ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Мерзликина О.А. 1
1МБОУ СОШ № 3
МакаренкоТ а.А. 1
1МБОУ СОШ №3
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 Введение

Актуальность темы: Знания по естественным наукам необходимы людям не только для объяснения явлений природы, но и для использования в практической деятельности. Проявляя интерес к физике, я может не станут физиком -теоретиком, а буду инженером, техником. Успех моей деятельности будет обеспечиваться не только умением мыслить, но и умением делать, и выбранная мною тема не только актуальна для изучения, она дает возможность к такой успешной деятельности. В окружающем нас мире наряду с тяготением и трением действует ещё одна сила, на которую мы мало обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью, без того, чтобы не привести в действие эту силу - силу поверхностного натяжения. Она играет большую роль в природе и технике, в физиологии нашего организма и жизни насекомых.

Область исследования – молекулярная физика

Предмет исследования – жидкость (вода, мыльный раствор, молоко, масло растительное.)

Цель: исследование поверхностных явлений в жидкостях и изучение существенных методов определения коэффициента поверхностного натяжения на границе «жидкость – воздух».

Задачи данной работы:

  1. Изучение основ молекулярной физики, связанных с поверхностными явлениями в жидкостях.

  2. Изучение применения поверхностного натяжения, его роли в окружающей нас действительности.

  3. Экспериментально определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и натяжения проволочной рамки.

  4. Сравнить полученные данные с табличными значениями.

Методы исследования: теоретический- сбор информации, анализ, синтез,

обобщение; экспериментальный – постановка вопроса; проектирование исследования; сбор данных; анализ результатов; выводы по эксперименту; публикация результатов.

В теоретической части работы рассматриваются основные теоретические сведения из области молекулярной физики поверхностного слоя жидкости.

В экспериментальной части приведены результаты исследовательской работы. Определены коэффициенты поверхностного натяжения жидкости (вода, молоко, растительное масло, мыльный раствор), и я выяснила как зависит поверхностное натяжение жидкости от температуры и рода жидкости.

2.Теоретическая часть 2.1. Интересные факты о форме 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 [8].

Жидкость (в отсутствии силы тяжести или в случае, когда она уравновешена силой Архимеда) принимает сферическую форму, имеющую минимальную поверхность при одном и том же объеме(см. прил.рис.1) [9]. 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. [16][2]..

Известно, что прованское масло плавает в воде, но тонет в спирте. Можно поэтому приготовить такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. Введя в эту смесь немного масла посредством шприца, можно странную вещь: масло собирается в большую круглуюкаплю, которая не всплывает и не тонет, а висит неподвижно (см. прил.рис.2) [11][16].

2.2. Поверхностное натяжение жидкости.

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[1]. Каждая молекула жидкости, также, как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости[2]. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (см. прил.рис.3) [11].

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. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы [10] и внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулы со стороны соседних молекул, равна нулю (см. прил. рис.4) [7]. Молекулы поверхностного слоя жидкости притягиваются только молекулами внутренних слоев, и под действием результирующей силы притяжения втягиваются внутрь жидкости. На поверхности остается число молекул, при котором площадь поверхности жидкости оказывается минимальной при данном объеме [4].

Aвнеш. =σ S,

Молекулы поверхностного слоя оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая ее поверхность к минимуму. Этот эффект называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости[2]. Но все молекулы, в том числе и молекулы поверхностного слоя, должны находиться в состоянии равновесия. Это равновесие достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости[12]. При уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Если среднее расстояние между молекулами внутри жидкости равноr0(r0 – диаметр молекулы), то молекулы поверхностного слоя упакованы несколько более плотно, а поэтому они обладают дополнительным запасом потенциальной энергии по сравнению с внутренними молекулами[7]. Вследствие крайне низкой сжимаемости наличие более плотно упакованного поверхностного слоя не приводит к сколь-нибудь заметному изменению объема жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу[13]. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу Aвнеш., пропорциональную изменению S площади поверхности: [12]:

Коэффициент пропорциональности σ называется коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением (σ> 0) и представляет собой основную характеристику, зависящую от природы сред и их теплового состояния. A – работа, и она служит мерой изменения энергии [11]. Эта энергия должна быть потенциальной, так как она связана с размещением молекул в поверхностном слое при постоянной температуре и общим свойством таких систем является самопроизвольное изменение состояния системы в направлении уменьшения запаса потенциальной энергии, чтобы привести систему в состояние с наименьшей потенциальной энергией.[ 7].

Направленность процессов к уменьшению потенциальной энергии жидкости обуславливает свойство самопроизвольного сокращения свободной поверхности жидкости до возможного минимального значения[10]. Стремление жидкостей стянуть свою поверхность, сделать ее минимальной может рассматриваться как некоторая сила, действующая вдоль поверхности. 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 [12]. Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму (см. прил. фото № 5) – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения[12]. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (см. прил.рис.5) [15]. В связи с этим поверхностное натяжение можно определить, как силу, стягивающую поверхность и отнесенную к единице длины.

, — коэффициент поверхностного натяжения. В системе единиц измерения - СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1Н/м = Дж/м2). Коэффициент поверхностного натяжения - важнейшая величина, характеризующая физические и химические свойства жидкости, используется в технологических процессах и учитывается в объяснении многих явлений: смачивания, кипения, флотации, кавитации. F - cила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка[10].

Следующие простые опыты дополнительно поясняют сущность сил поверхностного натяжения. Кольцо из проволоки с прикрепленной к нему в двух точках свободно подвешенной (не натянутой) нитью (см. прил.рис.6)погружается в мыльный раствор. При этом кольцо затягивается тонкой пленкой жидкости, а нить находится в равновесии, приняв случайную форму [10]. Если теперь разрушить пленку по одну сторону от нити, прикоснувшись к пленке нагретой иглой, то нить натянется, приняв форму дуги окружности. Натяжение нити произошло под действием силы поверхностного натяжения со стороны сокращающейся пленки, силы, приложенной к нити, которая в данном случае является линией раздела[12]. Сила эта, разумеется, во всех точках перпендикулярна к нити. Эта сила действовала на нить и. до разрушения пленки, но при этом на нее действовали одинаковые с обеих сторон силы. После же прорыва одной части пленки другая получила возможность уменьшить свою площадь и, как показывает форма на тянувшейся нити, площадь эта стала минимальной [4].

2.3. Явление смачивания и несмачивания

С поверхностными явлениями тесно связано поведение жидкости на границе с твердым телом. На границе соприкосновения с твердым телом поверхность жидкости может подниматься выше горизонтальной поверхности жидкости или опускаться ниже горизонтальной поверхности. [13]. Жидкость, которая растекается по поверхности твердого тела, называется смачивающей, а жидкость, которая стягивается в каплю, – не смачивающей(см. прил.рис.7).Различие краевых углов в явлениях смачивания и несмачивания объясняется соответствием сил притяжения между молекулами твердого тела и жидкостей и сил межмолекулярного притяжения в жидкостях[7][12].. Если силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкости> F притяжения между молекулами жидкости, то жидкость будет смачивающей. Если молекулярное притяжение жидкости (внутри)> F притяжения между молекулами твердого тела и жидкости, то жидкость будет несмачивающей[4].

2.4. Капиллярные явления

«Сapillaris» [13]- волос (в переводе с латинского) – узкие цилиндрические трубки с диаметром около миллиметра и менее называются капиллярами. То есть капиллярные явления – это явления в тонких трубках (капиллярах). В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. На этом основано действие полотенца при вытирании рук, действие фитиля в керосиновой лампе.

