Реферати українською » Физика » Поверхностное натяг


Реферат Поверхностное натяг

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Вологодский державний педагогічний університет


Курсова робота з темі:

МЕТОДИ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ.


Выполнил: Орєхов Н.В.


Вологда 1998

Коефіцієнт поверхового натягу.

Поверхня рідини, дотичної з іншого середовищем, приміром, із її власним пором, з іншою рідиною чи компанії з рішучим тілом (зокрема, зі стінками судини, у якому вона міститься), перебуває у особливі умови проти іншої масою рідини.

Виникають ці особливі умови оскільки молекули прикордонного шару рідини, на відміну молекул у її глибині, оточені молекулами тієї ж рідини не зусебіч. Частина «сусідів» поверхневих молекул - це частки другий середовища, з якою рідина межує. Вона, ця середовище, може відрізнятиметься від рідини як природою, і щільністю частинок. Маючи ж різних сусідів, молекули поверхневого шару і взаємодіють із ними по-різному. Тому сили, які діють кожну молекулу у тому шарі, виявляються неврівноваженими: існує певна рівнодіюча сила, спрямована або у бік обсягу рідини, або у бік обсягу яка з ній середовища. У результаті переміщення молекули з поверхневого шару вглиб рідини чи глиб середовища, з якою вона межує, супроводжується скоєнням роботи (всередині рідини молекули, зусебіч оточені точно так само частинками, перебувають у рівновазі, та його переміщення витребуються витрати роботи Величина і це ознака цієї роботи залежить від співвідношень між силами взаємодії молекул поверхневого шару зі «своїми» ж молекулами і з молекулами другий середовища.

Що стосується, якщо рідина межує з власним пором (насиченим), т. е. у разі, ми маємо працювати з одним речовиною, сила, випробовувана молекулами поверхневого шару, спрямована всередину рідини. Це тим, що щільність молекул в рідини значно більше, ніж у насиченому парі над 'рідиною (далеко від критичної температури), і тому сила тяжіння, випробовувана молекулою поверхневого шару із боку молекул рідини, більше, ніж із боку молекул пара.

Звідси випливає, що, переміщуючись з поверхневого шару всередину рідини, молекула робить позитивну роботу. Навпаки, перехід молекул з обсягів рідини до супроводжується негативною роботою, т. е. вимагає витрати зовнішньої роботи.

Уявімо, що з тих або іншим суб'єктам причин поверхню рідини збільшується (розтягується). Це означає, що якийсь кількість молекул переходить з обсягів рідини в поверхневий пласт. І тому, як ми хіба що бачили, треба докласти зовнішню роботу. Інакше кажучи, збільшення поверхні рідини супроводжуєтьсянегативною роботою. Навпаки, за скорочення поверхні відбуваєтьсяпозитивна робота.

Якщо за постійної температурі оборотним шляхом змінити поверхню рідини на нескінченно малу величинуdP.S, то необхідна при цьому робота

(1)

Знак мінус зазначає, що передвиборне збільшення поверхні(dP.S > 0) супроводжується негативною роботою.

Коефіцієнт є основним величиною, характеризую щей властивості поверхні рідини, і називаєтьсякоэффициентому поверхового натягу ( > 0). Отже, коефіцієнт поверхового натягу вимірюється роботою, яка потрібна на збільшення площі поверхні рідини при постійної температурі на одиницю.

Вочевидь, у системі СІ має розмірність .

З сказаного ясно, що молекули поверхневого шару рідини мають надлишкової проти молекулами, які у обсязі рідини, потенційної енергією. Означимо її . Ця енергія, як відомо, вимірюється роботою, яку можуть учинити молекули поверхні, переміщуючись всередину рідини під впливом сил тяжіння із боку молекул обсягом рідини.

Оскільки енергія зобов'язана своїм походженням наявності поверхні рідини, вона мусить бути пропорційна площі P.S поверхні рідини:

(2)

Тоді зміна площі поверхніdP.S потягне за. собою зміну потенційної енергії

,

яке супроводжується роботою

у повній відповідності з (1).

Якщо, як було, зміна поверхні P.S здійснюється за постійної температурі, т. е. изотермически (і можна зупинити), те, як відомо, потрібна при цьому робота дорівнює зміни вільної енергіїF поверхні:

.

(Якщо зміна поверхні рідини зробити адиабатно, що його температура зміниться. Наприклад, збільшення поверхні призведе до її охолодження.) Отже, надлишкова потенційна енергія поверхні рідини, яку зазначалося вище, є вільною енергією поверхні, і, отже,

(3)

т. е. коефіцієнт поверхового натягу рідини можна з'ясувати, як вільну енергію одиниці площі цієї поверхні.

Тепер зрозуміло, у чому полягають вищезазначені особливі умови, у яких перебуває поверхню рідини. Вони полягають у тому, що поверхню рідини має надлишкової проти іншої масою рідини потенційної (вільної) енергією. Подивимося, до чого наводить.

Відомо, що кожна система при рівновазі перебуває у тому із можливих нею станів, у якому її енергія має мінімальне значення. Що стосується оскільки він розглядався випадку це, що рідина в рівновазі повинен мати мінімально можливу поверхню. Це своє чергу означає, що мають бути сили, що перешкоджають збільшення поверхні рідини, т. е. які прагнуть скоротити цю поверхню.

