Poglavje 3. Tekočine.

Struktura tekočin. Površinska napetost.

Po svojih fizikalnih lastnostih zavzemajo tekočine vmesni položaj med plini in trdnimi snovmi. Zanje je značilna velika mobilnost delcev in majhen prostor med njimi. Tekočine, tako kot trdne snovi, lahko ohranijo svojo prostornino in imajo prosto površino. Pri tem pa tekočine, tako kot plini, prevzamejo obliko posode, v katero se vlijejo, tj. imeti pretočnost.

Če imajo trdne snovi strogo notranjo strukturo, je struktura tekočine ohlapnejša, tj. Med molekulami tekočine je prosti prostor ali tako imenovane "luknje". Po teoriji lukenj ( Frenklove teorije), vsaka molekula tekočine za določeno časovno obdobje niha okoli določenega ravnotežnega položaja. V nekem trenutku preskoči v neko novo ravnotežno lego, ločeno od prejšnje na razdalji, primerljivi z velikostjo molekul. Na njegovem mestu se pojavi prosti prostor - luknja. To pomeni, da se molekula počasi premika v tekočini in ostane del časa v ravnotežnem položaju, v tako imenovanem "sedečem" stanju.

Vsaka molekula, ki se nahaja v prostornini tekočine, je enakomerno obdana s sosednjimi molekulami in z njimi sodeluje, vendar je rezultanta teh sil enaka nič (slika 3.1, a).

Zaradi nehomogenosti okolja je molekula, ki se nahaja blizu vmesnika med dvema medijema (ki leži na površini tekočine), izpostavljena sili, ki je nekompenzirana z drugimi molekulami tekočine () in je usmerjena v tekočino pravokotno na njeno površina (slika 3.1, b).

Tako površinska plast tekočine proizvaja nanjo molekularni pritisk, pod vplivom katerega se molekule tekočine težijo premakniti iz površinske plasti v globino tekočine. To pomeni, da je površinska plast tekočine kot elastičen raztegnjen film, ki pokriva celotno tekočino in jo želi zbrati v eno "veliko kapljico". Ta pojav, značilen samo za tekočine, se imenuje površinska napetost. Zaradi površinske napetosti tekočina teži k zmanjšanju površine svoje površinske plasti (proste površine), zaradi česar postane njena površina v danih pogojih minimalna. To pojasnjuje sferično obliko majhnih kapljic rose. Površina tekočine v širokih posodah na tleh ima zaradi delovanja sile težnosti ravno obliko.

Za povečanje (raztezanje) površine tekočine je treba opraviti delo. Ko se površina skrči, delujejo same molekularne sile A. Torej, ko je površina tekočine raztegnjena, potencialna energija W površina se poveča, s kontrakcijo pa zmanjša. Tisti del potencialne energije, ki se pri izotermičnem krčenju površine lahko pretvori v delo, imenujemo prosta energija površine tekočine. Lahko se pokaže, da

(3.1)

kjer je sprememba površine in je koeficient površinske napetosti.

Iz (3.1) sledi, da

To pomeni, da lahko koeficient površinske napetosti definiramo kot prosto energijo površine tekočine na enoto površine te površine. V tem primeru je izražena v joulih na kvadratni meter ().

Koeficient površinske napetosti lahko definiramo tudi kot silo, ki deluje na enoto dolžine obrisa površine tekočine in teži k zmanjšanju te površine na minimum za dano prostornino faz, tj.

V sistemu SI se nato meri v newtonih na meter ( N/m).

Koeficient površinske napetosti je odvisen od temperature in vrste tekočine ter od narave in stanja medija, s katerim pride določena površina tekočine v stik. Velik vpliv na vrednost imajo nečistoče. Za čisto vodo pri sobni temperaturi vrednost , raztapljanje mila v njem zniža vrednost na , in raztapljanje kuhinjske soli, nasprotno, vodi do povečanja.

Imenujemo snovi, ki se adsorbirajo na površini tekočine in zmanjšajo površinsko napetost površinsko aktivna.

Koeficient površinske napetosti določamo z različnimi metodami (metoda ločevanja kapljic, metoda kompenzacije tlačne razlike itd.). Imenuje se naprava, ki se uporablja za določanje bioloških tekočin (cerebrospinalna tekočina, žolč itd.). stalagmometer.

Vloga površinskih pojavov v živi naravi je raznolika. Površinski film vode je podpora gibanju mnogih organizmov. Tako se vodni tekači opirajo na vodo samo s končnimi segmenti široko razmaknjenih nog; Noga, prekrita z voskasto prevleko, se ne zmoči z vodo, površinska plast vode se pod pritiskom stopala upogne in tvori majhno vdolbino. Obalni pajki nekaterih vrst se gibljejo na podoben način, vendar njihove noge niso nameščene vzporedno s površino vode, kot pri vodnih tekačih, ampak pod pravim kotom nanjo. Skrivnost sposobnosti žuželke, da lebdi na vodi, je v njeni precej visoki površinski napetosti (površinska energija).

Vse sorte porast površino tekočine, na primer pri nalivanju vode v krožnik, pri brizganju vode v slapu in pri metanju iz gasilske cevi, spremlja porast površinsko energijo in hlajenje tekočine.

Nasprotno, vse zmanjšanje na površini, na primer, ko se kapljice tekočine združijo v eno veliko kapljico, ki jo spremlja zmanjša površinsko energijo in ogrevanje tekočine.

Močenje. Laplaceova formula. Kapilarni pojavi in ​​njihova vloga v naravi.

Na meji med tekočino in trdno snovjo opazimo nekatere molekularne pojave.

Če so adhezijske sile med molekulami tekočine večje kot med molekulami tekočine in trdne snovi, potem tekočina teži k zmanjšanju meje (območja) svojega stika s trdno snovjo in se po možnosti umakne od nje. to pomeni nemočenje trdna telesna tekočina.

Kot, ki ga tvorita površina telesa in tangenta na površino

tekočina, ki se šteje znotraj tekočine, se imenuje robni kot. Za tekočino, ki se ne zmoči (slika 3.2). Kdaj - popolno nemočenje.

Če so adhezijske sile med molekulami tekočine manjše kot med molekulami tekočine in trdne snovi, potem tekočina teži k povečanju meje stika s trdno snovjo. to pomeni močenje trdna telesna tekočina.

V tem primeru (slika 3.3). Ko opazimo popolno omočenje.

Močljivost in nemočljivost sta relativna pojma: tekočina, ki zmoči eno trdno telo, morda ne bo zmočila drugega. Na primer, voda zmoči steklo, ne zmoči pa parafina, živo srebro ne zmoči stekla, zmoči pa baker in cink.

Listi in stebla rastlin se ne zmočijo z vodo, zahvaljujoč tankemu voskastemu premazu, ki jih pokriva - obnohtna kožica. Zato se na dežju ne zmočijo listje dreves, kozolci, slamniki itd.

Prosta površina tekočine, nalite v posodo, če zmoči trdno telo, bo konkavno(slika 3.4) in konveksen(Sl. 3.5) – v primeru nemočenje.

Ta ukrivljena površina se imenuje meniskus(iz grške besede "meniskos" - polmesec).

riž. 3.4 Sl. 3.5

Pod ukrivljeno površino meniskusa sila površinske napetosti, ki teži k krčenju te površine, ustvarja dodaten pritisk poleg zunanjega pritiska na tekočino. Ta pritisk se imenuje Laplaceov tlak , je odvisna od ukrivljenosti površine in je določena Laplaceova formula , ki ima v splošnem primeru poljubne površine dvojne ukrivljenosti obliko:

(3.3)

kjer je koeficient površinske napetosti;

– polmera ukrivljenosti dveh medsebojno pravokotnih normalnih odsekov površine v dani točki (slika 3.6)

Za sferično površino (sl. 3.4; 3.5) in

Kdaj stanovanje površine, torej t.j. Sile površinske napetosti za ravno površino so usmerjene vzdolž površine in ne ustvarjajo dodatnega pritiska: tlak v tekočini je enak zunanjemu tlaku.

Kdaj konkavno površina bo negativna, tj. tlak znotraj tekočine pod konkavno površino je manjši od zunanjega tlaka za znesek (je enak: ) (slika 3.7)

Vloga kapilarnih pojavov v biologiji je ogromna, saj je večina rastlinskih in živalskih tkiv prepredena z ogromnim številom kapilar. Drevesna debla in veje rastlin so prepredene z ogromnim številom kapilarnih cevk, po katerih se hranila dvignejo do samih vrhnjih listov. Koreninski sistem rastlin se konča v najtanjših nitih - kapilarah. In samo prst, ki je vir prehrane za korenino, lahko predstavljamo kot niz kapilarnih cevk, skozi katere se, odvisno od njene strukture in obdelave, hitreje ali počasneje, voda z raztopljenimi snovmi dvigne na površje.