Очень часто жидкость, впитываясь в пористое тело, поднимается вверх. Капиллярность – явление подъёма или опускания жидкости в капиллярах[13].В случае смачивающей жидкости (А)(см. прил.рис.8)силы притяжения Fж-т между молекулами жидкости и твердого тела (стенки капилляра) превосходят силы взаимодействия Fж между молекулами жидкости, поэтому жидкость втягивается внутрь капилляра, и подъем жидкости в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила Fв, действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h:(см. прил.рис.8 - В)Fв = mg[7]. Жидкость, не смачивающая стенки капилляров(Б), опускается в нем на расстояние h (см. прил.рис.8). По третьему закону Ньютона сила Fв, действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения Fпов., действующей на стенку по линии соприкосновения её с жидкостью: Fв = Fпов[8]

3. Практическая работа

3.1 Методы определения поверхностного натяжения. При исследовании поверхностных явлений на границе газ – жидкость наиболее часто используется метод, основанный на измерении поверхностного натяжения этой границы раздела, позволяющий, несмотря на его простоту, получить достаточно надежные данные. [15]. Существующие методы определения поверхностного натяжения делятся на три группы: статические, полустатические и динамические [9].

Статическими методами определяется поверхностное натяжение практически неподвижных поверхностей, образованных задолго до начала измерений и поэтому находящихся в равновесии с объемом жидкости. К этим методам относится метод капиллярного поднятия и метод лежащей или висящей капли (пузырька).

Динамические методы основаны на том, что некоторые виды механических воздействий на жидкость сопровождаются периодическими растяжениями и сжатиями ее поверхности, на которые влияет поверхностное натяжение. Этими методами определяется неравновесное значение . К динамическим методам относятся методы капиллярных волн и колеблющейся струи.

Полустатическими называются методы определения поверхностного натяжения границы раздела фаз, возникающей и периодически обновляемой в процессе измерения (метод максимального давления пузырька и сталагмометрический метод), а также методы отрыва кольца и втягивания пластины. Эти методы позволяют определить равновесное значение поверхностного натяжения, если измерения производятся в таких условиях, что время, в течение которого происходит формирование поверхности раздела, значительно больше времени установления равновесия в системе.

В данной работе для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости я использую полустатический метод: метод отрыва капель(сталагмометрический) и метод проволочной рамки. (втягивания пластины).

3.2 Метод отрыва капель[9]. Наблюдая за отрывом капли жидкости от вертикальной узкой трубки, можно определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Рассмотрим, как растет капля жидкости(см. прил.рис.9).Размер капли постепенно нарастает, но отрывается она только тогда, когда достигает определенного размера (см. прил.рис.9, а).Пока капля недостаточно велика, силы поверхностного натяжения достаточны, чтобы противостоять силе тяжести и предотвратить отрыв. Перед отрывом образуется сужение – шейка капли (см. прил.рис.9 б) [3][6]. Пока капля удерживается на конце капиллярной трубки, на нее будут действовать силы: (1) - сила тяжести, направленная вертикально вниз и стремящаяся оторвать каплю; силы поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно контуру l шейки капли. (см. прил.рис.10). Эти силы стремятся удержать каплю. Результирующая сила поверхностного натяжения направлена вверх и равна (2), где l –длина контура шейки капли. Когда сила тяжести станет равна силе поверхностного натяжения произойдет отрыв капли: (3). Для модулей сил: с учетом (2) и (3) запишем: [11]

Так как длина контура шейки каплигде d – диаметр шейки капли. Следовательно, откуда (4), где m- масса одной капли. Формула (4) является рабочей расчетной формулой.

Описанный способ экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости дает хорошие результаты, несмотря на то, что в действительности отрыв капли происходит не совсем так, как описано выше[6][9]..В действительности капля не отрывается по линии окружности шейки. В момент, когда размер капли достигает значения, определяемого равенством (3), шейка начинает быстро сужаться (см. прил.рис.9 б), причем ей сопутствует еще одна маленькая капля (см. прил.рис.9 с). Кроме того, в расчетах, диаметр шейки капли в момент отрыва можно принять равным внутреннему диаметру трубки, так как трубка достаточно узкая и ее диаметр сравним с диаметром шейки капли. Для расчета по формуле (4) необходимо во время измерения следить за чистотой капилляра и воды. Кроме того, коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры исследуемой жидкости: с ростом температуры он уменьшается. При комнатной температуре 20 С табличное значение коэффициента для воды табл = 72,5103 Н/м.[9][2].

