X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экспериментальное исследование поверхностного натяжения жидкостей методом клина
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В нашей повседневной жизни мы часто встречаемся с различными капиллярными явлениями. Одно из них - это поверхностное натяжение. Отдельные капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной (и в невесомости так оно и есть); струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме; булавка, положенная на поверхность воды в стакане не тонет (старый школьный опыт); многие насекомые могут скользить по поверхности воды — любой из вас может вспомнить множество подобных примеров из жизни.
При создании оборудования для нефтегазопереработки учитываются свойства жидкости: порядок; температурный коэффициент расширения, поверхностное натяжение и др. Из-за этого многие расчеты включают в себя понятие поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение играет важную роль в процессах испарения, конденсации и др. (адсорбации, адгезии).
Поверхностное натяжение жидкости часто используется в промышленности, в частности при обработке металлов для придания сферических форм. В качестве примера может выступить ружейная дробь. При падении капель металла, прежде чем они упадут в приемный контейнер, успевают сами застыть в форму шара.
Так же можно привести примеры из жизни. Например, рябь на поверхности океанов, морей или озер под действием ветра. Рябь возникает за счет уравновешивания действующей вверх силы внутреннего давления воды и действующей вниз силой поверхностного натяжения.
Впервые, понятие "поверхностное натяжение" ввел физик-механик Янош Сегнер (Иога́нн Андре́ас фон Зе́гнер) в 1752 году. В первой половине XIX в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во второй половине XIX в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. В XX в. разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ (поверхностно-активные вещества) и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П.А. Ребиндер, A.H. Фрумкин)
Цель настоящей работы заключается в экспериментальном исследовании поверхностного натяжения с помощью метода клина.
Объект данного исследования – коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Предметом исследования является зависимость коэффициента поверхностного натяжения от рода жидкости.
Исходя из поставленной цели, были поставлены и решены следующие задачи:
изучен теоретический материал о природе возникновения поверхностного натяжения,
экспериментально исследовано поверхностное натяжение на примере шести жидкостей с помощью метода клина,
проанализированы возможные варианты применения полученных результатов.
Практическое значение
Поверхностное натяжение топлива оказывает заметное влияние на степень его распыливания: с увеличением поверхностного натяжения средний диаметр капли возрастает. Поверхностное натяжение топлива на границе жидкость-воздух необходимо учитывать при оценке степени его распыливания в зоне сгорания двигателя.
Вязкость и поверхностное натяжение топлива оказывают влияние на износ топливной аппаратуры и качество распыления топлива в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. Величина коэффициента поверхностного натяжения топлива зависит от его химического состава и прежде всего от количества находящихся в нем поверхностно-активных веществ. На границе раздела с водой имеет место обратная зависимость. Таким образом, величина коэффициента поверхностного натяжения может быть показателем химической природы топлива и степени его очистки. Давление насыщенных паров топлива влияет на высотность самолетов. Чем выше давление паров, тем на меньшей высоте полета возможно возникновение кипения топлива и кавитация. Результаты данного исследования можно использовать при построении химической формулы топлива для различных транспортных средств. Метод клина позволяет достаточно быстро определять количественное значение коэффициента поверхностного натяжения. Разработанную установку можно использовать при выполнении данной задачи. Также результаты данного исследования можно использовать при проведении занятий для учащихся и студентов при изучении молекулярной физики.
Глава I.Поверхностное натяжение жидкостей
1.1.Возникновение поверхностного натяжения
Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Поведение жидкости таково, как если бы она была заключена в упругую пленку, которая стремится сжать находящуюся в ней жидкость. Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости больше их кинетической энергии, это позволяет жидкости сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости. Поверхность жидкости — это граница раздела сред. В данной работе этими средами являются жидкость и газ, а именно вода (различные виды топлива) и воздух.
На молекулу жидкости, находящуюся в глубине жидкости, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на молекулу, находящуюся в поверхностном слое жидкости, действуют силы притяжения, во-первых, со стороны других молекул жидкости, а во-вторых, со стороны газа. Вторые силы значительно меньше первых. Равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности жидкости.
