Исследование капиллярных свойств бумажных салфеток

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

Исследование капиллярных свойств бумажных салфеток

Бакулина А.А. 1
1МАОУ "Школа № 128", г. Нижнего Новгорода
Сугробова Н.В. 1
1МАОУ "Школа № 128" г. Нижнего Новгорода
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Кто из нас не пользовался бумажными салфетками и бумажными полотенцами? Очки - признак интеллигентности, а бумажные салфетки — признак аккуратности. Дома и на природе, в машине и офисе, в рюкзаке и сумке всегда будут кстати салфетки.

Салфетка (фр. serviette) - кусок ткани или нетканого материала прямоугольной или квадратной формы. Основной функцией всех салфеток является поглощение грязи и влаги с целью обеспечить чистоту обрабатываемой поверхности.Необходимость использовать салфетки возникла за много веков до сегодняшнего дня. Ещё в Древней Египте в качестве салфеток использовали листья фигового дерева, которыми вытирали губы хозяину его рабы. В античные времена римляне придумали и наладили производство салфеток из асбестовых волокон, они очищались методом прокаливания. На востоке салфетками служил тонкий лаваш. Полотняные салфетки – тоже изобретение римлян, пришедшееся на хронологическую границу старой и новой эры. 9 июля 1887 года впервые официально на торжественном обеде были представлены бумажные салфетки. Этим мы благодарны английскому производителю бумаги Джону Дикенсону. Но только после Первой мировой войны бумажные салфетки стали выпускать почти одновременно несколько европейских заводов. С тех пор популярность бумажных салфеток очень высока.

Чем же они так завоевали потребителя?

Из курса 7 класса я знаю, что применение салфеток основано на явлении капиллярности, которое является следствием смачивания. А в интернет - источниках рекламодатели приводят основную характеристику бумаги для производства салфеток - капиллярную впитываемость. Я предположила, что высокие потребительские свойства бумажных салфеток связаны с их лучшей капиллярной впитываемостью по сравнению с тканевыми салфетками при меньших затратах на их использование. Если это так, то в чем причина разных капиллярных свойств салфеток? Ведь, как я заметила, даже разные бумажные салфетки по-разному впитывают влагу и грязь. Тем более что сегодня в магазинах бумажные салфетки представлены в широком ассортименте. Перед покупателем наверняка стоит проблема: какие салфетки выбрать из всего многообразия.

Таким образом, я поставила перед собой следующие цели:

Выяснить причину разных капиллярных свойств салфеток.

Сравнить капиллярную впитываемость изделий, выпускаемых разными производителями, и дать населению простейшие рекомендации по покупке тех или иных салфеток.

Для достижения целей мне предстоит решить следующие задачи:

Изучить теорию смачивания и капиллярности.

Провести эксперимент по измерению высоты поднятия жидкости в бумажных и тканевых салфетках.

Провести эксперимент по измерению высоты поднятия жидкости в бумажных салфетках различных производителей.

Наглядно представить результаты измерений и сделать выводы.

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

1. Поверхностное натяжение жидкостей. Свободная поверхность.

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. Это явление называется ближним порядком (рис.1.)

1

Рисунок 1.

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

Рисунок 2 иллюстрирует отличие жидкости от газообразного вещества на примере воды. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды.

2

Рисунок.2. Водяной пар (1) и вода (2).

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. 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), в отличие от молекул в ее глубине (А), 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. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь, так как молекул газа вблизи нее практически нет). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости.

Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (то есть увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:

ΔAвнеш = σΔS.

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией, пропорциональной площади поверхности:

Ep = Aвнеш = σS.

 

Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях наметр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).

И звестно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует (см. формулу), что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. 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 (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Пронаблюдать у воды наличие поверхностного натяжения можно, осторожно положив бритву на поверхность воды. Бритва не тонет. Ее поддерживает сила поверхностного натяжения. Стоит легко прикоснуться к бритве, и она утонет.

С тремление жидкости уменьшить свою свободную поверхность хорошо проявляется в различных явлениях и опытах.

