поверхностное натяжение жидкостей в природе и в жизни человека польза и вред

Поверхностное натяжение жидкости

Содержание:

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти много готовых тем для рефератов по физике:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

Мы живем в мире удивительных природных явлений. Их много, мы встречаемся с ними каждый день, не задумываясь о сути. Но человек как рациональное явление должен понимать суть этих явлений. Такие явления, как капиллярность, смачивание и несмачивание, капиллярное явление широко распространены в природе и технике. Они важны как в повседневной жизни, так и для решения наиболее важных научных и технических задач. Знание этих вопросов позволяет ответить на многие вопросы. Например, почему капля в свободном полете, планеты и звезды имеют сферическую форму, что такое флотация и где она нашла применение, почему некоторые твердые тела хорошо смачиваются жидкостями, другие плохо, что капиллярные явления позволяют питательным веществам быть поглощается, влаги из почвы корневой системой растительности, что кровообращение в живых организмах основано на капиллярном явлении и т. д.

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены практически близко друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры по всему объему кристалла и могут совершать тепловые колебания вблизи неподвижных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания вокруг определенного положения равновесия. Однако время от времени любая молекула может перемещаться в соседнее вакантное место. Такие скачки в жидкости происходят довольно часто; следовательно, молекулы не связаны с определенными центрами, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Это объясняет текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (нестабильные) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком.

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

Жидкости, как и твердые вещества, меняют свой объем с температурой. Для не очень больших температурных диапазонов относительное изменение объема ДV / V0 пропорционально изменению температуры ДТ.

Коэффициент в называется температурным коэффициентом объемного расширения. Тепловое расширение воды имеет аномалию, которая интересна и важна для жизни на Земле. При температуре ниже 4 ° С вода расширяется. Вода имеет максимальную плотность sv = 103 кг / м3 при температуре 4 ° C.

При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности морозильного резервуара. Температура замерзшей воды подо льдом составляет 0 ° С. В более плотных слоях воды на дне резервуара температура составляет около 4 ° С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих резервуаров.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она наливается. Граница между жидкостью и газом (или паром) образуется в особых условиях по сравнению с остальной жидкой массой. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул по глубине, не окружены со всех сторон другими молекулами той же жидкости. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно компенсируются. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости молекулами газа (или пара), можно пренебречь). В результате возникает некоторая результирующая сила, направленная глубоко в жидкость.

Если молекула переместится с поверхности в жидкость, силы межмолекулярного взаимодействия сделают положительную работу. Напротив, для того, чтобы вытянуть определенное количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т.е. увеличить площадь поверхности жидкости), необходимо провести положительную работу внешних сил DAvnesh пропорционально Изменение площади поверхности ДС:

Коэффициент y называется коэффициентом поверхностного натяжения (y> 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 на квадратный метр (Дж / м2) или в ньютонах на квадратный метр (1 Н / м = 1 Дж / м2).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают потенциальной энергией, которая является чрезмерной по сравнению с молекулами внутри жидкости. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Из механики известно, что состояния равновесия системы соответствуют минимальному значению ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости имеет тенденцию уменьшать ее площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает сферическую форму.

Жидкость ведет себя так, как будто силы, действующие на касательную к ее поверхности, уменьшают эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Поскольку каждая система самопроизвольно переходит в состояние, в котором ее потенциальная энергия минимальна, жидкость должна самопроизвольно переходить в состояние, в котором ее площадь свободной поверхности наименьшая. Это можно показать следующим экспериментом.

На проволоке, изогнутой в виде буквы Р, подвижная поперечина / усилена /. Полученная таким образом рама затягивается мыльной пленкой, опуская раму в мыльный раствор. После удаления рамки из раствора поперечина / перемещается вверх, т.е. молекулярные силы действительно уменьшают площадь свободной поверхности жидкости.

Поскольку шар имеет наименьшую площадь поверхности для того же объема, жидкость в невесомости принимает форму шара. По той же причине маленькие капли жидкости имеют сферическую форму. Форма мыльных пленок на разных кадрах всегда соответствует наименьшей площади свободной поверхности жидкости.

«Плато Опыт»

Оливковое масло плавает в воде, но тонет в спирте. Вы можете приготовить смесь воды и спирта, в которой масло будет в равновесии. Используя стеклянную трубку или шприц, мы вводим немного оливкового масла в эту смесь: масло соберется в одну сферическую каплю, которая будет неподвижно висеть в жидкости. Если вы пропустите провод через центр масляного шарика и поверните его, масляный шарик начнет сглаживаться, а затем, через несколько секунд, кольцо мелких сферических капель масла отделится от него. Этот эксперимент был впервые проведен бельгийским физиком Плато.

В гигантском масштабе это явление можно наблюдать в нашей звезде Солнца и планетах-гигантах. Эти небесные тела вращаются вокруг своей оси очень быстро. В результате этого вращения тела очень сильно сжаты на полюсах.