Вочевидь, що це сили мають бути спрямовані вздовж поверхні, дотично до неї. Рідина поводиться, немовби дотичній до його поверхні діють сили, сокращающие (що стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхового натягу.

Потрібно, проте, пам'ятати, що "першопричиною виникнення сил поверхового натягу є сили, пережиті молекулами поверхневого шару, спрямовані всередину рідини, а окремих випадках всередину того становища, з якою вона межує, т. е. перпендикулярно до.

Для розриву, чи, кажуть, для розділу поверхні слід витратити зовнішні сили, паралельні до і перпендикулярні до тієї лінії, вздовж якої передбачається розрив (розділ).

Рис. 1

Це особливо явно це випливає з дослідів з тонкими плівками рідини. Деякі Рідини, як, наприклад, мильна вода, сапонін та інших., мають властивістю утворювати тонкі плівки. Якщо, наприклад, опустити дротяну рамку, жодна зі сторін якої рухається (рис. 1), в мильна розчин, то всю її затягнеться плівкою рідини. Сили поверхового натягу примушують плівку скорочуватися, і рухлива поперечинаАВ за плівкою переміщається вгору. Аби зберегти в рівновазі, до перекладині треба докласти силу Р як вантажу (сюди і вагу самої поперечини).

Отже, сила поверхового натягу, діюча в плівці, перпендикулярна до лінії АВ, що у даному випадку й є лінією розділу. Такі самі сили діють, звісно, і інші сторони рамки. Але тут врівноважуються силами тяжіння рідини до .речовини жорсткої рамки.

Описаний досвід можна використовувати визначення чисельного значення коефіцієнта поверхового натягу рідини, котра утворює плівку. Справді, поверхнева силаf, з огляду на те, що плівка має дві поверхні (адже плівка насправді є тонкий шар рідини), дорівнює при рівновазі вазі вантажу Р:

.

Якщо під впливом цієї сили поперечина, увлекаемая плівкою, перемістилася на відстаньdh з положенняАВ, та робота, досконала силою, дорівнює:

Роботу цю дорівнює зменшенню вільної енергії плівки, яке, як знаємо [див. (3)], одно:. У разі, де l - довжина рамки. Звідси:

і

(4)

З (4) слід, що коефіцієнт поверхового натягу то, можливо визначений величина, рівна силі, діючої дотично до. поверхні рідини, що припадає на одиницю довжини лінії розділу.

Певний в такий спосіб коефіцієнт поверхового натягу вимірюється у системі СІ в одиницях Н/м, а системі СГС в дин/см.

Наступні прості досліди додатково пояснюють сутність сил поверхового натягу.

Рис. 2

Кільце з дроту з прикріпленій у його двох точках вільно підвішеною (не натягнутою) ниткою (рис. 2) поринає у мильна розчин. У цьому кільце затягується тонкої плівкою рідини, а нитку перебуває у рівновазі, прийнявши випадкову форму. Якщо тепер зруйнувати плівку з одного боку від нитки, торкнувшись плівці нагрітої голкою, то нитку напнеться, прийнявши форму дуги окружності. Натяжение нитки відбулося під дією сили поверхового натягу із боку сокращающейся плівки, сили, доданої до нитки, що у даному випадку є лінією розділу. Сила ця, зрозуміло, переважають у всіх точках перпендикулярна до нитки. Ця сила діяла на нитку і. до руйнації плівки, та заодно її у діяли однакові по обидва боки сили. А після прориву частині плівки інша отримала можливість зменшити свою площу і, як свідчить форма натянувшейся нитки, площа ця стала мінімальної.

Рис. 3

Цей досвід можна навести і наступного, кілька зміненому вигляді (Рис. 3). На мильну плівку у такому кільці поміщається замкнута петля з гнучкою нитки, .яка випадкову форму. Зруйнуємо тепер плівку всередині петлі. Тоді решта плівки, скорочуючись, розтягує нитку в окружність, що унаочнює, що сили поверхового натягу перпендикулярні до лінії розділу. Описані досліди показують, що сили поверхового натягу виникають і результат прагнення рідини зменшити свою поверхню, отже, і поверхневу енергію.

Такі досліди проводяться з рідинами, що з специфічного будівлі своїх молекул легко утворюють тонкі плівки. Слід зазначити, що спроможність до освіті таких плівок пов'язана з величиною коефіцієнта поверхового натягу, і з формою молекул. У мильної розчину, наприклад, коефіцієнт поверхового натягу приблизно тричі менше, ніж в чиста, яка, проте, стійких плівок не утворює.

Але поверхове натяг проявляється у дослідах з тонкими плівками. Воно проявляється у цілий ряд інших явищ, деякі з них ми тут розглянемо.

Досвід Плато. Прагнення зменшенню площі поверхні характерно, зрозуміло, як для тонких плівок, але й будь-яких обсягів рідини. І коли поверхнева енергія була єдиною виглядом енергії, визначальним поведінка рідини, то будь-яка маса рідини завжди мусила приймати такій формі, коли він поверхню найменша. Такий формою, очевидно, є кулю, оскільки саме кулю має мінімальної поверхнею при даному обсязі.

