Поверхневий натяг рідини залежить від таких параметрів. Поверхневий шар рідини. Поверхневий натяг. Коефіцієнт поверхневого натягу та його залежність від температури та домішок ПАР. Результат дії поверхневого натягу

На цьому уроці йтиметься про рідини та їх властивості. З погляду сучасної фізики, рідини є найбільш складним предметом досліджень, тому що в порівнянні з газами вже не можна говорити про зневажливо малу енергію взаємодії між молекулами, а в порівнянні з газами твердими тіламине 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, поверхневе 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 наведено 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 силі поверхневого 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 побудувати замок із сухого піску, це у вас навряд чи вийде, оскільки пісок розсипатиметься 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 при вирішенні 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.

Поняття поверхневого натягу

Поверхневим натягомназивається термодинамічна характеристика поверхні поділу фаз, визначена як робота оборотного ізотермічного утворення одиниці, що плошали цієї поверхні. Для рідини поверхневе натяг розглядається як сила, що діє на одиницю довжини контуру поверхні і прагне скоротити поверхню до мінімуму при заданих обсягах фаз.

Нафта - це нафтова дисперсна система, що складається з дисперсної фази та дисперсійного середовища.

Поверхня частинки дисперсної фази (наприклад, асоціат асфальтенів, глобула води тощо) має деякий надлишок вільної поверхневої енергії F s, пропорційної площі поверхні розділу фаз S:

Величина σ може розглядатися не тільки як питома поверхнева енергія, але і як сила, прикладена до одиниці довжини контуру, що обмежує поверхню, спрямована вздовж цієї поверхні перпендикулярно контуру і прагне стягти або зменшити цю поверхню. Ця сила зветься поверхневого натягу.

Дія поверхневого натягу можна наочно подати у вигляді сукупності сил, що стягують краї поверхні до центру.

Довжина кожної стрілочки вектора відбиває величину поверхневого натягу, а відстань з-поміж них відповідає прийнятої одиниці довжини контуру поверхні. Як розмірність величини σ однаково використовуються як [Дж/м 2 ] = 10 3 [ерг/см 2 ], так і [Н/м] = 10 3 [дин/см].

Внаслідок дії сил поверхневого натягу рідина прагне скоротити свою поверхню, і якщо вплив сили земного тяжіння незначно, рідина набуває форми кулі, що має мінімальну поверхню на одиницю об'єму.

Поверхневий натяг по-різному різних групвуглеводнів - максимально для ароматичних та мінімально для парафінових. Зі збільшенням молекулярної маси вуглеводнів воно підвищується.

Більшість гетероатомних сполук, маючи полярні властивості, мають поверхневий натяг нижче, ніж вуглеводні. Це дуже важливо, оскільки їх наявність відіграє значну роль в утворенні водонафтових та газонафтових емульсій та у подальших процесах руйнування цих емульсій.

Параметри, що впливають на поверхневий натяг

Поверхневий натяг суттєво залежить від температури та тиску, а також від хімічного складурідини та стикається з нею фази (газ або вода).

З підвищенням температури поверхневий натяг зменшується і за критичної температури дорівнює нулю. Зі збільшенням тиску поверхневий натяг у системі газ - рідина також знижується.

Поверхневий натяг нафтопродуктів може бути знайдений розрахунковим шляхом за рівнянням:

Перерахунок σ від однієї температури T 0до іншої Tможна проводити за співвідношенням:

Значення поверхневого натягу для деяких речовин.

Речовини, добавка яких до рідини зменшує її поверхневий натяг, називають поверхнево-активними речовинами(ПАР).

Поверхневий натяг нафти і нафтопродуктів залежить кількості присутніх у яких поверхнево-активних компонентів (смолистих речовин, нафтенових та інших органічних кислот тощо. п.).

Нафтопродукти з малим вмістом поверхнево-активних компонентів мають найбільше значення поверхневого натягу на кордоні з водою, з більшим вмістом – найменше.

Добре очищені нафтопродукти мають високий поверхневий натяг на кордоні з водою.

Зниження поверхневого натягу пояснюється адсорбцією ПАР на межі поділу фаз. Зі збільшенням концентрації ПАВ, що додається, поверхневий натяг рідини спочатку інтенсивно знижується, а потім стабілізується, що свідчить про повне насичення поверхневого шару молекулами ПАР. Природними поверхнево-активними речовинами, які різко змінюють поверхневий натяг нафт і нафтопродуктів, є спирти, феноли, смоли, асфальтени, різні органічні кислоти.