Оборудование: сосуд с водой, пустой стакан, микрометр, весы с разновесом, тонкая стеклянная трубка (бюретка).

Ход работы: 1. Собрать установку. Измерить температуры в комнате и d.

2. Определить массу пустого стакана m1 и накапать 30 капелек чистой воды. (см. прил. фото1).

3. Определить- m2 – массу стакана с капельками воды. (см. прил. фото 2).

4. Найти массу одной капельки воды

5.Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле(4):

6. Првести опыт 3 раза, используя 40 и 50 капель.

7. Найти δ ср. == [11]

8. Рассчитать абсолютную  и относительную Eпогрешности искомой величины:

│Δδ│1=│δср.-δ1│ │Δδ│2 =│δср.-δ2 │Δδ│3 =│δср.-δ3

Δδср. = и E = 100 %

Данные занести в таблицу (см. прил. таблица № 1). 9. Сравнить рассчитанное значение коэффициента поверхностного натяжения воды с табличным и определить абсолютную и относительную погрешность по формулам: и Вывод: в исследовательской работе я определила коэффициент поверхностно натяжения воды при температуре 19 0С методом отрыва капель и получила δ = (74,33 + 0,89) мН/м, E = 1,2%. Сравнивая с табличным значением мы получаем абсолютную погрешность Δδ =1,38 мН/м и относительная погрешность E = 1,9%.

Анализируя полученные результаты видно отличие в погрешности измерений (значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению [10]). Погрешность измерения – характеристика точности измерений, и мы её определили разными способами[10]). Это можно объяснить:

- количество капель как результат счёта есть точное число, и если взять π =3,14 и g = 9,81 м/сек2, то относительные погрешности этих величин так же, как и для массы капли, будут слишком малы по сравнению с относительной погрешностью измерения диаметра канала трубки[12]).

- измерения были косвенные (по формуле);

- исследования проходили при температуре жидкости t = 19 0С;

- инструментальная погрешность (микрометр, весы);

- действие экспериментатора.

3.3 Метод проволочной рамки

В жидкостях средние расстояния между молекулами значительно меньше, чем в газах. Поэтому силы взаимодействия играют в жидкостях существенную роль. В поверхностном слое жидкости проявляются избыточные межмолекулярные связи: молекулы, находящиеся в этом слое, испытывают направленную внутрь силу притяжения от молекул остальной части жидкости. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, поэтому она не действует на стенки сосуда и тела, погруженные в жидкость. Рассмотрим проволочную прямоугольную рамку [14] длиной l, касающуюся поверхности жидкости (см. прил.рис.11). При поднятии рамки над поверхностью жидкости между рамкой и поверхностью образуется пленка, которая тянет вниз. Сила, удерживающая рамку равна:(1)l – длина проволочной рамки, σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Зная эту силу с помощью динамометра, мы найдем коэффициент поверхностного натяжения любой жидкости σ = F / 2l (2).

Оборудование: динамометр, прямоугольная проволочная рамка, сосуд, линейка, исследуемая жидкость.

Ход работы

1. Измерить длину проволочной рамки l

2. Налить в стакан исследуемую жидкость, аккуратно опустить проволочную рамку до соприкосновения с жидкостью, установить стрелку динамометра 0.

Примечание: проследить, чтобы рамка соприкасалось с жидкостью равномерно по всему своему периметру.

4. Аккуратно поднимая динамометра, поднять рамку до его отрыва от жидкости. Заметить и записать в таблицу показания динамометра F в момент отрыва рамки от жидкости. (см. прил. фото 3)

5. Провести опыты для различных жидкостей и вычислить значение коэффициента поверхностного натяжения по формуле (2).

6. Данные записать в таблицу (см. прил. таблица №.2).

7.Полученные значение поверхностного натяжения исследуемых жидкостей сравнить с табличным значением при t = 20 0С.

