Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Карагайлинская основная общеобразовательная школа»
Исследование поверхностного
натяжения жидкости
Автор: Олийнык Елизавета, ученица
8 класса МБОУ « Карагайлинская ООШ»
Руководитель: Сапронова Наталья
Григорьевна, учитель физики и
технологии МБОУ « Карагайлинская
ООШ»
2016
Оглавление
Глава 1 Физика поверхностного натяжения Особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя жидкости
Роль поверхностного натяжения
Глава 2. Практическая часть
2.1.Изучение влияния примесей, температуры и концентрации на поверхностное натяжение жидкостей
2.2. Использование результатов исследования в практической деятельности
5
10
Заключение
Список литературы
Приложения
16
17
18
.
Введение
Актуальность
Мы ощущаем непосредственно каждый день такие силы, как тяготение, упругость и трение. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных 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 силы, о которых у нас сейчас пойдет речь. Это силы поверхностного натяжения.
Последние годы поверхностное свойства жидкости не изучаются на уроках физики, а изучение и исследование поверхностных свойств жидкости помогает совершенствовать исследовательские навыки.
Гипотеза: предполагается, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит от ее температуры и наличия в ней примесей.
Объектом изучения - поверхностное натяжение жидкости.
Предмет изучения – влияние температуры, концентрации примесей на поверхностное натяжения жидкости.
Цель: исследование поверхностного натяжения и изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости от концентрации раствора, наличия примесей и температуры.
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
1.Изучить теоретические источники поверхностного натяжения жидкостей.
2. Изучить влияние примесей, температуры и концентрации на поверхностное натяжение жидкостей.
3. Использование результатов исследования в практической деятельности .
Методы:
Теоретический.
Экспериментальный.
Аналитический.
Структура работы:
Исследовательская работа состоит из:
Введение
Глава 1. Физика поверхностного натяжения
1.1.Особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя жидкости
1.2.Роль поверхностного натяжения
Глава 2. Практическая часть
2.1.Изучение влияния примесей, температуры и концентрации на поверхностное натяжение жидкостей
2.2. Использование результатов исследования в практической деятельности
Заключение
Список литературы
Приложения
Глава 1. Физика поверхностного натяжения
1.1. Особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя жидкости
Понятие поверхностного натяжения жидкости до некоторого времени оставалось в тени крупных достижений в областях молекулярной физики и физической химии. Классики физики «крупными мазками» создали молекулярную физику, статическую физику, физическую химию. При этом всегда упоминалось понятие поверхностного натяжения жидкости и связь его с поверхностью жидкости Так Я. Френкель еще в начале 20 века предполагал наличие определенной связи коэффициента поверхностного натяжения с другими физическими величинами.
Но теоретической расчетной формулы для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости до недавнего времени не было. Единственное, в чем были единодушно и согласны все авторы, так это в том, что поверхностный слой молекул жидкости имеет другую энергию, чем молекулы жидкости внутри. Таким образом, все поверхностные энергии привязывались к поверхности и рассчитывались пропорционально поверхности. [ 6]
Поверхностный слой жидкости обладает особыми свойствами. Молекулы жидкости в этом слое находятся в непосредственной близости от другой фазы – газа. Молекула, расположенная вблизи границы раздела жидкость – газ, имеет ближайших соседей только с одной стороны, поэтому сложение всех сил, действующих на эту молекулу, дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Следовательно, любая молекула жидкости, находящаяся вблизи свободной поверхности, имеет избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами, находящимися внутри.
Для того чтобы перевести молекулу из объема жидкости на поверхность, [pic]
необходимо совершить работу. При увеличении поверхности
определенного объема жидкости внутренняя энергия жидкости увеличивается увеличивается. Эта составляющая внутренней энергии пропорциональна
площади поверхности жидкости и называется поверхностной энергией.
Величина энергии зависит от сил молекулярного взаимодействия и
поверхностной и ко количества ближайших соседних молекул.
Для различных веществ поверхностная энергия принимает разные значения. Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади Ѕ: Е= σ ·Ѕ
Где σ – коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением, имеющий размерность Дж/м [pic] (или Н/м). S- площадь поверхности.
Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. [5]
Рассмотрим опыт с мыльной пленкой, образованной на прямоугольнике ,с подвижной
перемычкой длиной l. [pic]
В отсутствие внешний силы(F0 = 0) вдоль поверхности действует сила поверхностного натяжения, которая сокращает до минимума площадь поверхности пленки. В результате подвижная перемычка сместится влево. При равномерном растяжении Δх пленки сила
Fо совершает работу A=F0Δx
Вдоль поверхности пленки действую равные силы поверхностного натяжения
F1 и F2: F1= F2= F пов/2
При равновесии перемычки
F0=F1+F2=Fпов.
В процессе растяжения поверхности жидкости среднее расстояние между молекулами не пленкой изменяется .
Поверхность жидкости, увеличивающаяся на ΔS=2lΔx, заполняется молекулами внутренних слоев. Число молекул поверхностного слоя при этом возрастает, и увеличивается поверхностная энергия ΔEпов= σΔS.
В соответствии с законом сохранения энергии
2FповΔx= σ 2lΔx,
откуда находим, что сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине l границы поверхностного слоя:
Fпов= σ l,
где σ-поверхностное натяжение, характеризующие силу поверхностного натяжения, действующую на единицу длины границы поверхности.[ 2]
Методы измерения поверхностного натяжения жидкости.
Методов определения поверхностного натяжения существует достаточно много: метод капель, метод проволочной рамки, метод кольца, метод капиллярных волн, метод капли и пузырька и др. Метод проволочной рамки и метод кольца применяются для грубых измерений поверхностного натяжения.
«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики», – писал великий английский физик лорд Кельвин.
В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практически роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.
Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки..
Возьмите проволочный четырехугольный каркас и соедините его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркас в мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить примет форму дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается.
Свойство поверхности жидкости сокращается можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.
С помощью описанного ниже опыта можно найти способ измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную воду проволочный каркас, вынув его из воды, легко заметить, что верхняя часть каркаса (до упора) затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторону этой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону отпустить, то пленка сократится.
Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности.
Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана. Пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения (поверхностный слой выполняет роль своеобразного мешочка). Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, и капля отрывается.
Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее вес становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превысит его прочность.
В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичная пленка.
Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Возьмем пробирку, наполненную водой. Перевернем на книгу или открытку и будем постепенно вытаскивать открытку. Ни одна капля не пролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав «горку». Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости.
Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплю жидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда и образовавшийся масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлета по молекулам удерживает сила поверхностного натяжения. Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато, свой метод Плато применил для исследования различных явлений.[6]
1.2. Роль поверхностного натяжения
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду. Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно «носить воду в решете».
Это показывает, как трудно порой, даже при желании сказать настоящую бессмыслицу. Ткань– это то же решето, образованное переплетением нитей. [pic]
Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь не
и потому она не промокает насквозь мгновенно.
В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придала бы
Рис. 3. Водомерка на жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька
поверхности воды тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы, как показывает теория, и радуги.
Существуют целые виды насекомых мелких и паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения:
1. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить.
2. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лап. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.
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;
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.
Глава II. Практическая часть
2.1. Изучение влияния температуры, примесей и их концентрации на поверхностное
натяжение жидкостей
Опыт №1. Вычисление коэффициента поверхностного натяжения жидкости
Цель: рассчитать коэффициент поверхностного натяжения жидкости; выяснить, как изменяется коэффициент поверхностного натяжения при увеличении концентрации моющего средства.
Приборы и материалы: вода, моющее средство «Fairy», весы чашечные , набор разновесов, песок, нитки, пластилин, небольшой кусок проволоки, стеклянный сосуд, лабораторные стаканы.
Ход работы: 1. Закрепить весы в лапке штатива и уравновесить их с помощью кусочка пластилина.(Приложение1)
2.Взять проволоку и согнуть ее в двух местах, одинаково удаленных от концов.
3.К центру проволочки прикрепить ниточку и повесить на левую чашу весов.
4.Раствор моющей жидкости (разного процентного соотношения) поместить под чашей весов с проволочкой так, чтобы проволочка полностью погрузилась в раствор.
5.Постепенно подсыпать песочек в противоположную чашу весов.
6. Как только мыльная пленка, тянущаяся за проволочкой лопнет, перестать сыпать песок и взвесить его.
Расчёты:
Масса чистой воды-200 г, масса песка - 18,168 г; вес песка – 18,168 · 10 ˉ³ Н (P=mg), ширина плёнки-0,06 м
F= P – Pп = 18,1 68 · 10 ˉ³ - 10 · 10 ˉ³ = 8, 168 · 10 ˉ³ (Н)
Pп – вес проволочки «П» образной формы.
σ – коэффициент поверхностного натяжения.
σ = F/2l = 69,8·10ˉ³ Н/м-для чистой воды
Таблица1
Результаты опытного определения коэффициента поверхностного натяжения воды
при увеличении концентрации моющего средства
Вывод:
1. Вычислили поверхностное натяжение чистой воды и растворов моющей жидкости разной концентрации.
2. Составили таблицу значений с учётом погрешности измерений и представили их в виде диаграммы. (Приложение2)
3. В справочнике по физике А.С. Еноховича узнали истинное значение σ воды -72,75 мН/м и сравнили с результатом, полученным экспериментально.
4.При сравнении полученных значений коэффициента поверхностного натяжения с табличными данными для чистой воды σ = 0,0728 н/м, можно сделать вывод, что примесь в воде снижает ее коэффициент поверхностного натяжения.
Опыт№2. Вычисление поверхностного натяжения раствора моющей жидкости
методом капель
Цель: проверить достоверность результатов полученных в опыте 1.
установить зависимость коэффициента поверхностного натяжения раствора от
концентрации моющего средства.
Приборы и материалы: стеклянные лабораторные стаканы, штангенциркуль, весы, стеклянная трубка с наконечником, клин измерительный, раствор моющего средства, вода.
Ход работы: 1. Собрала установку .(Приложение3)
2.Измерила внутренний диаметр стеклянной трубки наконечника с помощью иглы и
штангенциркуля.
3.Определила массу пустого стакана для сбора капель.
4.Подставила под капельницу сосуд и, плавно открывая кран, добилась медленного отрывания капель (30-40 капель в минуту).
5.Подставила пустой взвешенный стакан и отсчитала 100 капель.
6.Взвесила стакан и вычислила массу вылившегося раствора.
7.Повторила опыт с растворами разной концентрации, исследуемых растворов бралась:
2мл средств на 50 мл воды.
8.Повторила опыт, меняя температуру раствора.
9.Вычислила поверхностное натяжение по формуле
σ=Мg/nπD,Н/м
M - масса вылившегося раствора,
g - модуль ускорения свободного падения; g =9,8 м/с2
n - число капель ; n =100
D- внутренний диаметр стеклянной трубки наконечника d = 1,3мм.
Результаты измерений и вычислений занесла в таблицу:
Таблица 2
Результаты опытного определения коэффициента поверхностного натяжения воды
при увеличении концентрации моющего средства
Вывод:
1.Проверили достоверность результатов полученных в опыте .
2.Наблюдается зависимость между концентрацией раствора и коэффициентом поверхностного натяжения, чем меньше концентрация, тем больше коэффициент поверхностного натяжения.
Таблица3
Результаты зависимости коэффициента поверхностного натяжения
от температуры
опыта Масса
М, кг.
Температура t, °C
Коэффициент поверхностного натяжения мН/м
1.
0,0015
25
37,2
2.
0,0047
35
35,3
3.
0,0042
55
34,1
Вывод:
1. Составили таблицу значений зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры и представили их в виде графика.(Приложение4).
2. Поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры, т. к. силы сцепления жидкости уменьшаются при повышении температуры.
Наблюдения изменения поверхностного натяжения
Цель: убедится в том, изменение (уменьшение) поверхностного натяжения зависит от введения примесей.
Приборы и материалы: кристаллизатор ,стеклянная трубка, мыло, сахар.
Ход работы:1. В кристаллизатор наливаем воды.
2. На поверхность воды равномерно насыпаю порошок молотого перца.
3. На воде прикасаюсь палочкой, смоченной в мыле.
[pic] [pic] [pic]
[pic]
Наблюдается быстрое перемещение частичек порошка к краям кристаллизатора,
в середине появляется « окно».
Вывод: То обстоятельство, что на поверхности воды образуется пленка раствора мыла, а следовательно, молекулы воды уходят вглубь, означает, что силы, втягивающие молекулы воды внутрь, больше, чем силы, втягивающие молекулы мыла; отсюда следует, что работа по вытягиванию молекул воды на поверхность больше, т. е. поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения раствора мыла.
Наблюдения изменения поверхностного натяжения.
Цель: убедится в том, изменение ( повышение) поверхностного натяжения зависит от введения примесей.
Приборы и материалы: кристаллизатор, вода, щепочка, сахарный леденец.
Ход работы:1. В кристаллизатор наливаем воды.
2. Положили на поверхность воды щепочку.
3. Сахарным леденцом касаемся поверхности воды.
[pic] [pic]
Наблюдаем медленное перемещение лучинки к сахарному леденцу.
Вывод: Введение примесей так же влияет на поверхностное натяжение.
При введении поверхностно активных веществ(мыло, растворители) , то поверхностное
натяжение уменьшается.
При введении вязких веществ(сахара)-увеличивается.[3,4]
2.2. Использование результатов исследования в практической деятельности
Умение измерять и менять поверхностное натяжение имеет практическое значение.
По поверхностному натяжению сыворотки крови можно диагностировать болезни
печать на полимерных плёнках
в полиграфии добиваться хорошего «смачивания» бумаги печатными красками
при отливке небольших сферических форм, например ружейной дроби
в пищевой технологии определять качество молока
сбор нефти с поверхности небольших акваторий
при изготовлении толя
при пайке радиодеталей
в процессах, происходящих в невесомости
флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии
Результаты моих исследований в помощь ученикам и учителям при изучении темы поверхностное натяжение в жидкостях, а так же при подготовке к олимпиадам, экзаменам.
Создание экспериментального материала к урокам физики (варианты и способы выполнения экспериментальных исследований по определению коэффициента поверхностного натяжения).
экспериментальные наработки актуальны, прежде всего, из-за возможности наблюдения таких физических процессов и явлений, которые возможно провести в классе, дома
Заключение
В начале работы были определены цели, объект и предмет исследования.
В выдвинутой нами гипотезе предполагалось, что коэффициент поверхностного жидкости зависит от температуры и концентрации примесей.
В процессе исследования мы:
изучили теоретические источники поверхностного натяжения;
провели практические исследования;
описали результаты исследования
Проделав все опыты, представленные в работе, мы сделали выводы:
1.Силы поверхностного натяжения малы и проявляются при малых объёмах жидкости.
2.Поверхностная энергия жидкости зависит не только от свойств самой жидкости, но и от свойств среды, с которой жидкость граничит, а так же от температуры жидкости. При увеличении температуры внутренняя энергия молекул возрастает и, естественно, уменьшается напряжение в пограничном слое жидкости и, следовательно, уменьшаются силы поверхностного натяжения.
3. Введение примесей так же влияет на поверхностное натяжение. Если вводятся поверхностно активные вещества (мыло, порошок, паста, растворители), то поверхностное натяжение уменьшается. При введении вязких веществ (сахара)- увеличивается.
Таким образом, цель работы достигнута, гипотеза подтвердилась.
Дальнейшее изучение данной темы нами видится в том, что с ее применением можно решать интересные исследовательские и экспериментальные задачи.
Темы дальнейших исследований:
- физические свойства поверхностного натяжения(оптические, электрические)
- свойства капельной модели жидкости
Список литературы
1. Енохович, А.С. Справочник по физике [Текст] : справочник /А.С. Енохович.- М.: Просвещение, 1990.- 222 с.
2. Касьянов, В.А. Физика, 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учеб.заведений /В.А. Касьянов.- М.:Дрофа, 2001.-41 6с.
3. Буров, В.А., Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе [Текст]:пособие для учителя/ В.А. Буров., Б.С Зворыкин. и др.- М.: Просвещение, 1978.-366с.
4. Агапов, Б.Т.Лабораторный практикум по физике [Текст] : пособие для учителя/ Б.Т Агапов., Г.В,Максютин., П.И Островерхов – М.: Высшая школа, 2004.- 389с.
5. Ахматов, А.С. Молекулярная физика [Текст] : пособие /А.С. Ахматов.– М.: Знание, 2001. –432с.
6.Хайдаров,Г.Г.Физическая природа поверхностного натяжения жидкости[Текст] : статья/Г.Г. Хайдаров.,-журнал.,«Диалоги о науке» №1, 2010.-с.111-113
7.Орехов, А. В. Основы молекулярной физики и термодинамики[Текст] : пособие / А. В.
Орехов. – Хабаровск : Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2003. – 75 с.
Материалы Интернета
[link]
