IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ БУМАГИ
Михеева Д.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

В своей жизни мы часто сталкиваемся с привычными и обыкновенными вещами. Кто из нас не пользовался бумажными салфетками, бумажными платочками и полотенцами, не рисовал красками в альбоме, не склеивал бумагу и картон? Почему они впитывают влагу и делают это по-разному? От чего это зависит? Эти вопросы меня очень заинтересовали. Это всё связано с явлениями смачиваемости и несмачиваемости, с капиллярными явлениями.

Проблема: от чего зависит различная впитываемость жидкости в различных видах бумажных изделиях? Я самостоятельно решила экспериментально сравнить различные образцы бумажных изделий по качеству впитывания жидкости. Это можно определить, рассчитав диаметр капилляров, пронизывающих бумагу, и высоту поднятия жидкости по этим капиллярам. Поэтому я поставила следующую цель моей работы.

Цель проекта: 1. Знакомство с теорией смачивания и несмачивания, капиллярного явления. 2. Обоснование причин движения жидкости по капиллярам. 3. Исследование капиллярных свойств различных видов бумажных изделий. 4. Экспериментальное доказательство зависимости высоты поднятия жидкости в капиллярах от эффективного диаметра капилляра. 5. Определение качества впитывания жидкости в образцах бумажных изделий.

Задачи проекта: 1. Изучить источники информации по выбранной теме. 2. Углубить знания по теории капиллярного явления. 3. Провести исследования капиллярных свойств различных образцов бумаги для составления зависимости высоты поднятия жидкости в капиллярах от расчетного диаметра капилляра. 4. Обработать и проанализировать полученные в ходе эксперимента результаты. 5. Представить результаты в виде диаграммы. 6. Сделать вывод, отвечающий поставленной цели. 7. Подготовить проект к защите.

Объект исследования: законы и явления физики в изучении теории капиллярных явлений.

Предмет исследования: капиллярные свойства бумаги.

Актуальность темы исследования обусловлена продвижением знаний по вопросам теории капиллярных явлений в постановке проблемы исследования с привлечением внимания общества к вопросам использования привычных нам вещей в нашей жизни.

Новизна: диаграмма измерений зависимости высоты поднятия жидкости в капиллярах от расчетного эффективного диаметра капилляра в различных видах бумажных изделий.

Методы исследования: - теоретический (анализ источников информации); - практический (наблюдение и изучение явления, описывающего результат исследования); - экспериментальный (выполнение измерения, представление результатов измерения в виде таблицы, диаграммы).

Поверхностное натяжение

В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево и т.д.). Приходя в соприкосновение с жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя (Приложение 1). Подобные явления можно также наблюдать в очень узких трубочках, которые называются капиллярами (от лат. capillus – волосок). Происходящее носит название явления капиллярности. Для подробного изучения данного явления рассмотрим силы, лежащие в основе капиллярности. т Сам термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Так, молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул. Молекулы же поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. Например, на поверхности раздела жидкость – воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха (Приложение 2). Это и является причиной различия свойств поверхностного слоя жидкости от свойств её внутренних объёмов. Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением . Коэффициент является основной величиной, характеризую­щей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения - сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии. К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Поверхностное натяжение различных жидкостей неодинаково, оно зависит от их мольного объёма, полярности молекул, способности молекул к образованию водородной связи между собой и др. При увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается, так как увеличиваются расстояния между молекулами жидкости. На поверхностное натяжение жидкости оказывают влияние и находящиеся в ней примеси. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ) – нефтепродукты, спирты, эфир, мыло и др. Некоторые вещества увеличивают поверхностное натяжение – примеси солей и сахара, благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой.

Смачивание

Все знают, что даже маленькая капля воды растекается по чистой поверхности стеклянной пластинки. В то же время капля воды на парафинированной пластинке, как и на поверхности листьев некоторых растений, не растекается, а имеет почти правильную форму шара. Жидкость, которая растекается тонкой плёнкой по твёрдому телу, называют смачивающей данное твёрдое тело. Жидкость, которая не растекается, а стягивается в каплю, называют несмачивающей это тело (Приложение 3). Чем же объяснить явления смачиваемости и несмачиваемости?

Явление смачиваемости и несмачиваемости

Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твёрдого тела (Приложение 4). Линия, ограничивающая поверхность капли на пластинке является границей поверхностей трёх тел: жидкости, твёрдого тела и газа. Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел будут действовать три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом. Будет ли жидкость растекаться по поверхности твёрдого тела, вытесняя с него газ, или, наоборот, соберётся в каплю, зависит от соотношения величин этих сил. Всякая жидкость, освобождённая от действия силы тяжести, принимает свою естественную форму – шарообразную. Падая, капли дождя принимают форму шариков, дробинки – это застывшие капли расплавленного свинца. Необходимо отметить, что именно скорость изменения диаметра пятна, образованного каплей жидкости, нанесённой на чистую поверхность материала, используется в качестве основной характеристики смачивания в капиллярах. Её величина зависит как от поверхностных явлений, так и от вязкости жидкости, её плотности, летучести. Более вязкая жидкость с прочими одинаковыми свойствами дольше растекается по поверхности и медленнее протекает по капиллярному каналу.

Значение смачивания

Мы знаем, что мыть руки лучше тёп­лой водой и с мылом. У воды до­ста­точ­но боль­шой ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, зна­чит, холодная вода будет плохо сма­чи­вать ла­до­ни. Для того чтобы умень­шить ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния воды, мы уве­ли­чи­ва­ем тем­пе­ра­ту­ру воды (с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры воды ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния умень­ша­ет­ся), и используем мыло, ко­то­рое со­дер­жит по­верх­ност­но ак­тив­ные ве­ще­ства, силь­но умень­ша­ю­щие ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния воды. Эф­фек­ты сма­чи­ва­ния так же ра­бо­та­ют при скле­и­ва­нии де­ре­вян­ных, ре­зи­но­вых, бу­маж­ных и дру­гих по­верх­но­стей и ос­но­ва­ны на вза­и­мо­дей­ствии между мо­ле­ку­ла­ми жид­ко­сти и мо­ле­ку­ла­ми твер­до­го тела. Любой клей в первую оче­редь дол­жен сма­чи­вать скле­и­ва­ю­щие по­верх­но­сти. Пайка тоже свя­за­на со свой­ства­ми сма­чи­ва­ния. Чтобы рас­плав­лен­ный при­пой (сплав олова и свин­ца) хо­ро­шо рас­те­кал­ся по по­верх­но­сти спа­и­ва­е­мых ме­тал­ли­че­ских пред­ме­тов, нужно эти по­верх­но­сти тща­тель­но очи­щать от жира, пыли и ок­си­дов. При­ме­ром при­ме­не­ния сма­чи­ва­ния в живой при­ро­де могут слу­жить перья во­до­пла­ва­ю­щих птиц. Эти перья все­гда сма­за­ны жи­ро­вы­ми вы­де­ле­ни­я­ми из желез, что при­во­дит к тому, что перья этих птиц не сма­чи­ва­ют­ся водой и не промокают (Приложение 5).

Капиллярные явления

Дей­ствие по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния и эф­фек­тов сма­чи­ва­ния про­яв­ля­ет­ся в ка­пил­ляр­ных яв­ле­ни­ях – дви­же­нии жид­ко­сти по тон­ким труб­кам. Капиллярные явления – это явления подъёма или опускания жидкости в капиллярах, заключающиеся в способности жидкостей изменять уровень в трубках малого диаметра, узких каналах произвольной формы и пористых телах.

Капилляры

Об­ра­ти­те вни­ма­ние на то, как рас­пре­де­ля­ет­ся жид­кость в со­су­дах раз­лич­ной тол­щи­ны: в тон­ких со­су­дах жид­кость под­ни­ма­ет­ся выше (Приложение 6). За­ме­тим, что сма­чи­ва­ю­щая жид­кость будет под­ни­мать­ся по ка­пил­ля­ру, а несма­чи­ва­ю­щая – опус­кать­ся (Приложение 7). Из­вест­но, что в слу­ча­ях пол­но­го сма­чи­ва­ния или несма­чи­ва­ния ме­ниск - искривлённая поверхность жидкости – в узких труб­ках пред­став­ля­ет собой по­лу­сфе­ру, диаметр ко­то­рой равен диаметру ка­на­ла труб­ки (Приложение 8). Вдоль гра­ни­цы по­верх­но­сти жид­ко­сти, име­ю­щей форму окруж­но­сти, на жид­кость со сто­ро­ны сте­нок труб­ки дей­ству­ет сила по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, на­прав­лен­ная вверх, в слу­чае сма­чи­ва­ю­щей жид­ко­сти, и вниз, в слу­чае несма­чи­ва­ю­щей. Эта сила за­став­ля­ет жид­кость под­ни­мать­ся (или опус­кать­ся) в узкой труб­ке.

Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках

Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами: сила тяжести Fт заставляет жидкость опускаться вниз; сила поверхностного натяжения Fн двигает воду вверх. Субстанция прекратит подниматься при условии, что Fт = Fн. Подъ­ем/опускание жид­ко­сти по ка­пил­ля­ру оста­но­вит­ся тогда, когда сила по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния урав­но­ве­сит­ся силой тя­же­сти, дей­ству­ю­щей на столб под­ня­той жид­ко­сти (Приложение 9). Вы­со­та, на которую под­ни­мет­ся сма­чи­ва­ю­щая жид­кость в ка­пил­ляр­ной труб­ке, преодолевая силу тяжести, рассчитывается по формуле (3.2.1):

(3.2.1)

, м

где ­­­­­­– ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, Н/м; – плот­ность жид­ко­сти, кг/м3; – уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния, 9,8 м/с2; – высота столбика поднятой жидкости, м; – радиус капилляра, м;d– диаметр капилляра, м.

Фор­му­ла для вы­со­ты, на ко­то­рую опу­стит­ся несма­чи­ва­ю­щая жид­кость капилляр, будет такой же. Жидкости, смачивающие материал, из которого сделан капилляр, будут в нем подниматься (вода / стекло). И наоборот: жидкости, не смачивающие капилляр, будут в нем опускаться (стекло / ртуть). Кроме того, высота подъема или опускания жидкости зависит от толщины трубки: чем тоньше капилляр, тем больше высота поднятия или опускания жидкости. На высоту влияют также плотность жидкости и её коэффициент поверхностного натяжения (Приложение 10). Важно, что если капилляр наклонён к поверхности жидкости, то высота поднятия жидкости от величины угла наклона не зависит. Как бы не располагались капилляры в структуре (строго вертикально, под углом к вертикали или с разветвлениями), высота поднятия жидкости будет зависеть только от ­­­­­­, , и (или d) (Приложение 11).

Роль капиллярных явлений в природе, быту и технике

Явление капиллярности играет огромную роль в самых разнообразных процессах, окружающих нас. Самый рас­про­стра­нен­ный при­мер ка­пил­ляр­но­го яв­ле­ния – это прин­цип ра­бо­ты обык­но­вен­но­го по­ло­тен­ца или бу­маж­ной сал­фет­ки. Вода с рук ухо­дит на по­ло­тен­це или бу­маж­ную сал­фет­ку за счет подъ­ема жид­ко­сти по тон­ким во­лок­нам, из ко­то­рых они со­сто­ят. Без капиллярных явлений существование живых организмов просто невозможно. Подъём питательного вещества по стеблю или стволу растения обусловлен явлением капиллярности: питательный раствор поднимается по тонким капиллярным трубкам, образованными стенками растительных клеток.

Следует учитывать и капиллярность почвы, ведь она также пронизана множеством мелких каналов, по которым вода поднимается из глубинных слоёв почвы в поверхностные. Пчёлы, бабочки извлекают нектар из глубин цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка.

Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с питанием и дыханием организма. Кровеносные сосуды – это капилляры, по которым течет кровь. Причем, чем дальше от сердца идут сосуды, тем тоньше они становятся.

Стро­и­те­лям при­хо­дит­ся учи­ты­вать подъ­ем влаги из почвы по порам стро­и­тель­ных ма­те­ри­а­лов. Если этого не учесть, то стены зда­ний от­сы­ре­ют. Для за­щи­ты фун­да­мен­та и стен от таких вод ис­поль­зу­ют гид­ро­изо­ля­цию. По капиллярам фитиля поднимаются горючие и смазочные вещества. Топ­ли­во по­сту­па­ет по фи­ти­лю за счет дви­же­ния по во­лок­нам фи­ти­ля, как по ка­пил­ляр­ным труб­кам. Промокание одежды во время дождя, к примеру, брюк до самых колен от ходьбы по лужам также обязано капиллярным явлениям. Вокруг нас множество примеров этого природного феномена (Приложение 12).

Эксперимент

«Исследование капиллярных свойств различных образцов бумажных изделий»

Цель эксперимента: доказать, что высота поднятия жидкости в капиллярах зависит от диаметра капилляра. Оборудование и материалы: ёмкость с водой, термометр, линейка измерительная, карандаш, зажим, набор бумажных образцов: платочек бумажный однослойный, салфетка бумажная, тетрадный лист, офисная бумага, пергаментная бумага, полотенце бумажное, акварельный лист (Приложение 13). Ход работы: 1. Из набора бумажных изделий приготовила образцы для исследования. Для этого вырезала полоски длиной 10 см и шириной 2 см и пронумеровала (Приложение 14). На расстоянии 2 см от одного конца образца провела линию. 2. Взяла ёмкость с водой и по очереди опускала образцы в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией (Приложение 15). 3. Как только прекратился подъём воды, образец вынула и измерила высоту поднятия жидкости от прочерченной линии до сухого участка. Такой опыт я провела с каждым образцом (Приложение 16). 4. Полученные данные анализа занесла в таблицу (Приложение 17). 5. Диаметр капилляров каждого их этих образцов определила расчетным путём. Для этого из формулы высоты поднятия жидкости в капиллярах (4.1) выразила формулу для нахождения диаметра капилляра (4.2):

(4.1)

, м

(4.2)

, м

где ­­­­­­– ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, Н/м; – плот­ность жид­ко­сти, кг/м3; – уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния, 9,8 м/с2; – высота столбика поднятой жидкости, м; – радиус капилляра, м;d– диаметр капилляра, м.

При этом образцы каждый раз опускала в водопроводную воду, температура которой составляла 20 0С (Приложение 18), то есть жидкость имела постоянную плотность = 1000 кг/м3, коэффициент поверхностного натяжения = 0,073 Н⁄м. Полученные данные занесла в таблицу (Приложение 17). Вывод: из таблицы следует, что все бумажные образцы впитывают воду, что указывает на наличие капилляров.

Впитываемость бумаги

Но правдоподобны ли рассчитанные величины диаметров в образцах? Толщина сухой бумаги представленных образцов от 0,1 мм до 0,3 мм. В воде капилляры расправятся и наполнятся водой – бумага станет толще, но и в этом случае её толщина станет не более 0,5 мм. О чём свидетельствует такое несоответствие? Капилляры не сплошные, а прерывающиеся (Приложение 19).

Важным свойством бумаги является впитываемость. Бумага – капиллярно-пористое тело, состоящее из твёрдых частиц или агрегатов частиц, пространство между которыми представляет собой капилляры. Так как бумага – продукт промышленной переработки целлюлозы, то невозможно обеспечить строгое постоянство диаметра капилляров. Поэтому говорят об эффективном (среднем) диаметре капилляров. Многие виды бумаги отличаются повышенной впитывающей способностью к различным жидкостям. Жидкость впитывается в толщу листа, расходится и проходит на её обратную сторону. Такая бумага обладает яркими гидрофильными свойствами. В первую очередь это относится к классу промокательных и фильтровальных бумаг различного назначения, такие как образцы под номерами 1,2,6. Эта бумага имеет самые тонкие капилляры и впитывает воду лучше всего. Придание бумаги ограниченных впитывающих свойств по отношению к жидкостям (вода, чернила) называют проклейкой.

Такая бумага из очень тщательно размолотой бумажной массы, где начинает сказываться образование частично растворимых, деструктированных продуктов целлюлозы, дающих в разной выраженности монолитные плёнки, перекрывающие поры и имеющие более высокую устойчивость к проникновению жидкости. Это относится к классу упаковочной бумаги, как образец под номером 5, также к классу бумаг для письма и рисования, как образцы под номерами 3,4,7. Поэтому в данном эксперименте я рассматриваю капиллярный эффект только образцов под номерами 1,2,6, продукция которых имеет повышенную впитывающую способность.

Диаграмма измерений

На основании полученных данных я построила диаграмму измерений зависимости высоты поднятия жидкости в капиллярах от расчетного эффективного диаметра капилляра (Приложение 20).

Вывод: смачивающие жидкости по капиллярам поднимаются, преодолевая силу тяжести, на высоту, зависящую от коэффициента поверхностного натяжения жидкости, плотности жидкости и диаметра капилляра. Чем меньше диаметр капилляра, тем выше поднимается жидкость по капилляру. Наилучшее качество впитывания у образца с меньшим диаметром капилляра. Наилучшее качество впитывания имеет платочек бумажный.

Заключение

В результате своей исследовательской работы я:

1. Углубила свои знания по явлениям смачиваемости и несмачиваемости, капиллярным явлениям, которые широко распространены как в нашей повседневной деятельности, так и в природе.

2. Научилась выводить формулу диаметра капилляра по высоте поднятия жидкости и вычислять по формуле эффективный (средний) диаметр капилляра.

3. Доказала зависимость высоты поднятия жидкости в капиллярах от расчетного диаметра капилляра.

4. Узнала, что капиллярные явления зависят от силы взаимодействия молекул внутри жидкости и от силы взаимодействия молекул твердого тела с молекулами жидкости; чем меньше диаметр капилляра, тем выше поднимается вода по капилляру.

5. Сравнила образцы бумажных изделий на предмет качества впитывания жидкости и отметила, что наилучшее качество впитывания у образца с меньшим диаметром капилляра.

6. Усовершенствовала в процессе своей работы личностные качества:

  • усидчивость;

  • наблюдательность;

  • способность работать с большим количеством информации;

  • стремление к саморазвитию.

Приобрела:

  • нацеленность на результат;

  • системность мышления;

  • аналитические способности.

7. Достигла решения проблемы с помощью поставленной цели и задач.

Моя работа мне понравилась, я довольна своим результатом. Мои исследования могут быть использованы на уроках физики при изучении темы «Капиллярные явления», на занятиях по биологии в вопросах о капиллярных явлениях в организме человека, а так же в усовершенствовании знаний по химии в изучении вопросов конденсации или коллоидной химии.

Список литературы

1. Васюков В.И. Физика. Основные формулы, законы: Справочное пособие. - М.: Ориентир, 2006

2. Пёрышкин А.В. Курс физики: Учебник для средней школы / В трех частях.- М.: Учпедгиз, 1965

3. Бумага, её структура, состав, классификация, области применения и свойства (http://material.osngrad.info)

4. Капиллярные эффекты (http://www.studopedia.ru)

5. Капиллярные явления (http://www.booksite.ru)

6. Поверхностное натяжение (http://www.mirznanii.com)

7. Смачивание и капиллярность (http://phscs.ru)

Приложения

Приложение 1

Листовая пластина Кровеносные сосуды Фильтровальная бумага

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Ртуть Вода

Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10

Приложение 11

Приложение 12

Приложение 13

Приложение 14

Таблица

Нумерация образцов бумажных изделий

Номер образца

Наименование

№1

Платочек бумажный однослойный

№2

Салфетка бумажная

№3

Тетрадный лист

№4

Офисная бумага

№5

Пергаментная бумага

№6

Полотенце бумажное

№7

Акварельная бумага

Приложение 15

Приложение 16

Приложение 17

Таблица

Расчетные данные бумажных образцов

Наименование бумажного образца

Высота поднятия жидкости, мм

Рассчитанный по формуле средний (эффективный) диаметр капилляра, мм

№1 Платочек бумажный однослойный

46

0,65

№2 Салфетка бумажная

35

0,85

№3 Тетрадный лист

2

14,85

№4 Офисная бумага

3

9,90

№5 Пергаментная бумага

0,5

59,39

№6 Полотенце бумажное

31

0,96

№7 Акварельная бумага

1

29,69

Приложение 18

Приложение 19

Капилляры сплошные и прерывающиеся

Приложение 20

Диаграмма