ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

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

Личный портфель

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Заикина А.Е. 1
1
Барышникова А.П. 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 Введение

В окружающем нас мире наряду с тяготением, упругостью и трением действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем внимание. Эта сила действует вдоль касательной к поверхностям всех жидкостей. Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, стремится сократить её до минимума, называют силой поверхностного натяжения. Она сравнительно мала, ее действие никогда не вызывает мощных эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воду в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы поверхностного натяжения. К эффектам, называемым поверхностным натяжением, мы настолько привыкли, что не замечаем их. Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. В природе и в нашей жизни они играют немаловажную роль. Без них мы не могли бы писать гелиевыми ручками, картриджив принтерах сразу же ставили бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки – пена не образовалась бы. Слабый дождик промочил бы нас насквозь, а радугу нельзя было бы видеть ни при какой погоде. Поверхностное натяжение собирает воду в капли и благодаря поверхностному натяжению можно выдуть мыльный пузырь. Используя правило «Вовремя удивляться» бельгийского профессора Плато для исследователей, рассмотрим в работе необычные опыты.

Цель работы: экспериментально проверить проявления поверхностного натяжения жидкости, определить коэффициент поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва капель

Задачи:

  • Изучить учебную, научно-популярную литературу, использовать материалы в сети «Интернет» по теме «Поверхностное натяжение»;

  • проделать опыты, доказывающие, что собственная форма жидкости – шар;

  • провести эксперименты с уменьшением и увеличением поверхностного натяжения;

  • сконструировать и собрать экспериментальную установку, с помощью которой определить коэффициент поверхностного натяжения некоторых жидкостей методом отрыва капель.

  • обработать полученные данные и сделать вывод.

Объект исследования: жидкости.

Основная часть. Поверхностное натяжение

М

Рис 1. Г. Галилей

ногочисленные наблюдения и опыты показывают, что жидкость может принимать такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшую площадь. В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не притяжение к Земле. Чем меньше капля, тем большую роль играют силы поверхностного натяжения. Поэтому маленькие капельки росы на листьях деревьев, на траве близки по форме к шару, при свободном падении дождевые капли почти строго шарообразны. Стремление жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать на многих явлениях, которые кажутся удивительными. Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не совсем точным. Собственная форма жидкости – шар, как наиболее ёмкая форма. 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. 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. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. 1

 

Рис 2. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед

А как можно объяснить самопроизвольное сокращение поверхности жидкости? Молекулы на поверхности и в глубине жидкости находятся в разных условиях. На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения со стороны соседних молекул, окружающих ее со всех сторон. Результирующая этих сил равна нулю. Над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше плотности жидкости, и взаимодействием молекул пара с молекулами жидкости можно пренебречь. Молекулы, которые находятся на поверхности жидкости, притягиваются только молекулами, находящимися внутри жидкости. Под действием этих сил молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь, число молекул на поверхности уменьшается, площадь поверхности сокращается. Но не все молекулы могут с поверхности уйти внутрь жидкости, этому препятствуют силы отталкивания, возникающие при уменьшении расстояний между молекулами. При определенных расстояниях между молекулами, втягиваемыми внутрь, и молекулами, находящимися под поверхностью, силы взаимодействия становятся равными нулю, процесс сокращения поверхности прекращается. На поверхности остается такое число молекул, при котором ее площадь оказывается минимальной для данного объема жидкости. Так как жидкость текуча, она принимает такую форму, при которой число молекул на поверхности минимально, а минимальную поверхность при данном объеме имеет шар, то есть капля жидкости принимает форму, близкую шаровой.Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, - и капля отрывается. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превышает его прочность. В действительности, конечно, ничего кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведёт себя, как растянутая эластичная пленка. Такое же впечатление производит пленка мыльного пузыря.