Поверхность жидкости может одновременно контактировать с различными веществами (фазами): газом, другой жидкостью или твердым телом [1, 2]. Контур, ограничивающий поверхность соприкосновения жидкости с одной из фаз, будем называть линией разрыва поверхности раздела 2 фаз (или, кратко, — линией разрыва поверхности). По этой линии происходит переход от одной поверхности раздела фаз к другой.
Сила поверхностного натяжения — это сила, действующая на линию разрыва поверхности, по касательной к поверхности раздела фаз, в направлении сокращения площади поверхности и перпендикулярно к линии разрыва. Она пропорциональна длине l линии разрыва поверхности:
F=σl (1).
Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения и численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на линию разрыва единичной длины («динамический» смысл коэффициента поверхностного натяжения). Размерность коэффициента 1 Н/м. Существует и другой способ введения коэффициента поверхностного натяжения через вычисление работы силы по изменению площади поверхности.
Кроме внутренних сил взаимодействия между частицами, из-за которых и возникают силы поверхностного натяжения, на жидкость обычно действуют еще и внешние силы. Это, во-первых, сила тяжести и, во-вторых, силы взаимодействия частиц жидкости с частицами твердых стенок сосуда, в котором она содержится. Поэтому действительная форма, которую принимает жидкость, определяется соотношением этих трех сил.
Исключить действие силы тяжести возможно в условиях невесомости, и опыты действительно подтвердили, что жидкость, вылитая из сосуда внутри космической станции, стремится принять форму шара. Ранее это подтвердил физик Плато, он использовал капли анилина в соленом растворе с той же плотностью, скомпенсировав действие силы тяжести силой Архимеда.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры: чем выше температура, тем меньше коэффициент поверхностного натяжения, от количества примесей, содержащихся в жидкости. Так поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся во всех стиральных порошках и прочих моющих жидкостях, снижают поверхностное натяжение воды. Наличие небольшого количества мыла или клея в воде способно снизить коэффициент поверхностного натяжения вдвое [3, 4].
Коэффициент поверхностного натяжения также зависит от плотности вещества, с которым контактирует жидкость. Чем выше плотность второго вещества, тем меньше коэффициент. Так, на границе двух жидкостей коэффициент поверхностного натяжения всегда меньше, чем на границе жидкость–разреженный газ. На поверхности раздела твердого тела с жидкостью поверхностное натяжение меньше, чем на свободной поверхности жидкости.
Если вторая среда — другая жидкость или твердое тело, то вводится понятие смачивания. Если силы притяжение молекул жидкости между собой меньше, чем силы притяжения между молекулами этой жидкости и второй среды, то говорят, что жидкость смачивает эту среду. Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердого тела. Имеются три границы раздела фаз: твердое тело-жидкость, твердое тело-газ, жидкость-газ (рис. 1). Линия пересечения всех трех поверхностей раздела называется линией смачивания.
Рисунок 1. Капля жидкости на поверхности твердого тела
Измеренный внутри жидкости угол между касательной к поверхности жидкости, проведенной через точку соприкосновения трех сред, и поверхностью твердого тела называется краевым углом смачивания. Его величина зависит от сил взаимодействия между молекулами соприкасающихся сред. На рисунке показаны вектора сил, действующих на линию разрыва поверхности. При динамическом равновесии величины сил должны удовлетворять соотношению:
Fтг=Fжт+Fжг⋅cosθ(2).
Здесь Fтг, Fжт и Fжг — силы, действующие на линию разрыва по касательной к поверхностям раздела фаз твердое тело–газ, жидкость–твердое тело и жидкость–газ соответственно, θ – угол смачивания. Так как коэффициенты поверхностного натяжения по величине равны силам, действующим на единицу длины разрыва поверхности, то из формулы (2) следует соотношение для коэффициентов поверхностного натяжения для соответствующих поверхностей раздела фаз:
σтг=σжт+σжг⋅cosθ (3).
Уравнение (3) называется уравнением Юнга. В зависимости от значения равновесного угла различают несколько типов смачивания:
1) θ<90° (σтг>σжт) — ограниченное смачивание поверхности твердого тела жидкостью, как в случае, изображенном на рис. 1, жидкость растекается по поверхности твердого тела до наступления динамического равновесия сил;
2) Если σтг>σжт+σжг, то равновесие капли невозможно, краевой угол не устанавливается (θ≈0) и жидкость растекается. Капля жидкости на поверхности твердого тела, покрывая ее тонкой пленкой. Это явление называется полным смачиванием (растеканием);
3) При θ>90° (σтг<σжт) говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела (плохое смачивание);
4) θ ≈180° — полное несмачивание
Например, в сосуде с жидкостью свободная поверхность жидкости из-за явления смачивания не будет полностью лежать в горизонтальной плоскости, а будет иметь искривление, которое называется мениском. Мениск может быть выпуклым, если жидкость является несмачиваемой, или, наоборот, вогнутым.
1.2. Формула Лапласа
Вследствие искривления поверхностного слоя жидкости создается избыточное давление: положительное под выпуклой поверхностью и отрицательное под вогнутой поверхностью (рис. 3). Таким образом, при наличии кривизны поверхностный слой жидкости становится источником силы, направленной от выпуклой стороны слоя к вогнутой стороне.
Рисунок 2. Пояснение к формуле Лапласа.
Лаплас получил формулу для избыточного давления, пригодную для случая, когда жидкость имеет поверхность любой формы, допускаемую физической природой жидкого состояния.
Под искривленной поверхностью жидкости возникает дополнительное давление, которое описывается формулой Лапласа
(4)
где R1 и R2— главные радиусы кривизны поверхности. Радиусы кривизны — это радиусы двух взаимно перпендикулярных дуг, проведенных в данной точке поверхности.
В какой-нибудь точке M на поверхности жидкости (рис. 2) расположим нормаль к поверхности MN и через эту нормаль провести две взаимно перпендикулярные плоскости, которые пересекут поверхность жидкости по кривым ABи CD. Радиусы кривизны этих кривых в точке и обозначаются через R1 и R2.
Глава II. Экспериментальное исследование поверхностного натяжения жидкости с помощью метода клина
2.1. Расчетная формула для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости
Поверхностное натяжение можно наблюдать в ходе различных экспериментов. В данной работе была собрана установка, состоящая из двух стеклянных пластин, с одного края которых размещались фиксаторы определенной толщины 2-10 мм (приложение 1). С обратной стороны стекла крепилась миллиметровая бумага. Данная установка помещалась в емкость с исследуемой жидкости. Таким образом, жидкость заполняла пространство между стеклами в форме клина. В зависимости от жидкости, форма клина получалась различной.
Два стекла, между которыми малый угол φ, образуют мениск, который через определенное время оказывался в равновесии (рис. 3).
Рисунок 3. Мениск в клине
Между стеклянными пластинами поверхность жидкости искривляется. Это происходит за счет краевого эффекта.
Две дуги САВ и AD пересекаются в точке А под прямым углом. Когда наступит полное смачивание, можно считать, что дуга CAB — это часть окружности, радиус равный ½d, где d – это максимальное расстояния между стеклянными пластинами. Таким образом,
R1=d/2 (5).
Предположим, что R2 - радиус кривизны линии AD много больше, чем d/2, тогда 1/R2 в формуле Лапласа можно пренебречь.d можно записать как
d=2x⋅tg φ/2 (6).
Так как угол φ мал, то d≈x⋅φ. В результате подстановки получаем, что в точке А дополнительное давление равно
(7),
где x — это расстояние от вершины клина до точки А, а φ — угол, образующийся из–за клина между двумя стеклянными пластинами.
Угол φ из геометрических соображений можно рассчитать с помощью следующего соотношения
(8),
где L – размер стеклянной пластины, d – максимальное расстояние между пластинами. можно определить через формулу гидростатического давления по разности высоты столба жидкости в клине в противополжных точках (рис. 4). Таким образом, получим следующее соотношение
(9).
Учтем соотношение (8), окончательно получим
(10).
Рисунок 4. Поверхность мениска, давление в разных точках жидкости и газа
2.2. Экспериментальное исследование поверхностного натяжения жидкости
Исследование в данной работе проводилось для шести различных жидкостей: дистиллированной воды, воды из под крана, керосина, бензина АИ-92, бензина АИ-95, дизельного топлива.