Прежде всего, об этом говорит шарообразная форма, которую принимают маленькие капли жидкости: капли воды, разбегающиеся по раскаленной плите, если на нее попадут брызги воды, капли воды на пыльной дороге, капли росы. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения.

2. Явление смачивания

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Объясним на основе знаний о силах поверхностного натяжения.

В процессе установления равновесия капли жидкости на границе между жидкостью, твердым телом и газом на каждый элемент этой границы будут действовать три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом Fжг, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом Fжт, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом Fтг. Из условия равновесия:  = Fжт+ Fжгcosθ. Отсюда  cosθ=

 Если   Fжт < Fтг, то соsθ > 0. Тогда жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом. Если жидкость находится в сосуде, то в случае смачивания она будет подниматься вверх, так как силы взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости.

Если   Fжт > Fтг, то соsθ<0. Это условие реализуется, если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела. Краевой угол θ оказывается тупым В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном не смачивании θ = 180°.

Поведение жидкости у стенки сосуда.

Краевые углы смачивающей (1), не смачивающей (2)жидкостей.5

3. Явление капиллярности

Вследствие смачивания (не смачивания) жидкость может пониматься (опускаться) по трубкам малого диаметра – капиллярам. Эти явления называются капиллярными. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, не смачивающие – опускаются. Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность.

Н а рисунке изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра.

Fт = mg = ρhπr2g,

Fн = σ2πr cos θ.

Отсюда следует:

 

6

Подъем смачивающей жидкости в капилляре.

При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае

 

т. е. высота поднятия жидкости в капилляре пропорциональна ее поверхностному натяжению и обратно пропорциональна радиусу канала капилляра и плотности жидкости.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Различие капиллярной впитываемости полотняных и бумажных салфеток.

А теперь предположим, что любая ткань или салфетка пронизана каналами неправильной формы – капиллярами. Тогда различие в их капиллярной впитываемости легко объяснить. Согласно формуле, приведенной выше, чем больше радиус капилляра, тем высота поднятия жидкости в нем меньше. Следовательно, можно говорить о том, что салфетки хуже смачиваются жидкостью.

Вероятно, у бумажных салфеток радиус капилляров меньше, чем у полотняных, что обеспечивает их лучшие капиллярные свойства и, соответственно, популярность среди потребителей.

Проверим это экспериментально.

Изготовим образцы для исследования. Для этого я вырезала из хлопчатобумажного полотенца и бумажной салфетки полоски длиной 10 см и шириной 2 см. На расстоянии 3 см от конца образца провела линию.

Взяла миску с водой, опустила образцы в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией. После того, как вода переставала подниматься по образцу, я его вынимала и измеряла высоту поднятия жидкости от прочерченной линии до сухого участка.

Рассчитаем радиус капилляра

Образец 1. Полотенце.

h = 140 мм

r = 2σ/ρhg = 2×0,0728/(1000 ×0,014 ×9.8) ≈ 0,00106 м ≈ 1.06 мм.

Образец 2. Салфетка бумажная.

h = 150 мм

r = 2σ/ρhg = 2×0,0728/(1000 ×0,015 ×9.8)= 0,00100 м =1.00мм.

Итак, действительно, радиус капилляров бумажных салфеток меньше, что обеспечивает их лучшую впитываемость.

2 . Различие капиллярной впитываемости бумажных салфеток разных производителей и ценовых категорий.

Изготовим образцы для исследования. Для этого вырежем из бумажных салфеток полоски длиной 10 см и шириной 2 см. На расстоянии 1 см от конца образца проведем линию.

Измерим высоту поднятия жидкости в различных образцахвычислим радиус капилляра по формуле:

r = 2σ/ρhg

Измерим время растекания капли жидкости и диаметр пятна в бумажных салфетках различных производителей. Для этого с помощью пипетки я наносила каплю жидкости на салфетку, предварительно положенную на стекло. Время растекания жидкости по салфетке измеряла по электронному секундомеру.

Сняв салфетку, смотрела наличие остатка жидкости на стекле («++» - большой след на стекле, «+» - небольшой след на стекле, «-» - нет следа на стекле).

Результаты свела в таблицу.

Таблица 1. Характеристики впитываемости капель воды и масла.

Название

Диаметр пятна воды, см

Время растекания воды, с

Наличие следа на стекле

Диаметр пятна масла, см

Время растекания масла, с

Наличие следа на стекле

Zewa

Luxury

3,3

5,86

+

3,0

4,14

-

Zewa

plus

3,5

8,58

+

3,0

6,58

+

Zewa

deluxe

4,2

4,50

+

3,0

11,4

-

Лилия

3,6

6,33

++

2,1

10,13

++

Радуга

2,2

5,46

++

2,3

12,21

++

Перышко

2,7

4,52

++

3,3

11,48

++

Бархат

4,7

20,22

+

3,5

20,3

+

Premial

3,6

4,92

++

3,8

9,52

+

Семья и комфорт

2,1

5,50

++

2,9

6,66

+

Primo

5,1

10,20

+

3,5

8,10

-

Таблица 2. Высота подъема жидкости, радиус капилляра салфетки.

Название

Высота подъема воды, см

Высота подъема масла, см

Радиус капилляра, мм

Zewa

Luxury

5,8

1,8

0,25

Zewa

plus

1,6

0,5

0,91

Zewa

deluxe

6,6

2,0

0,22

Лилия

0,25

0,1

5,9

Радуга

0,5

0,1

3

Перышко

0,1

0,05

14,9

Бархат

2,2

0,8

0,66

Premial

0,9

0,8

1,62

Семья и комфорт

0,3

0,4

4,87

Primo

1,6

0,9

0,91

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Из таблиц следует, что чем меньше радиус капилляра, тем лучше капиллярные свойства салфеток.

Наилучшие потребительские свойства можно отметить у салфеток Zewa deluxe, т.к. у них наименьшее время растекания при относительно большом диаметре пятна, они практически не оставляют следа на стекле, их капиллярная впитываемость (высота подъема по капилляру) наилучшая.

Если рассматривать соотношение цены и качества, я бы порекомендовала салфетки PRIMO или БАРХАТ. Продукция марки Zewa имеет высокую по сравнению с остальными марками стоимость (прайс-листы интернет магазинов – от 70 руб. за упаковку 30 шт. Продукция марки PRIMO или БАРХАТ по капиллярным свойствам несколько уступает салфеткам Zewa, т.к. высота подъема жидкости и диаметр пятна меньше по сравнению с продукцией марки Zewa, время растекания больше, но немного. А цена ниже примерно в 2 раза. (ПРИМО – Интернет-магазин – 30 руб. 100 шт.; БАРХАТ – 40-45 руб. – 100 шт.) К тому же эти салфетки имеют наилучшие капиллярные свойства по сравнению с другими салфетками данной ценовой категории.

Ни в коем случае не рекомендуем пользоваться салфетками марки «Радуга».

Список литературы

http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E0%EF%E8%EB%EB%FF%F0%ED%EE%F1%F2%FC

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BC%D0%B0%D1%87%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5

http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%EE%E2%E5%F0%F5%ED%EE%F1%F2%ED%EE%E5_%ED%E0%F2%FF%E6%E5%ED%E8%E5

Н.С.Пурышева, Н.Е.Важеевская Физика 8 класс М.: « Дрофа» 2011г.

В.А. Касьянов Физика 10 класс . М.: «Дрофа» 2002г

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4108.html

http://tims.ucoz.ru/svoistva/smachivanie.html

http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3716.html

http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2784/%D0%A1%D0%9C%D0%90%D0%A7%D0%98%D0%92%D0%90%D0%9D%D0%98%D0%95

http://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/1909/%D0%9A%D0%90%D0%9F%D0%98%D0%9B%D0%9B%D0%AF%D0%A0%D0%9D%D0%9E%D0%A1%D0%A2%D0%AC

http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_1536.html

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1496.html

Просмотров работы: 151