Как определить поверхностное натяжение глицерина…

Поверхностное натяжение

Как определить поверхностное натяжение глицерина...

Молекулы жидкости взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания, которые проявляются заметно в пределах расстояния r, называемого радиусом молекулярного действия (порядка нескольких диаметров молекулы). Сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия.

Если молекула находится в поверхностном слое, то есть удалена от поверхности менее чем на r, то равнодействующая сил притяжения со стороны окружающих молекул направлена внутрь жидкости. Поэтому для перехода молекулы из внутренней части жидкости на её поверхность требуется совершить работу, в результате свободная энергия поверхности возрастает.

Свободную поверхностную энергию, приходящуюся на единицу поверхности жидкости, называют коэффициентом поверхностного натяжения:

где А — работа, которую нужно совершить, чтобы площадь поверхности увеличить на S. В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения (измеряется в Дж/м2.

В положении равновесия свободная энергия системы минимальна, поэтому жидкость, предоставленная самой себе, стремится сократить свою поверхность. Мысленно ограничим какой-либо участок поверхностного слоя замкнутым контуром.

В нём действуют силы, называемые силами поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности перпендикулярно к участку контура, на который они действуют.

Коэффициент поверхностного натяжения (можно определить и как силу, приходящуюся на единицу длины контура,ограничивающего поверхность:

Единица его измерения в системе СИ: 1Н/м (ньтонах на метр = 1 Дж/м2, или миллиньтонах на метр.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры. С ростом температуры (уменьшается и при критической температуре обращается в нуль.

В зависимости от силы взаимодействия молекул жидкости с частицами твёрдого тела, соприкасающегося с ней, возможно смачивание или не смачивание жидкостью твёрдого тела. В обоих случаях поверхность жидкости вблизи границы с твёрдым телом искривляется…

Поверхностное натяжение воды при различных температурах

t, °СПов. натяжение, мН/м
2072,75
2172,59
2272,44
2372,28
2472,13
2571,97
2671,82

Поверхностное натяжение (при 20° C)

ВеществоПов. натяжение 10-3 Н/м
Азотнаякислота 70%59,4
Анилин42,9
Ацетон23,7
Бензол29,0
Вода72,8
Глицерин59,4
Нефть26
Ртуть465
Сернаякислота 85%57,4
Спиртэтиловый22,8
Уксуснаякислота27,8
Эфирэтиловый16,9

Поверхностное натяжение жидкостей

Веществоq, мН/м
Алюминий расплавленный (приt=7000 0С, в)840
Азот жидкий (при t=-183 0С,п)6,2
Ацетон (п)24
Вода (при t=0 0С,в)75,6
Вода (при t=20 0С,в)72,8
Вода (при t=100 0С,в)58,8
Вода (при t=374,15 0С,в)0
Золото расплавленное (при t=1130 0С, в)1102
Глицерин (в)63
Керосин (при t=0 0С,в)29
Керосин (в)24
Кислород жидкий (приt=-183 0С, в)13,1
Молоко (в)46
Нефть (в)30
Раствор мыла (в)40
Ртуть (п)472
Свинец расплавленный (при t=350 0С, в)442
Серебро расплавленное (при t=970 0С, в)930
Спирт (при t=0 0С,в)22
Эфир (п)17

Поверхностное натяжение водных растворов (в дин/см)
Пересчет в СИ: 1 дин/см = 10-3 Н/м

Растворенное веществоt, °C, масс.%
5102050
H2SO41874,175,277,3
HNO32072,771,165,4
NaOH2074,677,385,8
NaCl1874,075,5
Na2SO41873,875,2
NaNO33072,172,874,479,8
KC11873,674,877,3
KNO31873,073,675,0
K2CO31075,877,079,2106,4
NH31866,563,559,3
NH4C11873,374,5
NH4NO310059,260,161,667,5
MgCl21873,8
CaCl21873,7

29 авг. 07   24 янв. 20, 19:07

      82.2K

Источник: https://www.HomeDistiller.ru/post/poverhnostnoe_natjazhenie

Поверхностное натяжение, формулы и примеры

Как определить поверхностное натяжение глицерина...

Опишем механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Рассмотрим две молекулы A и B.

Молекула A находится внутри жидкости, молекула B – на ее поверхности (рис. 1). Молекула A окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу A со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, или, другими словами, их равнодействующая равна нулю.

Молекула B с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны – молекулами газа, концентрация которых значительно ниже, чем концентрация молекул жидкости.

Так как со стороны жидкости на молекулу B действует гораздо больше молекул, чем со стороны газа, равнодействующая всех межмолекулярных сил уже не будет равна нулю и будет направлена внутрь объема жидкости.

Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил. А это означает, что молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией, которая называется поверхностной энергией.

Очевидно, чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше таких молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, а значит тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

где поверхностная энергия жидкости, площадь свободной поверхности жидкости и коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения

Единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ является .

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит: 1) от природы жидкости (у «летучих жидкостей таких, как эфир, спирт, бензин, коэффициент поверхностного натяжения меньше, чем у «нелетучих – воды, ртути); 2) от температуры жидкости (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение); 3) от свойств газа, который граничит с данной жидкостью; 4) от наличия поверхностно-активных веществ таких, как мыло или стиральный порошок, которые уменьшают поверхностное натяжение. Также следует отметить, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости.

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Вследствие поверхностного натяжения жидкость всегда принимает форму с минимальной поверхностью.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как, например, капля воды, мыльный пузырь. Также будет вести себя вода в невесомости.

Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называютсясилами поверхностного натяжения.

Поэтому коэффициент поверхностного натяжения можно также определить как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего свободную поверхность жидкости:

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т.е.

от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяженияне зависятот площади поверхности жидкости. Если положить швейную иглу на поверхность воды, поверхность прогнется и не даст ей утонуть.

Действием сил поверхностного натяжения можно объяснить скольжение легких насекомых таких, например, как водомерки, по поверхности водоемов (рис.2). Лапка водомерки деформирует водную поверхность, увеличивая тем самым ее площадь.

Вследствие этого возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, компенсируя при этом силу тяжести.

На действии сил поверхностного натяжения основан принцип действия пипетки (рис.3). Капелька, на которую действует сила тяжести, вытягивается вниз, тем самым увеличивая площадь своей поверхности.

Естественно, возникают силы поверхностного натяжения, равнодействующая которых противоположна направлению силы тяжести, и которые не дают капельке растягиваться.

При нажатии на резиновый колпачок пипетки, создается дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, в результате чего капля падает вниз.

Примеры решения задач

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/molekulyarnaya-fizika-i-termodinamika/poverxnostnoe-natyazhenie/

Определение вязкости водных растворов глицерина

Как определить поверхностное натяжение глицерина...

Описанным выше методом (см. п. 3.1) определить вязкость водных растворов глицерина различной концентрации. Концентрации семи различных растворов (объем воды : объем глицерина) указаны на цилиндрических колбах.

В расчете использовать значения плотности растворов, приведенные в таблице 1. Опыт проводить с мелкими стеклянными шариками (ρш = 19,5 г/см3). Выполнить по 3 опыта с раствором каждой концентрации. Результаты занести в таблицу 1.

Построить график зависимости вязкости водного раствора глицерина от его концентрации.

Таблица 1.

Вода : глицерин (по объему) 0:10 1:10 2:10 3:10 4:10 5:10 6:10
Плотность раствора (г/см3) 1,3 1,3 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2
Вязкость раствора
Время падения шарика

Определение вязкости с помощью капиллярного вискозиметра.

Используемый капиллярный вискозиметр представляет собой стеклянную трубку с двумя расширениями, оканчивающуюся капилляром радиусом 1 мм. Сверху на стеклянную трубку надевается короткий резиновый шланг, связывающий ее со шприцом. По обе стороны от нижнего расширения имеются риски, объем жидкости между которыми 3,6 мл.

Порядок выполнения работы:

1) Продуть капилляр с помощью шприца.

2) Нижний кончик капилляра, закрепленного в штативе вертикально, опустить на 2-3 мм ниже уровня жидкости в широкую чашку с водным раствором глицерина (глицерин наливать из банки с маркировкой «Для капиллярного вискозиметра; раствор «вода : глицерин» = 1 : 2; плотность 1,25 г/см3).

3) Раствор с помощью шприца засосать до середины высоты верхнего расширения капиллярного вискозиметра.

4) Измерить секундомером время вытекания 3,6 мл раствора, заключенного между рисками.

5) Использую формулу (7), рассчитать значение вязкости.

Длина капилляра вискозиметра измеряется линейкой. Перепад давления определяется по формуле:

ΔP = ρжg(h1 + h2)/2 (8)

где h1, h2 – расстояние от основания капилляра до рисок на вискозиметре (измеряются линейкой).

Опыт проделать 5 раз. Найти среднее значение вязкости и погрешность ее определения. Сформулировать выводы по работе.

4. Контрольные вопросы.

1. Дать определение динамической, кинематической вязкости.

2. Ламинарное и турбулентное течение.

3. Что характеризует число Рейнольдса? Как связаны макро– и микропараметры в числе Рейнольдса?

4. Почему для выполнения данной работы — для вычисления коэффициента вязкости ή по формуле Пуазейля — необходим капилляр?

5. Из опыта известно, что сила сопротивления движению шарика в жидкости тем больше, чем больше коэффициент внутреннего трения, радиус и скорость падающего шарика. Исходя из соображений размерности, установите, как зависит сила сопротивления от упомянутых параметров.

6. Найти время, через которое устанавливается равномерное падение свинцового шарика в глицерине.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2-2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

1. Цель работы

Ознакомление с явлением поверхностного натяжения жидкости ис методиками экспериментального определения значения коэффициента поверхностного натяжения различных жидкостей (воды, глицерина машинного масла): 1 — методом отрыва кольца; 2 — капиллярным методом.

Теоретические пояснения

Поверхностное натяжение

Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, на­пример, с ее собственным паром, с какой-либо другой жидкостью или с твёрдым телом (в частности, со стенками сосуда, в котором она содер­жится) находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости.

На молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих молекул. Если молекула удалена от поверхности жид­кости на расстояние, превышающее радиус сферы молекулярного дей­ствия, то эти силы в среднем уравновешиваются.

Если же молекула на­ходится в приграничном слое, толщина которого равна радиусу сферы молекулярного действия, то появляется результирующая сила, направ­ленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема гра­ничащей с ней среды.

Вследствие этого перемещение молекулы из по­верхностного слоя вглубь жидкости сопровождается совершением работы.

В случае, если жидкость граничит со своим собственным паром, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что плотность молекул в жид­кости много больше, чем в паре над жидкостью, и поэтому сила притя­жения, испытываемая молекулой со стороны молекул жидкости, боль­ше, чем со стороны молекул пара.

Отсюда следует, что, перемещаясь из поверхностного слоя внутрь жидкости, молекула совершает положительную работу. Наоборот, пе­реход молекул из объема жидкости к поверхности сопровождается отрицательной работой, т.е. требует затраты внешней работы.

Пусть по каким-либо причинам поверхность жидкости уве­личивается. Это значит, что некоторое количество молекул переходит из объема жидкости в поверхностный слой. Если изотермически обратимым путем изменить поверхность на бесконечно малую величину dS, то необходимая для этого работа

dA = -σ dS (1)

Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности (dS >0) со­провождается отрицательной работой.

Коэффициент σ является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0).

Опр.1. Коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на единицу.

Ясно, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают из­быточной потенциальной энергиейпо сравнению с молекулами, нахо­дящимися в объеме жидкости. Эта избыточная потенциальная энергия называется свободной поверхностной энергией.

Как всякая потен­циальная энергия, свободная поверхностная энергия стремится к мини­муму, поэтому поверхность жидкости стремится сократиться. Именнопоэтому в отсутствие сил тяжести жидкость принимает сферическую форму, т.к.

сфера обладает минимальной площадью поверхности при данном объеме ограниченной ею жидкости.

Свободная поверхностная энергия измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости, т.е.

и

Следовательно,

(2)

Итак, можем дать второе определение коэффициента σ.

Опр. 2. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности.

Так как жидкость в равновесии должна иметь минимально возможную поверхность, то должны существовать силы, стремящиеся со­кратить эту поверхность. Эти силы направлены по касательной к поверхностии называются силами поверхностного натяжения.

Для разрыва поверхности необходимо приложить внешние силы, параллельные к поверхности и перпендикулярные к линии разрыва.

Пусть тонкая пленка жидкости (например, мыльного раствора) натянута на проволочную прямоугольную рамку, одна из сторон кото­рой подвижна (рис. 1). Силы поверхностного натяжения принуждают пленку сокращаться, и подвижная перекладина АВ вслед за пленкой перемещается вверх. Чтобы сохранить ее в равновесии, к перекладине нужно приложить силу F в виде груза.

Рис. 1. Схема рамки с мыльным раствором.

Этот опыт может быть использован для определения численного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, обра­зующей пленку. Действительно, поверхностная сила f, с учетом того, что пленка имеет две поверхности (т.к. пленка есть тонкий слой жид­кости), равна при равновесии весу груза F:

2f = F, f = F/2

Если под действием этой силы перекладина переместилась на расстоя­ние dx из положения АВ, то работа, совершенная силой, будет:

dA = fdx

Эта работа равна уменьшению свободной энергии пленки:

dA = dψ.

В свою очередь, dψ = σ dS. В данном случае dS = l dx, где l- длина рамки. Отсюда

dA = σ dS = σ ldx = fdx = (F/2) dx

и

(3)

Итак, получаем третье определение σ:

Опр. 3. Коэффициент поверхностного натяжения равен силе,приходящейся на единицу длины линии разрыва и действующей по касательной к поверхности жидкости,



Источник: https://infopedia.su/11x9ce0.html

Поверхностное натяжение. урок. Физика 10 Класс

Как определить поверхностное натяжение глицерина...

Для начала, обсудим особые свойства, которыми обладают молекулы приповерхностного слоя жидкости по сравнению с молекулами, находящимися в объеме.

Рис. 1. Отличие молекул приповерхностного слоя от молекул, находящихся в объеме жидкости

Рассмотрим две молекулы А и Б. Молекула А находится внутри жидкости, молекула Б – на ее поверхности (Рис. 1). Молекула А окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу А со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, или их равнодействующая равна нулю. 

Что же происходит с молекулой Б, которая находится у поверхности жидкости? Напомним, что концентрация молекул газа, который находится над жидкостью, значительно меньше, чем концентрация молекул жидкости.

Молекула Б с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны – сильно разреженными молекулами газа.

Поскольку со стороны жидкости на нее действует гораздо больше молекул, то равнодействующая всех межмолекулярных сил будет направлена внутрь жидкости. 

Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил.

Вспомним, что работа – это изменение потенциальной энергии, взятое со знаком минус.

Значит, молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией.

Эта избыточная энергия является составляющей внутренней энергии жидкости и называется поверхностной энергией. Обозначается она, как , и измеряется, как и любая другая энергия, в джоулях.

Очевидно, что чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше таких молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, а значит тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения: 

где  – площадь поверхности, а  – коэффициент пропорциональности, который мы назовем коэффициентом поверхностного натяжения, этот коэффициент характеризует ту, или иную жидкость. Запишем строгое определение этой величины.

Поверхностное натяжение жидкости (коэффициент поверхностного натяжения жидкости) – это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости

Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в ньютонах, деленных на метр.

Обсудим, от чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Для начала, вспомним, что коэффициент поверхностного натяжения характеризует удельную энергию взаимодействия молекул, а значит факторы, изменяющие эту энергию, изменят и коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Итак, коэффициент поверхностного натяжения  зависит от:

1. Природы жидкости (у «летучих» жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у «нелетучих» – воды, ртути и жидких металлов).

2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

3. Наличие поверхностно активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например мыла или стирального порошка.

4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Отметим, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади поверхности, так как для одной отдельно взятой приповерхностной молекулы абсолютно неважно, сколько таких же молекул вокруг. Обратите внимание на таблицу, в которой приведены коэффициенты поверхностного натяжения различных веществ, при температуре : 

Таблица 1. Коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом, при

Итак, молекулы приповерхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в объеме жидкости. В курсе механики было показано, что любая система стремится к минимуму потенциальной энергии. Например, тело, брошенное с некоторой высоты, будет стремиться упасть вниз.

Кроме того, вы чувствуете себя намного комфортнее лёжа, поскольку в этом случае максимально низко расположен центр масс вашего тела. К чему приводит стремление уменьшить свою потенциальную энергию в случае жидкости? Поскольку поверхностная энергия зависит от площади поверхности, значит, любой жидкости энергетически невыгодно иметь большую площадь поверхности.

Иными словами, в свободном состоянии жидкость будет стремиться сделать свою поверхность минимальной.

В этом легко убедиться, экспериментируя с мыльной пленкой. Если окунуть в мыльный раствор некий проволочный каркас, то на нем образуется мыльная пленка, при чем пленка приобретет такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (Рис. 2).

Рис. 2. Фигуры из мыльного раствора

Убедиться в существовании сил поверхностного натяжения можно при помощи простого эксперимента.

Если к проволочному кольцу в двух местах привязана нить, причем так, чтобы длина нити была несколько больше длины хорды, соединяющей точки крепления нити, и обмакнуть проволочное кольцо в мыльный раствор (Рис.

3а), мыльная пленка затянет всю поверхность кольца и нить будет лежать на мыльной пленке. Если теперь порвать пленку с одной стороны нити, мыльная пленка, оставшаяся с другой стороны нити, сократится и натянет нить (Рис. 3б).

Рис. 3. Эксперимент по обнаружению сил поверхностного натяжения

Почему же так произошло? Дело в том, что оставшийся сверху мыльный раствор, то есть жидкость, стремится сократить площадь своей поверхности. Таким образом, нить вытягивается вверх.

Итак, в существовании силы поверхностного натяжения мы убедились. Теперь научимся ее рассчитывать. Для этого проведем мысленный эксперимент. Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна (Рис. 4).

Будем растягивать мыльную пленку, действуя на подвижную сторону рамки силой . Таким образом, на перекладину действуют три силы – внешняя сила  и две силы поверхностного натяжения , действующие вдоль каждой поверхности пленки.

Воспользовавшись вторым законом Ньютона, можем записать, что 

Рис. 4. Вычисление силы поверхностного натяжения

Если под действием внешней силы перекладина переместится на расстояние , то эта внешняя сила совершит работу 

.  (*).

Естественно, что за счет совершения этой работы площадь поверхности пленки увеличится, а значит, увеличится и поверхностная энергия, которую мы можем определить через коэффициент поверхностного натяжения: 

Изменение площади, в свою очередь можно определить следующим образом: 

где  – длина подвижной части проволочной рамки. Учитывая это, можно записать, что работа внешней силы равна 

. (**). 

Приравнивая правые части в (*) и (**), получим выражение для силы поверхностного натяжения: 

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины линии, ограничивающей поверхность 

Итак, мы еще раз убедились в том, что жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной. Можно показать, что при заданном объеме площадь поверхности будет минимальной у шара.

Таким образом, если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать сферическую форму. Так, например, будет вести себя вода в невесомости (Рис. 5) или мыльные пузыри (Рис.

6).

Рис. 5. Вода в невесомости

Рис. 6. Мыльные пузыри

Наличием сил поверхностного натяжения также можно объяснить то, почему металлическая иголка «лежит» на поверхности воды (Рис. 7).

Иголка, которую аккуратно положили на поверхность, деформирует ее, увеличивая тем самым площадь этой поверхности. Таким образом, возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади.

Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, и она скомпенсирует силу тяжести.

Рис. 7. Иголка на поверхности воды

Таким же образом можно объяснить принцип действия пипетки. Капелька, на которую действует сила тяжести, вытягивается вниз, тем самым увеличивая площадь своей поверхности.

Естественно, возникают силы поверхностного натяжения, равнодействующая которых противоположна направлению силы тяжести, и которые не дают капельке растягиваться (Рис. 8).

Когда вы нажимаете на резиновый колпачок пипетки, вы тем самым создаете дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, и в результате, капля падает вниз.

Рис. 8. Принцип работы пипетки

Приведем еще один пример из повседневной жизни. Если опустить кисточку для рисования в стакан с водой, то ее волоски распушатся. Если теперь вынуть эту кисточку из воды, то вы заметите, что все волоски прилипли друг к другу. Это связано с тем, что площадь поверхности воды, налипшей на кисточку, в таком случае будет минимальной.

И еще один пример. Если вы захотите построить замок из сухого песка, это у вас вряд ли получится, поскольку песок будет рассыпаться под действием силы тяжести. Однако если вы намочите песок, то он будет сохранять свою форму благодаря силам поверхностного натяжения воды между песчинками.

Наконец, отметим, что теория поверхностного натяжения помогает найти красивые и простые аналогии при решении более сложных физических задач.

Например, когда нужно построить лёгкую и в то же время прочную конструкцию, на помощь приходит физика того, что происходит в мыльных пузырях.

А построить первую адекватную модель атомного ядра удалось, уподобив это атомное ядро капле заряженной жидкости.

Список литературы

  1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. «Физика 10». – М.: Просвещение, 2008.
  2. Я. Е. Гегузин «Пузыри», Библиотека Квант. – М.: Наука, 1985.
  3. Б. М. Яворский, А. А. Пинский «Основы физики» т. 1.
  4. Г. С. Ландсберг «Элементарный учебник физики» т. 1.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

  1. Решив задачи к данному уроку, вы сможете подготовиться к вопросам 7,8,9 ГИА и вопросам А8, А9, A10 ЕГЭ.
  2. Гельфгат И.М., Ненашев И.Ю. «Физика. Сборник задач 10 класс» 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 (Источник)
  3. Опираясь на задачу 5.47, определите коэффициент поверхностного натяжения воды и мыльного раствора.

Список вопросов-ответов

Вопрос: Почему поверхностное натяжение меняется с изменением температуры?

Ответ: При увеличении температуры, молекулы жидкости начинают двигаться быстрее, и следовательно, молекулы легче преодолевают потенциальные силы притяжения. Что и приводит к уменьшению сил поверхностного натяжения, являющихся потенциальными силами, которыми связываются молекулы приповерхностного слоя жидкости.

Вопрос: Зависит ли коэффициент поверхностного натяжения от плотности жидкости?

Ответ: Да, зависит, поскольку от плотности жидкости зависит энергия молекул приповерхностного слоя жидкости.

Вопрос: Какие существуют способы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости?

Ответ: В школьном курсе изучаютдва способа определениякоэффициента поверхностного натяжения жидкости. Первый – это метод отрыва проволочки, его принцип описан в задаче 5.44 из домашнего задания, второй – метод счета капель, описанный в задаче 5.47.

Вопрос: Почему через некоторое время мыльные пузыри разрушаются?

Ответ: Дело в том, что через некоторое время, под действием силы тяжести пузырь становится толще внизу, чем вверху, и затем под влиянием испарения разрушается в какой-либо точке. Это приводит к тому, что весь пузырь, подобно воздушному шарику, схлопывается под действием не скомпенсированных сил поверхностного натяжения.

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-termodinamiki/poverhnostnoe-natyazhenie

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Как определить поверхностное натяжение глицерина...

Вещество, находящееся в жидком состоянии, характеризуется крайне плотным расположением молекул друг относительно друга.

Отличаясь от твердых кристаллических тел, чьи молекулы формируют упорядоченные структуры по всему объему кристалла и ограничены в своих тепловых колебаниях фиксированными центрами, молекулы жидкости обладают значительной степенью свободы.

Любая конкретная молекула жидкого вещества, как это происходит и в твердых телах, «зажата» соседними молекулами и может совершать тепловые колебания поблизости с некоторым положением равновесия. Несмотря на это, в какой-то момент, любая молекула может переместиться на соседнее вакантное место.

Подобные перемещения в жидкостях происходят довольно часто, благодаря чему молекулы не привязаны к конкретным центрам, как в кристаллах, а имеют возможность перемещаться по всему объему жидкости. Именно на этом факте основывается текучесть жидкостей.

Определение 1

По причине сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные, то есть неустойчивые, упорядоченные группы, включающие в себя несколько молекул. Данное явление носит название ближнего порядка (рис. 3.5.1).

Рисунок 3.5.1. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

Свойства жидкостей

На рисунке 3.5.2, на примере воды, проиллюстрировано различие между газообразным веществом и жидкостью. Молекула воды H2O включает в свой состав один атом кислорода и два атома водорода, которые расположены под углом 104°.

В среднем, расстояние между молекулами пара в десятки раз больше, чем между молекулами воды. На рисунке 3.5.2, в отличие от рисунка 3.5.

1, на котором молекулы воды представляют из себя шарики, дается представление о структуре молекулы воды.

Рисунок 3.5.2.Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·107 раз.

Сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема вещества при изменении давления, по причине плотности расположения молекул в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем сжимаемость газов. К примеру, чтобы изменить объем воды всего на 1 % необходимо повысить значение давления примерно в 200 раз. Подобное увеличение давления по сравнению с атмосферным достигается на глубине близкой к 2 км.

Подобно твердым телам, жидкости имеют свойство менять свой объем при изменении температуры. В случае не самых больших интервалов температур относительное изменение объема ΔVV0 пропорционально изменению температуры ΔT, что может быть записано в виде следующего соотношения: 

ΔVV0=β∆T.

В котором коэффициент β представляет собой температурный коэффициент объемного расширения. Данный коэффициент у жидкостей в десятки раз превышает значение такого же у твердых тел.

Пример 1

К примеру, у воды в случае, если температура равна 20 °С βв≈2·10–4 К–1, у стали βст≈3,6·10–5 К–1, у кварцевого стекла βкв≈9·10–6 К–1.

Тепловое расширение воды обладает важным для жизни на Земле эффектом. В условиях температуры ниже 4 °С вода начинает расширяется при снижении температуры β0).

Определение 2

Из всего вышесказанного следует, что коэффициент поверхностного натяжения — это величина равная 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 же в ньютонах на метр (1 Н/м=1 Дж/м2).

Таким образом, по сравнению с молекулами внутри жидкости молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной потенциальной энергией. Потенциальная энергия Eр поверхности жидкости пропорциональна ее площади и выражается в виде следующей формулы: 

Eр=Aвнеш=σS.

Из раздела механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Следовательно, свободная поверхность жидкости стремится уменьшить свою площадь. По данной причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму.

Определение 3

Жидкость ведет себя таким образом, будто по касательной к ее поверхности действуют сокращающие данную поверхность силы. Такие силы называются силами поверхностного натяжения.

Силы поверхностного натяжения влияют на поверхность жидкости таким образом, что она становится похожей на упругую растянутую пленку, с той лишь разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности, то есть от степени деформированности пленки, а силы поверхностного натяжения, зависимости от площади поверхности жидкости не имеют.

