На границе твердого тела и жидкости

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

На границе твердого тела и жидкости

Козырев И.Н. 1
1МБОУ "Гимназия №2 "Квантор"
Дорохова Е.В. 1
1МБОУ "Гимназия №2 "Квантор"
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

Вступление

Хотим мы того или нет, но в производстве и использовании механизмов почти всегда происходит контакт между жидкой и твердой фазами веществ, будь то автомобиль, самолет, космический корабль, насос, и так далее. И, в зависимости от обстоятельств, последствия этого взаимодействия могут быть как положительными, так и отрицательными. Цель моей работы – это подробно рассмотреть процесс взаимодействия жидкостей и твердых тел, рассказать о том, что может происходить при их контакте, и провести исследования для того, чтобы понять, насколько полезны или опасны некоторые явления, и как действовать для того, чтобы избежать, или же наоборот, использовать их.

Рассматривать явления я буду с физической точки зрения, то есть без учета химический свойств взаимодействующих веществ, хотя в некоторых случаях это очень важно, однако это уже будет темой совершенно другого сообщения.

Основная часть

В своей работе я рассмотрю 2 явления, которые очень часто встречаются в технике и имеют огромное значение – явление смачивания и капиллярные явления, явление адсорбционного понижения прочности.

Явление смачивания

Рассмотрим молекулы на границе раздела сред. Молекула любой жидкости, контактирующая с твердым телом, может сильнее притягиваться к другим молекулам жидкости или же к молекулам твердого тела. В следствие этого возникают явления смачивания и несмачивания.

 

Рисунок 5. Различные степени смачивания.

На рисунке показаны слабое смачивание, смачивание с большей площадью контакта, полное смачивание. Характеристикой того, насколько сильно жидкость смачивает твердое тело является краевой угол Тогда, при полном несмачивании при частичном смачивании 0 < < , при полном смачивании . При полном обволакивании поверхности твердого тела жидкостью, смачивание называют иммерсионным, в остальных случаях – контактным (1).

Понятие краевого угла ввел в своей работе Т. Юнг. Он же вывел формулу, называемую законом Юнга. Однако до сих пор ведутся споры по поводу справедливости данной формулы, ведь в ней не учтено возможное влияние гравитации. Были проведены опыты в невесомости. Наблюдения показали, что в невесомости краевой угол чуть меньше, однако с учетом малого размера исследуемых капель, все результаты находятся в пределах погрешности, и ничего определенного сказать нельзя (4).

 

Рисунок 7. Закон Юнга.

Рисунок 6. Силы поверхностного натяжения при смачивании.

Как видно, краевой угол определяется величинами поверхностного натяжения на границах разделов сред, а значит можно узнать, сильным или слабым будет смачивание. К сожалению, определить поверхностное натяжение твердого тела достаточно сложно, однако я определил поверхностное натяжение жидкостей несколькими способами: методом отрыва петли, методом отрыва капель и методом подъема жидкости в капилляре. Все они основаны на принципе уравновешивания силы поверхностного натяжения силой тяжести, либо силой упругости в пружине динамометра (5).

Рисунок 8. Измерение поверхностного натяжения методом отрыва петли.

 

 

Проведя 6 опытов, я получил значения поверхностного натяжения дистиллированной воды = 0,0756 Н/м и 0,028 Н/м для мыльной воды.

Рисунок 9. Измерение поверхностного натяжения методом отрыва капель.

Проведя опыт, я получил значение поверхностного натяжения дистиллированной воды = 0,0726 Н/м.

Рисунок 10. Измерение поверхностного натяжения методом подъема жидкости по капилляру

Проведя опыт, я получил значение поверхностного натяжения дистиллированной воды = 0,0736 Н/м.

 

Рисунок 11. Зависимость поверхностного натяжения воды от температуры, полученная мной в ходе опытов.

Во всех трех случаях результаты оказались близкими по значению, что говорит о их верности. Также на основании проделанных опытов я смог выяснить, что поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и от ее температуры.

 

Рисунок 12. Зависимость поверхностного натяжения от рода жидкости, полученная мной в ходе опытов.

После этого я проверил влияние поверхностного натяжения на смачивание. Рассмотрим форму капель различных жидкостей на парафине.

Рисунок 13. Формы капель жидкостей на парафине. Слева направо: вода, растительное масло, спирт.

σспирта < σмасла < σводы, а значит краевые углы капель должны соотносится так-же. Это и наблюдалось в опыте.

 

Рисунок 14. Иммерсионное смачивание парафина бензином.

Однако, когда я поместил каплю бензина на парафин, она мгновенно тонкой пленкой растеклась по нему. В этом случает имеет место иммерсионное смачивание.

Затем я решил проверить, влияет ли гравитация на величину краевого угла. Для того, чтобы узнать это, я измерил краевые углы капель воды разных размеров на парафине. Вот что я получил.

Рисунок 15. Зависимость краевого угла от размера капли.

Я построил график по полученным данным:

Рисунок 16. Зависимость краевого угла от размеров капли, полученная мной в результате опытов.

Хотя уверенности в том, что краевой угол увеличивается при усилении влияния гравитации на каплю быть не может, результаты опыта подтверждают такую теорию.

Проявления смачивания

Когда мы имеем дело с большими объемами жидкости, явление смачивания не играет особой роли. Однако при малых объемах оно проявляется очень сильно.

Например, смачивание играет роль при попадании жидкости на маленькие частицы. В результате этого между частицами образуется цилиндр из жидкости, связывающий частицы с большой силой. Благодаря этому они слипаются вместе (4).

Другой случай, когда явление смачивание проявляется – это отсутствие силы тяготения. В этом случае значение поверхностного натяжения по сравнению с другими силами возрастает, и результаты экспериментов могут оказаться весьма неожиданными. Поведение жидкостей, а в частности изменения в проявлении явления смачивания, в невесомости важно учитывать при проектировании космических аппаратов. Даже в случае, если аппарат не предназначен для проживания в нем людей, жидкость может использоваться в системе охлаждения, топливо также является жидкостью, а если станция предназначена для проживания людей, то жидкости там оказывается еще больше.

К примеру, в невесомости жидкость смачивает даже те твердые вещества, которые не смачивает в обычных условиях, даже очень вязкие жидкости способны обволакивать твердые тела. Но, несмотря на это, жидкость, хорошо смачивающая твердое тело, может не растечься по нему, а сформировать на нем форму полусферы. Эти особенности лишний раз говорят о трудности освоения космического пространства.

Применение смачивания

Применение смачивания зависит от того, является ли целью отталкивание жидкости, или же наоборот, ее растекание.

Рассмотрим первый случай. Отталкивание жидкости может быть полезно в случае, когда необходимо оставить какую-либо поверхность чистой, например лобовое стекло автомобиля или самолета, спецодежду. Помимо этого, отталкивание жидкости может помочь при изоляции объекта от жидкости.

Теперь рассмотрим второй случай. Смачивание поверхности жидкостью бывает полезным при добыче полезных ископаемых – они вытесняются из труднодоступных мест жидкостью с большим поверхностным натяжением; при смазке механизмов – наилучшее смазывание достигается, когда смазка полностью покрывает смазываемый объект, попадает во все щели; при покраске и нанесении покрытий – вещество обволакивает твердое тело равномерно, при застывании крепко держится на нем. Также важно следить за степенью смачивания при пайке, при плохом смачивании расплавом твердой поверхности соединение не будет прочным. То же самое относится и к клеям (3).

Капиллярные явления

С явлением смачивания связаны и капиллярные явления. Капилляр – узкая трубка, пористое тело, любой другой узкий канал. Именно с малым расстоянием между поверхностями твердого тела и связаны особые капиллярные эффекты. Благодаря тому, что масса жидкости растет пропорционально ее объему, а поверхностное силы поверхностного натяжения –длине ее границы, при малых объемах жидкости силы поверхностного натяжения играют большую роль. Благодаря этому жидкость может подниматься по узким каналам на большую высоту, распространяться в пористых объектах. А также жидкость может стягивать 2 близкорасположенных объекта, это особенно заметно в невесомости.

Убедиться в этом можно налив жидкость в капилляры разного диаметра. Хорошо видно, что в капиллярах с меньшим диаметром жидкость поднимается выше.

 

Рисунок 17. Жидкость в капиллярах.