Проте, крім внутрішніх сил взаємодії між частинками, через які і виникають сили поверхового натягу, на рідина зазвичай діють і його зовнішні сили. Це, по-перше, гравітація і, по-друге, сили взаємодії частинок рідини із часточками твердих стінок судини, у якому вона міститься. Тому справжня форма, яку приймає рідина, визначається співвідношенням цих сил.

Розглянемо спочатку роль сили тяжкості. Це сила об'ємна, діюча все обсяг рідини. Бо з зміною маси рідини її обсяг змінюється швидше, ніж поверхню, то, при досить великий масі роль поверхневих сил дуже мала проти силами об'ємними; поверхнева енергія у разі майже відіграє ролі і форма рідини визначається переважно потенційної енергією, зумовленої силою тяжкості. Під впливом сили тяжкості рідина прагне розлитись і прийняти форму тонкого шару - це відповідає мінімальної потенційної енергії на полі сил тяжкості.

Рис. 4

Але якщо тим чи іншим шляхом виключити або значно зменшити дію сили тяжкості, то визначальними виявляться вже сили поверхового натягу, навіть якщо малі. У відомому досвіді Плато дію сили тяжкості виключається тим, що рідина поме щается до іншої, не смешивающуюся з ним рідина такою ж

щільністю. Тоді вагу рідини врівноважується піднімальної силою Архімеда і поверхневі сили виявляються єдиними визначальними геометричну форму, яку прийме рідина. У разі рідина набуває форми кулі.

Досвід Плато проводиться так: у судину, у якому розчин кухонної солі у питній воді, вливають певна кількість аніліну, який розчиняється в розчині NaCI (рис.4). Концентрацию розчину підбирають те щоб його щільність дорівнювала щільності аніліну. Тоді анілін збирається у кулю, плаваючий в розчині.

Дуже ефектно спостерігаються поверхневі у космосі, коли невагомість забезпечує шарову форму рідини поза судини.

Вплив другий середовища.

Поверхностная енергія рідини залежить тільки від властивостей самої рідини, а й від властивостей середовища, з якою рідина межує. І коли, тим щонайменше, запровадили поняття про коефіцієнті поверхового натягу, відносячи його лише у рідини, то було у вигляді, що рідина зтикається зі своїм пором. Втім, поверхнева енергія мало зміниться, якщо з рідиною межує будь-який газ малого тиску. Це тим, що взаємодія молекул рідини з молекулами газу через малої його щільності значно слабше взаємодії між молекулами самої рідини.

Інша річ, коли рідина межує з іншого рідиною чи компанії з рішучим тілом чи з газом під великим (кілька сотень атмосфер) тиском. І тут щільності речовин можна порівняти між собою і злочини нехтувати взаємодією частинок рідини із часточками дотичної середовища вже не можна.

Через це взаємодії значення коефіцієнтів поверхового натягу рідини, що межує зі своїм парою й з іншим більш щільним речовиною, значно різняться між собою. Тому, визначаючи коефіцієнт поверхового натягу, необхідно враховувати властивості речовин з обох боків від поверхні.

Коефіцієнт поверхового натягу за українсько-словацьким кордоном двох рідин завжди менше, ніж у випадку вільної поверхні рідини. Це дуже природно, оскільки сили взаи модействия молекул поверхневого шару з молекулами межує середовища проживання і зі «своїми» молекулами направлені на супротивники.


Вплив домішок.

Пря вимірі поверхового натягу слід уважно стежити те, щоб рідина була хімічно чистої, бо домішка розчинних в рідини речовин може помітно змінити поверхове натяг. Зміна поверхового натягу рідини при розчиненні у ній домішок можна знайти з допомогою наступного досвіду Насыплем на поверхню води який-небудь плаваючий їхньому поверхні порошок (наприклад, тальк). У такий спосіб ми зробимо помітними переміщення поверхневого шару води. Тепер пустимо на поверхню води маленьку краплю мильної розчину чи ефіру. Ми побачимо, що порошок стрімко побіжить від крапельки в різні боки. Це свідчить, що поверхове натяг розчину мила чи ефіру менше, ніж поверхове натяг чиста.

Те, що у поверхні води утворюється плівка розчину мила чи ефіру, отже, молекули води йдуть всередину, означає, що сили, втягивающие молекули води всередину, більше, ніж сили, втягивающие молекули мила чи ефіру; це означає, робота по витягуванню молекул води на поверхню більше, т. е. поверхове натяг чиста більше поверхового натягу розчину мила- чи ефіру.


Метод крапель.

Рідина приймає сферичну форму як при .штучної компенсації сили тяжкості (як це робиться в досвіді Плато). Малий обсяг рідини сам собою набуває форми, близьку до кулі, оскільки завдяки малої масі рідини мала і тяжкість, діюча її у. Поверхностная енергія й у разі перевищує потенційну енергію сили тяжкості і форма рідини визначається саме нею.

Цим пояснюється куляста форма

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація