природные, силы небесные, вы - как основа для силы души. Ведь у
души своя есть поверхность и каждый стремится её защитить!
15
Список литературы
1. Касьянов В. А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 6е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004.
2. Элементарный учебник физики: В 3-х т.: Учебное пособие. Т. 1: Механика.
Теплота. Молекулярная физика / Под ред. Г.С.Ландсберга. – М., 1975.
3.
Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Книга 1. – 20-е
изд., стереотип. – М.: Наука, 1979.
4. Открытая физика. Часть 1: Механика. Механические колебания и волны.
Термодинамика и молекулярная физика. 1cd / под ред. профессора МФТИ
С.М.Козела. – М.: ООО «Физикон», 2005.
5. 6. Физика. Подготовка к ЕГЭ. 10-11 классы: Образовательный комплекс.
1cd. – М: ГУ РЦ ЭМТО; Кирилл и Мефодий, 2003.
16