Опыт №1

С

Рис . 3

тремление жидкости к минимуму потенциальной энергии можно наблюдать с помощью мыльных пузырей. Мыльная пленка представляет собой двойной поверхностный слой. Если выдуть мыльный пузырь, а потом прекратить надувание, то он станет уменьшаться в объёме, выжимая из себя струю воздуха.

 

 

Фото 1

 

Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызываемое притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости5

Опыт Плато (1849г.)

П

Рис. 4. Ж.Плато

оводом, побудившим бельгийского профессора к опытам, был случай. Нечаянно он налил в смесь спирта и воды небольшое количество масла, и оно приняло форму шара. Размышляя над этим фактом, Плато наметил ряд опытов, которые впоследствии блестяще были выполненными его друзьями и учениками. В своем дневнике он написал для исследователей правило: «Вовремя удивляться». Я решила исследовать опыт Плато, но в другом варианте: использовать в опыте подсолнечное масло и подкрашенную марганцовую воду.

 

Опыт, доказывающий, что однородная жидкость принимает форму с минимальной свободной поверхностью

Вариант опыта Плато №2

1) В мензурку налили подсолнечное масло.

2) Глазной пипеткой капнули в подсолнечное масло каплю подкрашенной марганцовой воды диаметром приблизительно 5мм.

3

Фото 2

) Наблюдали шарики воды разного размера, медленно падающие на дно и принимающие овальную приплюснутую форму (Фото 2).

 

5) Наблюдали, как капля принимает правильную форму шара (Фото 2).

Вывод: Жидкость, притягивая молекулы поверхностного слоя, сжимает саму себя. Овальная приплюснутая форма объясняется тем, что вес капли, которая не смешивается с маслом, больше выталкивающей силы. Правильная форма шара объясняется тем, что капля плавает внутри масла: вес капли уравновешивается выталкивающей силой.

При свободном падении, в состоянии невесомости капли дождя практически имеют форму шара. В космическом корабле шарообразную форму принимает и достаточно большая масса жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

В отсутствии внешней силы вдоль поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения, которая сокращает до минимума площадь поверхности пленки. Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения.

F = Ơ ℓ

Ơ = F / ℓ

Ơ - коэффициент поверхностного натяжения – это отношение модуля F силы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя ℓ, к этой длине есть величина постоянная, не зависящая от длины ℓ. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы граничащих сред и от температуры. Его выражают в ньютонах на метр (Н / м).

Опыты с уменьшением и увеличением

п

Фото 3

оверхностного натяжения

 

Опыт №3

  1. В широкий стеклянный сосуд налили воду.

  2. На поверхность бросили кусочки пенопласта.

  3. Прикоснулись к центру поверхности воды кусочком мыла.

  4. Кусочки пенопласта начинают двигаться от центра к краям сосуда (Фото 3).

  5. Капали в центр сосуда бензином, спиртом, моющим средством «Fairy».

Вывод: Поверхностное натяжение данных веществ меньше, чем у воды.

Эти вещества используются для удаления грязи, жирных пятен, сажи, т.е. не растворимых в воде веществ.Из-за достаточно высокого поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает очень хорошим чистящим действием. Например, вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу больше, чем к частицам нерастворимой грязи.Мыло и синтетические моющие средства (СМС) содержат вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды. Первое мыло, самое простое моющее средство, было получено на Ближнем Востоке более 5000 лет назад. Поначалу оно использовалось, главным образом, для стирки и обработки язв и ран. И только в 1 веке н.э. человек стал мыться с мылом.

В начале 1-го века мыло появилось на свет.

От грязи спасло человека и стал он чистым с юных лет.

Я говорю вам про мыло, что вскоре породило: шампунь, гель, порошок.

Стал чистым мир, как хорошо!

 

Рис 5. Ф. Гюнтер

Моющими средствами называются натуральные и синтетические вещества с очищающим действием, в особенности мыло и стиральные порошки, применяемые в быту, промышленности и сфере обслуживания. Мыло получают в результате химического взаимодействия жира и щелочи. Скорее всего, оно было открыто по чистой случайности, когда над костром жарили мясо, и жир стекал на золу, обладающую щелочными свойствами. Производство мыла имеет давнюю историю, а вот первое синтетическое моющее средство (СМС) появилось в 1916г., его изобрел немецкий химик Фриц Гюнтер для промышленных целей. Бытовые СМС, более или менее безвредные для рук, стали выпускаться 1933г. С тех пор разработан целый ряд синтетических моющих средств (СМС) узкого назначения, а их производство стало важной отраслью химической промышленности.

 

Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточным чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу, вместо того чтобы захватывать частицы грязи, другими словами они не смачивают грязь.

Мыло и синтетические моющие средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения. Эти вещества называются поверхностно-активными (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости.

 

Рис. 6

Сейчас производство СМС стало важной отраслью химической промышленности. Эти вещества называют поверхностно-активным веществом (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости. Молекулы ПАВ можно представить в виде головастиков. Головами они «цепляются» за воду, а «хвостами» за жир. Когда ПАВ смешивают с водой, их молекулы на поверхности обращены «головами» вниз, а «хвостами» наружу. Раздробив таким образом поверхность воды, эти молекулы значительно уменьшают эффект поверхностного натяжения, тем самым помогая воде проникнуть в ткань. Этими же «хвостиками» молекулы ПАВ (Рис 6) захватывают попадающиеся им молекулы жира.2

 

Опыт №4

 

Фото 4

Фото 6

 

1.Налили в блюдце молоко так, чтобы оно закрыло дно (Фото 4)

2. Капнули на поверхность молока 2 капля зеленки

3. Наблюдали, как зеленка «увлекается» от центра к краям. Две капли зеленки покрывают большую часть поверхности молока! (Фото 5)

Вывод: поверхностное натяжение зеленки, намного меньше, чем молока.

4. На поверхность зеленки капнули жидкость для мытья посуды «Fairy», мы увидели, как эта жидкость растеклась по всей поверхности.(Фото 6)

Вывод: поверхностное натяжение моющего средства меньше, чем зеленки.

 

Фото 5

 

Опыт№5

  1. В широкий стеклянный сосуд налили воду.

  2. На поверхность бросили кусочки пенопласта.

  3. Прикоснулись к центру поверхности воды кусочком сахара.

  4. К

    Фото 7

    усочки пенопласта начинают двигаться от краев сосуда к центру (Фото 7).

     

Вывод: поверхностное натяжение водного раствора сахара больше, чем чистой воды.

Опыт№6

Удаление с поверхности ткани жирового пятна

Смочили бензином ватку и этой ваткой смочили края пятна (а не само пятно). Бензин уменьшает поверхностное натяжение, поэтому жир собирается к центру пятна и оттуда его можно удалить, этой же ваткой если же смачивать, само пятно, то оно может увеличиться в размерах вследствие уменьшения поверхностного натяжения.

Для экспериментального определения значения поверхностного натяжения жидкости можно использовать процесс образования и отрыва капель, вытекающих из капельницы.

Краткая теория методаотрыва капель

Малый объем жидкости сам по себе принимает форму, близкую к шару, так как благодаря малой массе жидкости мала и сила тяжести, действующая на нее. Этим объясняется шарообразная форма небольших капель жидкости. На рис.1 приведены фотографии, на которых показаны различные стадии процесса образования и отрыва капли. Фотография получена с помощью скоростной киносъемки, капля растет медленно, можно считать, что в каждый момент времени она находится в равновесии. Поверхностное натяжение вызывает сокращение поверхности капли, оно стремится придать капле сферическую форму. Сила тяжести располагает центр тяжести капли как можно ниже. В результате капля оказывается вытянутой (рис.7а).

Рис. 7. а б в г

Процесс образования и отрыва капель

Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Основная масса по мере роста капли собирается внизу и у капли образуется шейка (рис.7б). Сила поверхностного натяжения направлена вертикально по касательной к шейке и она уравновешивает силу тяжести, действующую на каплю. Теперь достаточно капле совсем немного увеличиться и силы поверхностного натяжения уже не уравновешивают силу тяжести. Шейка капли быстро сужается (рис.7в) и в результате капля отрывается (рис.7г).

Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения некоторых жидкостей основывается на взвешивании капель. В случае медленного вытекания жидкости из малого отверстия размер образующихся капель зависит от плотности жидкости, коэффициента поверхностного натяжения, размера и формы отверстия, а также от скорости истечения. При медленном вытекании смачивающей жидкости из вертикальной цилиндрической трубки образующаяся капля имеет форму, показанную на рисунке 8. Радиус r шейки капли связан с наружным радиусом трубки R соотношением r = kR (1)

где k – коэффициент, зависящий от размеров трубки и скорости вытекания.

В

R

момент отрыва вес капли должен быть равен равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих по длине, равной протяженности контура шейки в самой ее узкой части. Таким образом, можно записать

 

m

r

g=ơl

 

 

Рис. 8

mg = 2πrơ (2)

 

Подставляя величину радиуса шейки r из равенства (1) и решая его, получим

Ơ =mg/2πkR (3)

Для определения массы капли, некоторое число n капель взвешивают в стакане известного веса. Если масса стаканчика без капель и с каплями будет соответственно М0 и М, то масса одной капли

m = (M-M0)/n

Подставляя последнее выражение в формулу (3) и вводя вместо радиуса трубки ее диаметр d, получим расчетную формулу

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Исследовательская работа «Определение коэффициента поверхностного натяжения некоторых жидкостей методом отрыва капель»

Цель исследования: определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель некоторых жидкостей. Приборы: установка для измерения коэффициента поверхностного натяжения, весы, разновес, стаканчик, штангенциркуль, секундомер. Материалы: моющие средства: «Fairy», «Aos», молоко, спирт, бензин, растворы порошков: «Миф», «Persil», шампуни «Fruttis», «Pantene», «Schauma» и «Fruttis», гели для душа «Sensen», «Монпансье» и «Discover».

Описание прибора.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения собрали установку, состоящую из штатива, на котором установили бюретку с исследуемой жидкостью. На конце бюретки укрепили наконечник-трубку, на конце которой образуется капля. Взвешивание капель производили в специальном стаканчике.

Ход исследования

  1. С помощью штангенциркуля измерили диаметр наконечника-трубки три раза и вычислили среднее значение d.

  2. Взвесили на весах чистый сухой стаканчик (М0).

  3. С помощью краника бюретки добились скорости вытекания капель

15 капель в минуту.

  1. Отлили из бюретки в стаканчик 60 капель жидкости, считая точно количество отлитых капель.

  2. Взвесили стаканчик с жидкостью. (М)

  3. Подставили полученные значения в формулу ơ = ((M-M0)g)/πkdn

  4. Вычислили коэффициент поверхностного натяжения.

  5. Провели опыт три раза

  6. Вычислили среднее значение коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в Н/м.

Таблица №1

Результаты определения коэффициента поверхностного натяжения (Н/м)

Жидкость

Коэффициент поверхностного натяжения

Измеренное

Табличное

Спирт этиловый

23

22

Бензин

24

21

Молоко (2,5)

45

---

Молоко (коровье домашнее)

41

---

Раствор порошка «Миф»

32

---

Раствор порошка «Persil»

36

---

Моющее средство «Fairy»

45

---

Моющее средство «Aos»

53

---

Вывод: Из исследованных кухонных моющих средств, при всех остальных одинаковых параметрах, влияющих на качество «отмывания», лучше использовать средство «Fairy». Из исследованных стиральных порошков «Миф», т.к. именно их растворы обладают наименьшим поверхностным натяжением. Следовательно, первое средство («Fairy») лучше помогает смывать нерастворимые в воде жиры с посуды, являясь эмульгатором – средством, облегчающим получение эмульсий (взвесей мельчайших частиц жидкого вещества в воде). Второе («Миф») лучше отстирывает бельё, проникая в поры между волокнами тканей. Заметим, что при использовании кухонных моющих средств, мы заставляем вещество (в частности жир) хотя бы на некоторое время растворится в воде, т.к. происходит «дробление» его на мельчайшие частицы. За это время рекомендуется смыть нанесенное моющее средство струей чистой воды, а не ополаскивать посуду через какое-то время в ёмкости. Кроме того исследовали поверхностное натяжение шампуней и гелей для душа. Из-за достаточно высокой вязкости этих жидкостей сложно точно определить коэффициент поверхностного натяжения их, но зато можно сравнить. Были исследованы (методом отрыва капель) шампуни «Pantene», «Schauma» и «Fruttis», а также гели для душа «Sensen», «Монпансье» и «Discover».

Вывод:

  1. Поверхностное натяжение уменьшается в шампунях на ряду «Fruttis» - «Schauma» - «Pantene», в гелях – в ряду «Монпансье» - «Discover» - «Senses».

  2. Поверхностное натяжение шампуней меньше поверхностного натяжения гелей (Например «Pantene» < «Senses» на 65 мН/м), что оправдывает их назначение: шампуни – для мытья волос, гели – для мытья тела.

  3. При всех остальных одинаковых характеристиках, влияющих на качество мытья, из исследованных шампуней лучше использовать «Pantene» (Рис. 9), из исследованных гелей для душа – «Senses»(Рис.10).

 

Рис. 9

Рис . 10

 

Метод отрыва капель, не будучи очень точным, однако, используется в медицинской практике. Этим методом определяют в диагностических целях поверхностное натяжение спинномозговой жидкости, желчи и т.д.

Заключение

Выводы:

1. Получены экспериментальные подтверждения теоретических выводов, доказывающие, что однородная жидкость принимает форму с минимальной свободной поверхностью

2. Проведены эксперименты с уменьшением и увеличением поверхностного натяжения, результаты которых доказали, чтомыло и синтетические моющие средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения.

3. Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей

а) изучена краткая теория метода отрыва капель;

б) сконструирована и собрана экспериментальная установка;

в) вычислены средние значения коэффициента поверхностного натяжения различных жидкостей, сделаны выводы.

4. Результаты экспериментов и исследования представлены в виде таблицы и фотографий.

Работа над проектом позволила мне приобрести более широкие знания по разделу физики «Поверхностное натяжение».

Мне хочется закончить свой проект словами великого ученого физика

А. Эйнштейна:

«Мне достаточно испытать ощущение вечной тайны жизни, осознавать и интуитивно постигать чудесную структуру всего сущего и активно бороться, чтобы схватить пусть даже самую малую крупинку разума, который проявляется в Природе»

Список использованных источников и литературы

  1. http://www.physics.ru/

  2. http://greenfuture.ru/

  3. http://www.agym.spbu.ru/

  4. Буховцев Б.Б., Климонтович Ю. Л., Мякишев Г.Я., Физика, учебник для 9 класса средней школы - 4-е издание – М.: Просвещение, 1988 г. – 271 с.

  5. Касьянов В.А., Физика, 10 класс, учебник для общеобразовательных учебных заведений, М.: Дрофа, 2001г. – 410 с.

  6. Пинский А.А. Физика: учебник. Пособие для 10 классов с углубленным изучением физики. М.: Просвещение, 1993г. – 416 с.

  7. Юфанова И.Л. Занимательные вечера по физике в средней школе: книга для учителя. - М.: Просвещение, 1990г. -215с

  8. Чуянов В.Я., Энциклопедический словарь юного физика, М.: Педагогика, 1984г. – 350 с.

11http://www.physics.ru/

2 http://greenfuture.ru

3 www.agym.spbu.ru

16

Просмотров работы: 9672