З поверхневими силами на межі розділу твердої та рідкої фаз пов'язані явища змочування та капілярні явища, на яких засновані процеси міграції нафти в пластах, підйом гасу та олії по гніт ламп і масляків і т. д.

Експериментальне визначення поверхневого натягу

Для експериментального визначення поверхневого натягу нафт та нафтопродуктів застосовуються різні методи.

Перший метод (а) заснований на вимірі сили, необхідної для відриву кільця поверхні розділу двох фаз. Ця сила пропорційна подвоєній силі кола кільця. При капілярному методі (б) вимірюють висоту підйому рідини капілярної трубці. Недоліком його є залежність висоти підйому рідини як від величини поверхневого натягу, а й від характеру змочування стінок капіляра досліджуваної рідиною. Більш точним різновидом капілярного методу є метод висячої краплі (в), заснований на вимірі маси краплі рідини, що відривається від капіляра. На результати вимірювання впливають щільність рідини та розміри краплі та не впливає кут змочування рідиною твердої поверхні. Цей метод дозволяє визначати поверхневий натяг у судинах високого тиску.

Найбільш поширеним та зручним способом вимірювання поверхневого натягу є спосіб найбільшого тиску бульбашок або крапель (г), що пояснюється простотою конструкції, високою точністю та незалежністю визначення від змочування.

Цей спосіб заснований на тому, що при видавлюванні пляшечки повітря або краплі рідини з вузького капіляра в іншу рідину поверхневий натяг σ на кордоні з тією рідиною, в яку випускається крапля, пропорційно до найбільшого тиску, необхідного для видавлювання краплі.

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, поверхневе 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 силі поверхневого 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 із повсякденного життя. 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 побудувати замок із сухого піску, це у вас навряд чи вийде, оскільки пісок розсипатиметься 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 при вирішенні 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 ядро ​​краплі 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 із 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 весь міхур, подібно до повітряної кульки, схлопується під дією не скомпенсованих сил поверхневого натягу.

ВИЗНАЧЕННЯ

Поверхневий натяг- Прагнення рідини скоротити свою вільну поверхню, тобто. зменшити надлишок своєї потенційної енергії на межі розділу із газоподібною фазою.

Опишемо механізм виникнення поверхневого натягуу рідинах. Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь обсяг посудини, в яку вона налита. Між рідиною та газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах порівняно з рештою маси рідини. Розглянемо дві молекули A та B. Молекула A знаходиться всередині рідини, молекула B – на її поверхні (рис. 1). Молекула A оточена іншими молекулами рідини рівномірно, тому сили, що діють на молекулу A з боку молекул, що потрапляють у сферу міжмолекулярної взаємодії, скомпенсовані, або, іншими словами, їх рівнодіюча дорівнює нулю. Молекула B з одного боку оточена молекулами рідини, з другого боку - молекулами газу, концентрація яких значно нижче, ніж концентрація молекул рідини. Так як з боку рідини на молекулу B діє набагато більше молекул, ніж з боку газу, рівнодіюча всіх міжмолекулярних сил вже не дорівнюватиме нулю і буде спрямована всередину об'єму рідини. Таким чином, для того, щоб молекула з глибини рідини потрапила в поверхневий шар, потрібно здійснити роботу проти некомпенсованих міжмолекулярних сил. А це означає, що молекули приповерхневого шару, в порівнянні з молекулами всередині рідини, мають надмірну потенційну енергію, яка називається поверхневою енергією.

Очевидно, 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 поверхнева енергія рідини, площа вільної поверхні рідини та коефіцієнт пропорційності, який називається коефіцієнт поверхневого натягу.

Коефіцієнт поверхневого натягу

ВИЗНАЧЕННЯ

Коефіцієнт поверхневого натягу- це фізична величина, яка характеризує цю рідину і чисельно дорівнює відношенню поверхневої енергії до площі вільної поверхні рідини:

Одиницею виміру коефіцієнта поверхневого натягу у системі СІ є .