8. Определить экспериментально зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры жидкости- t. Данные записать в таблицу (см. прил. таблица №.3).

9. Представить результаты исследования в виде графиков.

10.Определить абсолютную и относительную погрешность измерений.

Вывод: Используя метод проволочной рамки я определила коэффициент поверхностного натяжения жидкостей. По результатам представленными в таблице и на графике следует, что коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и её температуры. Чем выше температура, тем меньше коэффициент поверхностное натяжение. Результаты погрешностей представлены в таблице № 4.

  1. Проявления сил поверхностного натяжения

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й половине 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й половине 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений,в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. В 20 в. разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкнн) [9].

Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, включая расплавленные металлы. [1]. Поверхностное натяжение металла и расплавленного электролита следует принимать во внимание по следующим причинам. При выделении расплавленного металла необходимо, чтобы он хорошо смачивал катод и получался в виде компактного слоя. Металл, не смачивающий катод, образует мелкие капли, что увеличивает поверхность его соприкосновения с электролитом и растворимость в нем. В процессе выделения твердого металла смачиваемость его электролитом способствует образованию защитной пленки и препятствует окислению [17]. Кислород уменьшаетповерхностное натяжение металла, и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток уменьшается. [10]. Азот повышаетповерхностное натяжение металла, поэтому с увеличением содержания азота в аргоне при одной и той же силе тока размер капель увеличивается. При сварке в среде азота происходит крупнокапельный перенос металла с интенсивным разбрызгиванием [17].

Рассмотрены методы и технические средства сбора нефтепродуктов с поверхности воды. Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости[3].

Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма[8].

Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар (см. прил.рис.12). [16].

Осторожно положить иглу на поверхность воды (см. прил. фото 4). Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть [8]. По тэтой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды (см. прил.рис.13),как конкобежцы по льду [8].

В медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением (см. прил. рис.14) [8]. Установлено, что вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. Она легче вступает в молекулярные взаимодействия, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.

Непрерывно растут объёмы печати на полимерных плёнках благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке[2]. Важное условие грамотного внедрения подобных технологий — точное определение условий их применения в полиграфических процессах.

В полиграфии обработка пластика перед печатью необходима для того, чтобы краска ложилась на материал. Причина заключается в поверхностном натяжении материала. Результат определяется тем, как жидкость смачивает поверхность изделия. Смачивание считается оптимальным, когда капля жидкости остается там же, где она была нанесена. В других случаях жидкость может скатываться в каплю, либо, наоборот, растекаться. Оба случая в равной степени приводят к отрицательным результатам во время переноса краски[5].

  1. Заключение Вначале работы мною была поставлена цель исследование поверхностных явлений в жидкостях и изучение существенных методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости на границе «жидкость – воздух». В ходе исследовательской работы я узнала:

1) о существенных экспериментальных методах измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости;

2) используя метод отрыва капель и проволочной рамки определила коэффициент поверхностного натяжения жидкости на границе «жидкость – воздух»; 3) силы поверхностного натяжения малы и проявляются при малых объемах жидкости;

4) поверхностная энергия жидкости зависит рода жидкости, от среды с которой она граничит, а также от температуры жидкости.

5) при увеличении температуры внутренняя энергия возрастает и, естественно, уменьшается напряжение в пограничном слое жидкости и, следовательно, уменьшаются силы поверхностного натяжения.

6) мыльная вода, обладает способностью образовывать тонкие пленки. Жидкая пленка превращается в эластичную поверхность, стремящуюся минимизировать свою площадь, и,следовательно, минимизировать энергию натяжения, приходящуюся на единицу площади (см. прил. фото № 6); ( эта форма шара).

7) силы поверхностного натяжения существуют, играют большую роль в природе, технике и жизни человека. Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны.

6. Литература

1. Детлаф, А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2002. 718 с

2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебник для общеобразов. учреждений. – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2008.

3. Кухлинг, Х. Справочник по физике. - М., 1982. - 520с

4. Ландсберга Г.С. Элементарный учебник физики. Том 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика. – М.,Книга по Требованию, 2012. – 618 с.

5 .Мякишев Г.Я,Синяков А.З. «Физика: молекулярная физика и термодинамика». Учебник для 10 класса профильного уровня. Москва, 2012.

6. Матвеев, А.Н. Молекулярная физика. М.:Высшая школа,1987. 360с.

7. Пинский А.А. Кабардин О.Ф. Учебник по физике 10 кл. Профильный уровень.13-е изд. - М.: Просвещение, 2011

8. Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Кн. 1. –20-е изд., стереотип. – М.: Наука, 1979 г.

9. Трофимова, Т.И. Курс физики. - М: Академия, 2007.- 560 с.

10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Поверхностное_натяжение

11.Формулы http://studyport.ru/referaty/tochnyje-nauki/3948

12.Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение http://www.physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph5/theory.html#.Vo9nifmLTcc

13.Смачивание, капилляр http://phys-bsu.narod.ru/lib/mkt/mkt/207.htm

14.Метод проволочной рамки http://allrefs.net/c12/3smth/p5/

15.Поверхностное натяжение жидкости http://physflash.narod.ru/Search/mechanics/24.htm

16.Интересные факты о форме жидкости http://www.afizika.ru/svojstvazhidkostejgazov/95-estestvennayaformazhidkosti

17. http://www.ngpedia.ru/id181006p1.html

Приложение

Рисунок 1.[6]Сечение сферической капли жидкости

Рисунок 2.Плавание капли масла

Рисунок 3[2]Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

Рисунок 4[12]Молекулярный механизм поверхностного натяжения

Рисунок 5 [10]Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения

Рисунок 6.[2][0]Поверхностное натяжение мыльной пленки

Рисунок 7 [14]Условияравновесия на границе жидкость - твердое тело

Q90° – несмачивание

Q – Угол смачивания

Q =0 ° - идеальное не смачивание

Q=180 ° - идеальное смачивание

Рисунок 8. Капилляры [13]

А. Б. В.

Рисунок 9. Образование капли жидкости[10]

а bc

Рисунок 10. [12]

Рисунок 11.

Проволочная рамка[14]

Рисунок 12.Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике

Рисунок 13.

.

Рисунок 14. Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в физиологии нашего организма.

Таблица № 1 Коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с воздухом.

d (мм)

m1(гm1(г)

mm2(г)

 

m(г)

δ

( (мН/м)

δ ср

(мН/м)

Δ δср. (мН/м)

E %

1

1.5

З0,9

31,95

30

0,035

73

74,33

0,89

1,2

2

1.5

30,9

32,34

40

0,036

75

74,33

0,89

1,2

3

1.5

30,9

32,7

50

0,036

75

74,33

0,89

1,2

Таблица № 2 Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом

Вещество

l(м)

F (мН)

δ (мН/м)

δ табл.(мН/м)

1

Мыльный раствор

0.06

4

33,3

40

2

Вода

0,06

7,5

62,5

73

3

Молоко

0.06

5.5

45,8

46

4

Растительное масло

0.06

3,5

29,2

30

.

Таблица № 3 Коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с воздухом при разной температуре

t ( 0С )

L ( м)

F (мН )

δ (мН/м)

20

0,06

7,5

62,5

50

0,06

6

50

70

0,06

5,5

45,83

80

0,06

3

25

Таблица № 4 Абсолютная и относительная погрешность измерения коэффициента поверхностного натяжения разного рода жидкостей

Вещество

Δ δ(мН/м)

E %

1

Мыльный раствор

6.7

16,8

2

Вода

10,5

14,4

3

Молоко

0,2

0,4

4

Растительное масло

0,8

2,7

График №1. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости от рода жидкости, и сравнение результатов эксперимента с табличным.

График № 2. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры

Фотография № 1

Фотография № 2

Фотография № 3

Фотография № 4

Фотография № 5

Фотография № 6

Просмотров работы: 7573