Количественные результаты исследования методом клина представлены на графиках (рис. 5, 6, 7, 8,9, 10) и в таблице (таб. 1). В таблице взяты средние значения коэффициента поверхностного натяжения для каждой жидкости. Проведено сравнение с табличным значением.
Таблица 1. Коэффициент поверхностного натяжения(плотность жидкостей взята при температуре 200С)
|
Жидкость |
ρ, кг/м3 |
σтаб., мН/м |
σср., мН/м |
|
Дистиллированная вода |
1000 |
73 |
81 |
|
Вода из-под крана |
1012 |
- |
89 |
|
Керосин |
819 |
24 |
30 |
|
Бензин АИ-92 |
725 |
21 |
28 |
|
Бензин АИ-95 |
725 |
21 |
27 |
|
Дизельное топливо |
860 |
27 |
24 |
Как видно из результатов, среднее значение коэффициента поверхностного натяжения не совпадает с табличным значением. Среднее значение ошибки составляет 22%. Такая большая погрешность, в первую очередь, связана с неточностью измерений, которые были проделаны в ходе исследования.
Исходя из данных графиков и таблицы, можно сделать следующие выводы:
1. Метод клина достаточно точно показал результат поверхностного натяжения между смачиваемой жидкостью и твердой поверхностью (стеклом). Из графиков видно, что с увеличением расстояния между стеклами высота столба жидкости уменьшается.
2. Количественный расчет показал, что полученные результаты достаточно близки к табличным значениям. Следовательно, данный метод, при его усовершенствовании, позволяет достаточно точно определять коэффициент поверхностного натяжения смачиваемых жидкостей.
3. Усовершенствовать данный метод можно, используя другие сорта стекол. Но необходимо учитывать, что при этом и коэффициент тоже изменится. Также можно увеличить качество, если разработать механизм определения координат, вдоль которых располагается мениск жидкости.
Заключение
Поверхностное натяжение - это определяющий фактор для многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки.
Поверхностное натяжение и его силы имеют большое значение во многих явлениях природы, в биологии и медицине, в различных современных технологиях и технике, в полиграфии и, в конце концов, в физиологии нашего организма. Без поверхностного натяжения у нас не вышло бы даже писать чернилами: шариковая ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, испортив написанное.
Благодаря поверхностному натяжению, медицинские работники могут измерить натяжение венозной крови, по которой можно узнать какое заболевание у человека и предпринять соответствующее лечение. Так же установлено, что вода с наименьшим поверхностным натяжением легче вступает в реакции с клетками, что вторым обходится легче, т.к. им не нужно тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение важно для обработки пластика перед печатью в полиграфии. Так как, на это влияют материалы, применяемые для печати. Это определяется тем, что, если капля жидкости остается там, где она была, следовательно, смачивание оптимально. В обратном случае, жидкость либо растечется, либо получится капля.
Результаты данного исследования можно учесть при разработке новых видов топлива.
Список источников и литературы
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2002. 718 с.
Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебник для общеобразов. учреждений. – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2008.
Кухлинг Х. Справочник по физике. - М., 1982. - 520с
Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика. – М., Книга по Требованию, 2012. – 618 с.
Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: молекулярная физика и термодинамика. Учебник для 10 класса профильного уровня. Москва, 2012.
Матвеев, А.Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа,1987. 360с.
Пинский А.А., Кабардин О.Ф. Учебник по физике 10 кл. Профильный уровень.13-е изд. - М.: Просвещение, 2011
Перельман, Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Кн. 1. –20-е изд., стереотип. – М.: Наука, 1979 г.
Трофимова, Т.И. Курс физики. - М: Академия, 2007.- 560 с.
Приложения
Приложение 1. Внешний вид установки для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости
Рисунок 5. Зависимость столба жидкости от расстояния в клине для дистиллированной воды
Рисунок 6. Зависимость столба жидкости от расстояния в клине для воды из-под крана
Рисунок 7. Зависимость столба жидкости от расстояния в клине для керосина
Рисунок 8. Зависимость столба жидкости от расстояния в клине для бензина А-92
Рисунок 9. Зависимость столба жидкости от расстояния в клине для бензина А-95
Рисунок 10. Зависимость столба жидкости от расстояния в клине для дизельного топлива