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини залежить: 1) від природи рідини (у летких рідин таких, як ефір, спирт, бензин, коефіцієнт поверхневого натягу менше, ніж у нелетких - води, ртуті); 2) від температури рідини (що вище температура, тим менше поверхневий натяг); 3) від властивостей газу, що межує з цією рідиною; 4) від наявності поверхнево-активних речовин, таких як мило або пральний порошок, які зменшують поверхневий натяг. Також слід зазначити, що коефіцієнт поверхневого натягу не залежить від площі вільної поверхні рідини.

Із механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Внаслідок поверхневого натягу рідина завжди набуває форми з мінімальною поверхнею. Якщо на рідину не діють інші сили або їх дія мало, рідина буде прагнути набувати форми сфери, як, наприклад, крапля води, мильна бульбашка. Також поводитиметься вода у невагомості. Рідина поводиться так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.

Тому коефіцієнт поверхневого натягуможна також визначити як модуль сили поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини контуру, що обмежує вільну поверхню рідини:

Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією лише різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежать від площі поверхні рідини. Якщо покласти швейну голку на поверхню води, поверхня прогнеться і не дасть потонути. Дія сил поверхневого натягу можна пояснити ковзання легких комах таких, наприклад, як водомірки, по поверхні водойм (рис.2). Лапка водомірки деформує водну поверхню, тим самим збільшуючи її площу. Внаслідок цього виникає сила поверхневого натягу, яка прагне зменшити таку зміну площі. Рівнодійна сила поверхневого натягу буде спрямована вгору, компенсуючи при цьому силу тяжіння.

На дії сил поверхневого натягу ґрунтується принцип дії піпетки (рис.3). Крапелька, на яку діє сила тяжіння, витягується вниз, тим самим збільшуючи площу своєї поверхні. Звісно, ​​виникають сили поверхневого натягу, рівнодіюча яких протилежна напрямку сили тяжіння, і які не дають крапельці розтягуватися. При натисканні на гумовий ковпачок піпетки створюється додатковий тиск, який допомагає силі тяжіння, внаслідок чого крапля падає вниз.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Тонке алюмінієве кільце радіусом 7,8 см стикається з мильним розчином. Яким зусиллям можна відірвати кільце від розчину? Температуру розчину вважати кімнатною. Маса кільця 7 р.
Рішення	Виконаємо малюнок. На кільце діють такі сили: сила тяжіння, сила поверхневого натягу та зовнішня сила. Так як кільце стикається з розчином і зовнішньою та внутрішньою сторонами, то сила поверхневого натягу дорівнює: Довжина контуру, що обмежує поверхню рідини в даному випадку дорівнює довжині кола кільця: З урахуванням останнього сила поверхневого натягу: Умова відриву кільця від поверхні розчину має вигляд: З таблиць коефіцієнт поверхневого натягу мильного розчину при кімнатній температурі. Прискорення вільного падіння Переведемо одиниці у систему СІ: радіус кільця маса кільця кг. Обчислимо:
Відповідь	Для того щоб відірвати кільце від розчину. необхідно докласти чинності 0,11 Н.

ПРИКЛАД 2

Завдання	Яка кількість енергії звільняється при злитті дрібних водяних крапель радіусом мм в одну краплю радіусом 2 мм?
Рішення	Зміна потенційної енергії поверхневого шару крапель, обумовлена ​​зменшенням площі поверхні крапель при їх злитті в одну краплю дорівнює: деплоща поверхні всіх дрібних крапель, площа поверхні великої краплі, коефіцієнт поверхневого натягу води. Очевидно, що: де r – радіус маленької краплі, R – радіус великої краплі, n – кількість маленьких крапель. Маса маленької краплі: маса великої краплі: Так як маленькі краплі зливаються в одну велику краплю, можна записати: звідки кількість маленьких крапель: а площа поверхні всіх маленьких крапель: Тепер знайдемо кількість енергії, що звільняється при злитті крапель: З таблиць коефіцієнт поверхневого натягу води. Переведемо одиниці у систему СІ: радіус маленької краплі радіус великої краплі . Обчислимо:
Відповідь	При злитті крапель звільняється енергія Дж.

ПРИКЛАД 3

Завдання	Визначити коефіцієнт поверхневого натягу олії, щільність якого дорівнює, якщо при пропусканні через піпетку олії отримано 304 краплі. Діаметр шийки піпетки 1,2 мм.
Рішення	Крапля олії відривається від піпетки, коли сила тяжіння дорівнює силі поверхневого натягу: