Роль капиллярных явлений в природе, быту, технике
advertisement
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ Работу выполнили: Петряева Ю. и Сафронова Я., ученицы 7Б кл. лицея №1 Руководитель: Александрова Н.В. ЭТОТ УДИВИТЕЛЬНЫЙ МИР Мы живём в мире удивительных природных явлений. Их множество, мы встречаемся с ними каждый день, не задумываясь о сущности. Но человек как разумный феномен должен понимать суть этих явлений. Такие явления как смачивание и не смачивание, капиллярные явления играют большую роль в природе, быту, технике. ЦЕЛЬЮ ИССЛЕДОВАНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ, ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ, АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ В СВЕТЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗНАНИЙ ПО ДАННОЙ ТЕМЕ. Для достижения цели были поставлены и последовательно решены следующие задачи: - изучение теоретического материала; - проведение экспериментальных исследований; - анализ полученных результатов; - экспериментальное измерение коэффициента поверхностного натяжения различными методами, определить достоинства и недостатки этих методов; - экспериментальное измерение диаметров капилляров различных материалов. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. СТРОЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед. Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 107 раз. НАЛИЧИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ 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 натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Это мы видим из опыта с проволочной рамкой. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ДОКАЗЫВАЮЩИЕ СУЩЕСТВОВАНИЕ СИЛ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ Кажется невозможным заставить стальное лезвие или иглу плавать на поверхности воды, а между тем это не так трудно сделать. На поверхность воды положим лезвие безопасной бритвы. Это объясняется тем, что прогнутый поверхностный слой, стремясь сократиться, создает силу направленную вверх, и ведет себя как упругая пленка. НАСЕКОМЫЕ-ВОДОМЕРКИ В водоемах на поверхности воды свободно бегают и прыгают насекомыеводомерки, «поддерживаемые» силой поверхностного натяжения и благодаря воздушным подушкам в густом слое волосков на длинных подошвах четырех из шести своих лапок. БЕЗДОННЫЙ БОКАЛ Попробуем в до краёв наполненный водой стакан опускать канцелярские скрепки. Сколько скрепок можно опустить в него до момента выливания воды через край? Угадать сложно – целых 96. А все за счет «упругой пленки» на поверхности, и какая она становится выпуклой! Просто бездонный стакан! МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ Стремление поверхности жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать с помощью мыльных пузырей. Умеете ли вы выдувать мыльные пузыри? Это не так просто, как кажется. Приготовим мыльный раствор из воды, шампуня и сахара и будем выдувать мыльные пузыри. Уменье выдувать большие и красивые пузыри – своего рода искусство, требующее упражнения. Марк Твен назвал мыльный пузырь самым изысканным чудом природы! ЕСТЕСТВЕННАЯ ФОРМА ЖИДКОСТИ Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него. Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда "теряет” свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует – и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму. Подсолнечное масло плавает в воде, но тонет в спирте. ЕСТЕСТВЕННАЯ ФОРМА ЖИДКОСТИ Приготовим такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. В стакан нальем тройной одеколон, капнем в него несколько капель подсолнечного масла, наблюдаем шарики масла. Чтобы эти шарики начали подниматься вверх, добавляем в одеколон немного воды. Введём в эту смесь немного масла посредством шприца, мы увидим странную вещь. СЛОЁННАЯ ЖИДКОСТЬ А можно ли налить жидкости разной плотности отдельными слоями? Это возможно, потому что каждая из них образует на границе с другой жидкостью поверхностный слой - «упругую пленку» Она и удерживает жидкости от смешивания. ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ ЕЁ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА В широкий стеклянный сосуд нальем воды. На её поверхность насыпем равномерно тальк. Прикоснемся к центру поверхности воды кусочком мыла, частицы талька придут в движение в направлении от центра к краям сосуда, образовав «окно». ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ ЕЁ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА Мыло и синтетические моющие средства содержат вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды, поэтому мы их так широко и используем. Теперь прикоснемся к центру поверхности воды кусочком сахара (или соли), частицы талька придут в движение от краев сосуда к центру. ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ ЕЁ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА Вырежем из фольги «пушку» со снарядом. Теперь прикоснемся в центре «пушки» к поверхности воды мылом, снаряд из «пушки» вылетит.. А если прикоснуться кусочком сахара (или соли), то снаряд наоборот влетит в «пушку». СМАЧИВАНИЕ И НЕ СМАЧИВАНИЕ Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. СМАЧИВАНИЕ И НЕ СМАЧИВАНИЕ – ПОНЯТИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЕ Вода смачивает стекло, дерево, хлопок, кожу и растекается по этим материалам, стараясь как можно больше увеличить поверхность соприкосновения. Вода растекается по стеклу. Смачивание и не смачивание понятия относительные: жидкости, смачивающие одни поверхности, не смачивают другие. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов. СМАЧИВАНИЕ И НЕ СМАЧИВАНИЕПОНЯТИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЕ На фото подкрашенная вода на поверхности парафина парафин не смачивается водой Вода на поверхности чистого стекла (сверху) растеклась смачивает, а на поверхности стекла покрытого слоем масла (внизу) собрана в каплю – не смачивает эту поверхность. Вода (сверху) и подсолнечное масла (внизу) на поверхности чистого стекла. Масло не смачивает поверхность стекла. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЛИ КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, не смачивающие – опускаются. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра. Если жидкость не смачивающая, то ее мениск выпуклый, и капиллярное давление направлено вниз; жидкость в капилляре находится под большим давлением, чем атмосферное, и ее уровень в капилляре ниже, чем в сообщающемся широком сосуде. Если жидкость смачивающая, то ее мениск вогнутый, капиллярное давление направлено вверх; жидкость в капилляре находится под меньшим давлением, чем атмосферное, и ее уровень в капилляре выше, чем в сообщающемся широком сосуде. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ КАПИЛЛЯРОВ ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ КАПИЛЛЯРОВ Радиус капилляра, R, мм Высота поднятия жидкости в капилляре, h, мм Коэффициент поверхностного натяжения, σ, Н/м 1,25 6,4 0,0724 2 3,8 0,0745 2,5 3 0,0735 3 2,4 0,071 4,5 2 0,069 Среднее значение 0,07208 ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА КАПИЛЛЯРА НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА КАПИЛЛЯРА НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ Вид ткани Фланель Ситец Махровая ткань Сатин Высота поднятия воды Диаметр капилляра, по капиллярам, h, мм d, мм 150 0,196 110 0,267 90 0,326 70 0,420 РОЛЬ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ Такие явления как поверхностное натяжение, смачивание и не смачивание, капиллярные явления играют большую роль в природе, быту, технике: агротехнологические приемы регулирования водного режима почвы, гидроизоляция фундаментов зданий при строительстве, использование различных моющих средств, действие флотоагентов при обогащении руд (флотация) и т.п. Они важны как в повседневной жизни, так и для решения важнейших научнотехнических задач. Роль поверхностных явлений в жизни животного мира очень разнообразна. Например, поверхностная пленка воды используется многими насекомыми в качестве опоры при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду конечными члениками широко расставленных лапок; лапка, покрытая налетом, не смачивается водой, поверхностный слой прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным же образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, а перпендикулярно. Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключенный между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает ее «запас плавучести», действуя подобно спасательному кругу. Воскообразный налет на листьях растений препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений. РОЛЬ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим капиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т.е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай. РОЛЬ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ По капиллярам почвы поднимается вода из глубинных слоев в поверхностные. Уменьшая диаметр почвенных капилляров путем уплотнения почвы, можно усилить приток воды к поверхности почвы, т.е. к зоне испарения и этим ускорить высушивание почвы. И, наоборот, разрыхляя поверхность почвы и разрушая тем самым капилляры, можно задержать приток воды к зоне испарения и замедлить высушивание почвы. Именно на этом основаны агротехнические приемы регулирования водного режима почвы РОЛЬ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ В технике капиллярные явления имеют огромное значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т.п. Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров. РОЛЬ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма. Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5мм; в теле взрослого человека до 160 млрд. капилляров, общая длина их 60-80 тыс. км. Капилляры доставляют кровь непосредственно к каждой клетке. Нарушение работы капилляров – основа всех болезней. Поэтому изучение капиллярных явлений важно для развития медицины. Спасибо за внимание