Пример 2

Некоторые жидкости, например, мыльная вода, имеют способность формировать тонкие пленки.

Хорошо известные каждому человеку мыльные пузыри обладают правильной сферической формой, в чем также проявляется воздействие сил поверхностного натяжения.

В случае, когда в мыльный раствор опускают проволочную рамку с одной подвижной стороной, вся она затягивается пленкой жидкости, как это показано на рисунке 3.5.3.

Рисунок 3.5.3. Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы Fвн→ и результирующей сил поверхностного натяжения Fн→.

Силы поверхностного натяжения действуют на уменьшение поверхности пленки. Ради равновесия подвижной стороны рамки к ней необходимо приложить внешнюю силу
Fвн→=-Fн→.

Если воздействие силы Fвн→ спровоцирует перемещение перекладины на некоторое Δx, то будет произведена работа ΔAвн=FвнΔx=ΔEp=σΔS, где ΔS=2LΔx является увеличением площади поверхности обеих сторон мыльной пленки.

По той причине, что модули сил Fвн→ и Fн→ эквивалентны, справедливой будет запись: 

Fн∆x=σ2L∆x или σ=Fн2L.

Определение 4

Исходя из этого, можно заявить, что коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

По причине воздействия сил поверхностного натяжения на капли жидкости и их действия внутри мыльных пузырей появляется некоторое избыточное давление Δp.

При мысленном разрезании сферической капли с радиусом R на две равные части каждая из половин должна находиться в равновесии под действием приложенных к границе разреза длиной 2πR и сил избыточного давления, действующих на площадь πR2 сечения (рис.

 3.5.4) сил поверхностного натяжения. Условие равновесия может быть записано в следующем виде:

σ2πR=∆pπR2.

Исходя из этого, можно заявить, что избыточное давление внутри капли эквивалентно: 

∆p=2σR(капля жидкости).

Рисунок 3.5.4.Сечение сферической капли жидкости.

Из-за того, что пленка обладает двумя поверхностями, величина избыточного давления внутри мыльного пузыря в два раза выше, чем в капле: 

∆p=4σR(мыльный пузырь).

Пренебрегая взаимодействием с молекулами газа, можно сказать, что поблизости с границей между твердым телом, жидкостью и газом форма свободной поверхности жидкости зависима от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. 

Определение 5

В случае, когда данные силы превышают силы взаимодействия между молекулами жидкости, жидкость смачивает поверхность твердого тела. В таком случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым характерным для данной пары жидкость – твердое тело острым углом θ. Такой угол носит название краевого угла.

Краевой угол θ является тупым (рисунок 3.5.5), в случае, если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела. В подобном случае можно сказать, что поверхность твердого тела не смачивается жидкостью. В условиях полного смачивания θ=0, полного несмачивания θ=180°.

Рисунок 3.5.5. Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей.

Капиллярные явления

Определение 6

Капиллярными явлениями называют процесс подъема или опускания жидкости в трубках малого диаметра, другими словами, в капиллярах.

Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рисунке 3.5.6 проиллюстрирована опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ капиллярная трубка, обладающая некоторым радиусом r. При этом верхний конец капилляра является открытым.

Подъем жидкости в капилляре будет происходить до тех пор, пока сила тяжести Fт→, оказывающая воздействие на столб жидкости в капилляре, не станет эквивалентна по модулю результирующей Fн действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра сил поверхностного натяжения: Fт=Fн, где Fт=mg=ρhπr2g, Fн=σ2πr cos θ.

Из этого следует: 

h=2σ cos θρgr.

Рисунок 3.5.6. Подъем смачивающей жидкости в капилляре.

При полном смачивании θ=0, cos θ=1. В таком случае:

h=2σρgr.

При полном несмачивании θ=180°, cos θ=–1 и, соответственно, h

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/molekuljarno-kineticheskaja-teorija/svojstva-zhidkostej-poverhnostnoe-natjazhenie/

Biz-books
Добавить комментарий