Если же необходимо узнать высоту подъема жидкости в капилляре, то можно выразить ее из формулы для определения поверхностного натяжения методом подъема жидкости в капилляре. Получаем:

Благодаря этой формуле можно определять высоту подъема жидкости в пористых телах, или же, выразив D, измерить диаметр капилляров в веществе.

Капиллярные эффекты используются в технике для отвода жидкости, однако может случиться и так, что тело не должно впитывать влагу, в этом случае капиллярности необходимо избегать. Также капилляры применяются для точного измерения температуры, вязкости жидкостей и газов (5).

Явление адсорбционного понижения прочности

Для того, чтобы разобраться в этой теме придется на время отойти от свойств жидкости, и обратиться только к твердым телам.

Проходя по улицам города или гуляя на природе мы можем увидеть многочисленные трещины в плитах, скамьях, горных породах, возникшие без всякой видимой на то причины. Не могут ли подобные дефекты возникнуть в несущих конструкциях мостов, механизмов, зданий? С другой же стороны человеку нередко нужно разрезать твердый металл, раскрошить горную породу. Это наводит на мысль о невероятной важности вопроса разрушения твердых тел (7).

Рисунок 18. Трещины в твердых телах.

Эффект Иоффе

Сама эта проблема вызывала немалые трудности в начале 20 века. Созданная Максом Борном в это время теория кристаллов находила себе подтверждение во множестве различных экспериментов, однако механические свойства кристаллов расходились с расчетными данными в десятки, даже сотни раз. Объяснение такому явлению нашел выдающийся советский физик А. Ф. Иоффе, этот эффект был назван в честь него эффектом Иоффе.



 

Рисунок 19. Последовательность кадров, иллюстрирующих развитие трещины в тонкой пластинке плексигласа.

Рисунок 21. Дефекты поверхности гладкой, на первый взгляд, слюды.

Рисунок 20. Получение фотографии поверхности слюды с помощью электронного микроскопа.

Иоффе объяснял расхождение опытов с теоретическим расчетом тем, что модель разрушения Макса Борна не соответствовала действительности. На самом деле огромную роль в разрушении тела играют дефекты его строения, в частности, микротрещины. В результате чего разрыв связей внутри тела происходит не во всех местах сразу, а постепенно, как рвется надорванный лист бумаги. Свои рассуждения Иоффе подтвердил простым опытом: кристалл соли погружался в воду, в результате чего его поверхность растворялась и становилась гладкой; такой кристалл выдерживал в сотни раз большее механическое напряжение, чем такой-же кристалл с поверхностью, не растворенной в воде (6).

С помощью электронного микроскопа я смог убедиться в том, что на поверхности твердых тел существует множество дефектов, рассмотрев поверхность слюды.

Трещины Гриффитса

Основа теории Гриффитса заключается в том, что все тела покрыты микроскопическими трещинами, и именно эти трещины во многом определяют механические свойства вещества. Рост трещин начинается задолго до того, как наблюдается рассчитываемый предел прочности, и из-за этого экспериментальные данные и расходятся с расчетными (6).

Эффект Ребиндера

Теперь же можно рассмотреть 2 любопытных опыта:

Расклинивающее действие воды, по отношению к слюде. Опыт заключается в том, что кусочек слюды частично расщепляется с помощью клина. Затем в вершину трещины капают немного воды. Как только вода попадает туда, трещина углубляется, раздвигаются слои слюды. Я провел этот опыт, и наблюдал расклинивающее действие воды.

 

Рисунок 22. Наблюдение расклинивающего действия воды. Слева – слюда до попадания воды в вершину трещины, справа – после.

 

Резка стекла ножницами под водой. Опыт состоит в том, что пластинку стекла определенной толщины нельзя разрезать ножницами в воздухе, однако если ее погрузить в воду, это становится возможным.

В первом из опытов тонкий слой воды раздвигает слои слюды. Такое действие свойственно тонким слоям жидкости, чем тоньше слой, тем сильнее действие, вплоть до слоя толщиной в 2 молекулы жидкости. Тогда возникает вопрос, не влияет ли жидкость на микротрещины в веществе? Как в 1928 году доказал П. А. Ребиндер, жидкость оказывает существенное влияние на распространение микротрещин. Эффект получил название адсорбционного понижения прочности, или эффекта Ребиндера. Именно из-за эффекта Ребиндера, прочное на воздухе стекло можно разрезать обычными ножницами под водой (6). Также эффект Ребиндера проявляется во многих случаях при пайке, когда жидкий металл контактирует с твердой фазой другого металла; бурении; в земной коре при контакте расплавленных пород с твердыми; при повреждении поверхности тела (тело легко царапается в жидкости); при резке металлов и т.п. (2).

 

Рисунок 24. Охрупчивание алюминиевой пластины под действием небольшой капли расплава.

Рисунок 23. Охрупчивание кристалла под действием жидкости.

О днако, от чего зависит сила проявления эффекта Ребиндера, насколько сильно его действие? Для того, чтобы ответить на эти вопросы я провел серию опытов:

Образцом твердого тела я решил взять стекло, хотя оно и не является кристаллом, разрушается оно хрупко, имеет микротрещины на поверхности, а значит подвержено влиянию эффекта Ребиндера (7). Я зажимал стеклянные палочки прямоугольного сечения с одного края, а на другой действовал силой, которую измерял с помощью динамометра. Таким образом я смог измерить нагрузку, при которой происходил разлом палочки. Я провел опыт с сухими палочками, палочками, смоченными в воде, бензине спирте, масле; и составил график зависимости между прочностью и различными свойствами жидкости, чтобы увидеть закономерность.

 

Рисунок 25. Проведение опыта.

В
ходе опыта я получил такие результаты:

Рисунок 26. Таблица с результатами опытов.

И составил по ним графики:

Рисунок 27. График зависимости предела прочности от диэлектрической проницаемости, полученный в ходе экспериментов.

Рисунок 28. График зависимости предела прочности от поверхностного натяжения, полученный в ходе экспериментов.

Глядя на результаты опытов, можно судить, что сила проявления эффекта Ребиндера обратно пропорциональна поверхностному натяжению, и обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости жидкости. Это можно объяснить тем, что в вершине трещины разрываются связи между молекулами твердого тела, и образуются связи между молекулами твердого тела и жидкости, а поверхностное натяжение указывает, насколько энергетически выгоден подобный процесс. Также жидкость ослабляет взаимодействие частиц твердого тела, находящихся по разные стороны микротрещины, и позволяет трещине легче увеличиваться в размерах. А то, как изменится электрическое поле определяет диэлектрическая проницаемость.

То, что прочность материалов зависит от диэлектрической проницаемости и поверхностного натяжения жидкости говорит о том, какие жидкости необходимо использовать в тех или иных условиях, например жидкость с большой диэлектрической проницаемостью можно использовать при сверлении твердых веществ, бурении, и многих других процессах. В противовес этому, нужно следить за диэлектрической проницаемостью различных масел и смазок в механизмах, ведь в неподходящих маслах и смазках разрушение деталей будет происходить в разы быстрее; нужно следить за любыми жидкостями, попадающими на несущие конструкции, возможно, наносить на них специальное изолирующее покрытие (7).

Заключение

В заключение я хочу сказать, что моя работа помогла мне понять трудности построения приборов и механизмов, взаимодействующих с жидкостью, или подверженных ее влиянию; но также и показала мне разнообразие путей решения проблем, связанных с этим вопросом. Замечу, что, кроме описанных мною эффектов существует еще множество других, которые тоже необходимо учитывать при разработке. Поэтому очень важно тщательно рассматривать все ситуации использования оборудования, и при любой возможности проверять следствие экспериментом.

Список используемых источников и литературы

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

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%A0%D0%B5%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B0

https://sites.google.com/site/opatpofizike/raboty-ucenikov/avlenia-smacivania-i-nesmacivania-na-granice-zidkost---tverdoe-telo

Габ И. И., Костюк Б. Д., Найдич Ю. В., Стецюк Т. В., Влияние гравитации на смачивание и капиллярные явления в контактных системах «жидкость — твердое тело», Киев, «Космическая наука и технология», 2013.

Кабардин О. Ф., Орлов В. А., Эвенчик Э. Е., Физика 10 класс, 2014.

Хилькевич С.С., Физика вокруг нас, Москва, «Наука», 1985.

Щукин Е.Д., Влияние активной среды на механическую устойчивость и повреждаемость поверхности твердого тела, Москва, «Вестник МГУ. Серия 2. Химия», 2012.

3

Просмотров работы: 20