Смачивающие и не смачивающие явления. Краевой угол

Если вы опустите стеклянный стержень в ртуть, а затем вынете его, на нем не будет ртути. Если эту палку опустить в воду, то после ее вытягивания на ее конце останется капля воды. Этот опыт показывает, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к стеклянным молекулам, а молекулы воды притягиваются друг к другу слабее, чем к стеклянным молекулам.

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем молекулы твердого вещества, то жидкость называется смачивающим это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к твердым молекулам, то жидкость называется не смачивающим это вещество. Ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистую медь и цинк.

Поместите горизонтально плоскую пластину любого твердого вещества и поместите на нее тестовую жидкость. Затем капля успокоится.

Поскольку контактный угол остается в вертикальном положении твердой поверхности, смачивающая жидкость на краях сосуда, в которую она наливается, поднимается, и не смачивающая жидкость падает.

При полном увлажнении u = 0, потому что u = 1.

Капиллярность Адгезия между жидкостью и твердым телом приводит к тому, что поверхность жидкости в точке контакта изгибается под определенным углом. Вода изгибается вверх при контакте со стеклом, сила адгезии действует на поверхность воды и вызывает ее подъем. Подъемная сила пропорциональна окружности поверхности воды; в узкой трубе эта сила достигает достаточного значения, так что толща воды начинает расти.

Благодаря капиллярности возможна жизнедеятельность животных и растений, различные химические процессы, бытовые явления (например, подъем керосина через фитиль в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве, и зависит от размера зазоров между частицами почвы.

Капилляры называются тонкими трубками, а также самыми тонкими сосудами в организме человека и других животных.

Области использования

Капиллярный эффект используется в неразрушающем контроле (контроль капилляров или контроль проникающего вещества) для выявления дефектов с доступом к поверхности контролируемого продукта. Позволяет идентифицировать трещины с отверстием 1 мкм, которые не видны невооруженным глазом.

A: Вогнутый мениск. Б: выпуклый мениск.

Капиллярные явления в природе и технике

Капиллярное смачивание жидкости

Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести, действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующим силам поверхностного натяжения Fn, действующим вдоль границы раздела между жидкостью и поверхностью капилляра: Ft = Fn, где Ft = mg = сhrr2g, Fn = у2рr cos i.

Кривизна поверхности жидкости в узких трубках приводит к явному нарушению закона сообщающихся сосудов.

Из формулы видно, что чем больше h, тем меньше внутренний радиус трубки h. Подъем воды является значительным в трубах, внутренний диаметр которых сопоставим с диаметром волос (или даже меньше); поэтому такие трубки называются капиллярами. Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается, а не смачивающая жидкость падает вниз. Явления, вызванные втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры или вытеснением не смачивающих жидкостей из капилляров, называются капиллярными явлениями.

Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках, но и в узких щелях. Если две стеклянные пластины опускаются в воду так, что между ними образуется узкий зазор, то вода между пластинами будет подниматься, и чем выше, тем ближе они расположены.

Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Многие крошечные капилляры присутствуют в растениях. У деревьев капиллярами влага из почвы поднимается до верхушек деревьев, где она испаряется через листья в атмосферу. В почве есть капилляры, которые чем плотнее почва. Вода на этих капиллярах поднимается на поверхность и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка разрушает капилляры, то есть сохраняет влагу в недрах и увеличивает урожайность.

В технике капиллярные явления имеют большое значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т. Д. Большое значение имеют капиллярные явления в строительной промышленности. Например, чтобы кирпичная стена не становилась влажной, между фундаментом дома и стеной прокладка сделана из вещества, в котором нет капилляров. В бумажной промышленности капиллярность должна учитываться при изготовлении бумаги различных типов. Например, при изготовлении писчей бумаги она пропитывается специальным составом, который закупоривает капилляры. В повседневной жизни капиллярные явления используются в фитилях, промокательной бумаге, перьях для подачи чернил и т. д.

Содержание и способ реализации

В статье предлагается рассмотреть поверхность жидкостей при взаимодействии с различными твердыми веществами и повторить эксперимент Плато.

Флотация. Типы флотации. Области использования

Флотация является одним из основных методов переработки полезных ископаемых; он также используется для очистки воды от органических веществ и твердых суспензий, отдельных смесей и ускорения осаждения в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.

Заключение

При изучении природных явлений, поведения животных и человека можно найти много практических и интересных явлений. В нашей исследовательской работе мы исследовали только несколько. Эта тема очень большая и значительная, интерес к ней всегда огромен, и, конечно, ее невозможно узнать в одном проекте. Поэтому мы предлагаем вам обратиться к книгам, в которых вы можете найти ответы хотя бы на некоторые из ваших вопросов.

В ходе нашей исследовательской деятельности мы поняли, что явления смачивания и не смачивания, капиллярные явления широко распространены как в повседневной деятельности, так и в природе, знания в этой области широко используются в технике.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник

Поверхностное натяжение

Понятие и характеристики поверхностного натяжения

С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:

Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.

Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости больше их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.

На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.

Поверхностное натяжение — это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

Поверхностная энергия жидкости

W = σS

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

σ = W/S

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:

Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения

F = σl

F — сила поверхностного натяжения [Н]

l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания.

Источник

Что такое поверхностное натяжение?

Это нисходящее притяжение молекул поверхностного уровня заставляет их плотнее притягиваться друг к другу, сжимаясь в более устойчивое, выровненное расположение. Этот более плотный ряд поверхностных молекул образует нечто вроде упругой мембраны на поверхности жидкости. Молекулы расположены более плотно и плавно выстроены рядом друг с другом, в отличие от более хаотических молекулярных схем ниже.

Почему поверхностное натяжение так важно?

Хотя это свойство жидкостей, безусловно, интересно, оно, похоже, не играет большой роли в нашей повседневной жизни, но именно здесь вы ошибаетесь. Помимо просмотра крутых видеороликов об идеально круглых каплях воды, падающих в замедленном режиме (еще один пример поверхностного натяжения) или водомерки, которые двигаются со скоростью 2 метра в секунду, скользя по поверхности озера, почему поверхностное натяжение имеет значение?

В некоторых отраслях поверхностное натяжение является более простым показателем загрязнения продуктов. Поскольку поверхностное натяжение определяется на молекулярном уровне, любое изменение компонентов жидкости, поверхностно-активных веществ, топлива или соединений в жидкости может привести к изменению поверхностного натяжения.

Если известно поверхностное натяжение совершенно чистого состава, любое отклонение от этого выявит некоторый уровень загрязнения. Это может показаться абстрактным приложением поверхностного натяжения, но оно показывает, как даже самые простые вещи могут оказать наибольшее влияние в науке.

Как упоминалось ранее, поверхностное натяжение важно для водомерок, одного из немногих существ, которые могут перемещаться по поверхности воды, не падая внутрь. Это явление происходит потому, что ноги водомерки «не смачиваются», то есть ноги водомерки отталкивают воду и захватывать воздух, позволяя им существенно вдавливать поверхность воды, не нарушая ее. Волосы также увеличивают площадь поверхности водяных струй, что означает, что на поверхность воды воздействует меньшее усилие. Это ошеломляющее сочетание тонкой силы и идеальной адаптации.

Однако, что наиболее важно, и то, что мало кто осознает, поверхностное натяжение позволяет вещам плавать, от листьев и семян до молекул и белков. Когда вы опускаетесь до микроскопического масштаба, поверхность любого водоема очень жива и поддерживается поверхностным натяжением молекул воды. Наши экосистемы не смогут выжить или даже развиваться без воздействия поверхностного натяжения, а сам состав воды будет менее стабильным, постоянно поступая и выходя из газообразного состояния.

Источник

Опыт «Плато»

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.

Роль поверхностного натяжения в жизни.

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.

В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, 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.

Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их нет никакой возможности. Но почему возникают эти силы, мы обязаны хотя бы кратко рассказать.

Если большая группа индивидуумов наделена свойством притягивать друг друга или индивидуумы по своей воле устремляются друг к другу, то результат будет один: они соберутся в ком, подобный пчелиному рою. Каждый индивидуум «стремится» внутрь этого кома, в результате чего поверхность кома сокращается, приближаясь к сфере. Перед вами модель возникновения поверхностного натяжения.

Молекулы воды (или другой жидкости), притягиваемые друг к другу силами Ван-дер-Ваальса,— это и есть собрание индивидуумов, стремящихся сблизиться. Каждая молекула на поверхности притягивается своими собратьями и потому имеет тенденцию к погружению вглубь как в жидких, так и в твердых телах. Но жидкость, в отличие от твердых тел, текуча из-за перескоков молекул из одного «оседлого» положения в другое. Это позволяет жидкости принимать форму, при которой число молекул на поверхности было бы минимальным, а минимальную поверхность при данном объеме имеет шар. Поверхность жидкости сокращается, и мы воспринимаем это как поверхностное натяжение.

Здесь обнаруживается, что происхождение поверхностных сил совсем иное, чем упругих сил растянутой резиновой пленки. И это действительно так. При сокращении резины упругая сила ослабевает, а силы поверхностного натяжения никак не меняются по мере сокращения поверхности пленки, так как среднее расстояние между молекулами не меняется.

Таким образом, возникновение поверхностных сил нельзя объяснить столь просто и наглядно, как сил упругости, где все связано с изменением расстояний между молекулами. Здесь все сложнее, ибо силы поверхностного натяжения проявляются при сложной перестройке формы всей жидкости без изменения ее объема.

При эмульсионном состоянии нефти и ее продуктов в воде их выделение наиболее доступно следующими методами:

— сепарация в поле больших центробежных сил. Метод реализуется на центрифугах и характеризуется возможностью обработки лишь небольших объемов воды и высокими энергозатратами, что не позволяет использовать его при очистке вод поверхностного стока;

— фильтрование, как на напорных, так и на безнапорных фильтрах.

Источник