Manjši kot je premer, večja je višina dviga tekočine v kapilari. Za ohranjanje vlage v tleh je treba zemljo prekopati, da zapremo kapilare; Za odvajanje tal je treba stisniti.

Pustite, da tekočina popolnoma zmoči stene kapilar. Njen meniskus ima v tem primeru obliko hemisfere (slika 7.27) s polmerom, ki je enak polmeru kapilarnega kanala. r. Nato neposredno pod konkavnim meniskusom (na točki A) tlak tekočine bo manjši od atmosferskega tlaka R 0 po količini - (glej § 7.6):

Na globini h, ustreza nivoju tekočine v široki posodi (na točki IN), temu tlaku dodamo hidrostatični tlak ρgh, Kje ρ - gostota tekočine. V široki posodi na isti ravni, to je neposredno pod ravno površino tekočine (v točki C), je tlak enak atmosferskemu tlaku. R 0 . Ker je tekočina v ravnovesju, sta tlaka na isti ravni (v točkah B in C) enaka. torej

(7.7.2)

(7.7.3)

Višina tekočine, ki se dviga v kapilari, je premo sorazmerna z njeno površinsko napetostjo in obratno sorazmerna s polmerom kapilarnega kanala in gostoto tekočine.

Globina h, na katero se v kapilari spusti tekočina, ki se ne omoči, prav tako izračunamo po formuli (7.7.3). To izjavo lahko preverite sami.

Formulo (7.7.3) lahko uporabimo za določitev površinske napetosti a. Da bi to naredili, je treba čim bolj natančno izmeriti višino dviga tekočine. h in polmer cevnega kanala r. Poznavanje gostote tekočine ρ , površinsko napetost a lahko najdete s formulo:

To je eden najpogostejših načinov za določanje površinske napetosti.

Kapilarni pojavi v naravi, vsakdanjem življenju in tehniki

Gibanje in ohranjanje vode v tleh je za rastline izjemno pomembno. Tla imajo ohlapno strukturo, med posameznimi delci pa so vrzeli. Ozki prostori predstavljajo kapilare. Skozi kapilarne prehode se voda dvigne do koreninskega sistema rastlin in jih oskrbuje s potrebno vlago in hranilnimi solmi.

Voda v tleh se dviga skozi kapilare in intenzivno izhlapeva (slika 7.28). Da bi zmanjšali izhlapevanje, morate uničiti kapilare. To dosežemo z rahljanjem tal.

Včasih je ravno nasprotno potrebno povečati pretok vlage skozi kapilare. Nato se zemlja povalja, s čimer se poveča število kapilarnih kanalov.

Zanimivo je, ali se lahko voda z v njej raztopljenimi snovmi zaradi površinske napetosti dvigne do vrhov visokih dreves (višina npr. sekvoje je več kot 100 m). Polmer kapilar v lesu je od 0,01 do 0,3 mm. To pomeni, da se v najtanjših kapilarah voda ne dvigne nad 1,5 m, zaradi atmosferskega tlaka pa se ne more dvigniti višje od 10 m, tudi če se na koncu cevi ustvari vakuum. Osmotski tlak, zaradi katerega je tlak v raztopini večji kot v čisti tekočini, vode ne more dvigniti visoko.

Edina predpostavka ostaja: voda v kapilarah je v raztegnjenem stanju, vendar zaradi privlačnosti svojih molekul ne poči. Ko voda izhlapi iz listov, jo gravitacija dvigne navzgor. Neposredne meritve so pokazale, da je tlak v kapilarah lesa res negativen in lahko doseže -25 atm.

V vsakdanjem življenju se kapilarni pojavi uporabljajo v najrazličnejših okoliščinah. S pivalnim papirjem odstranimo odvečno črnilo s pisma, mokra mesta na mizi ali tleh pa obrišemo z bombažno ali laneno krpo. Uporaba brisač in prtičkov je možna le zaradi prisotnosti kapilar v njih. Dvig kerozina ali staljenega stearina vzdolž stenja luči in sveč je posledica prisotnosti kapilarnih kanalov v stenju. V tehniki se včasih kot eden od načinov dovajanja maziva v strojne dele uporablja stenj za dovajanje olja.

V gradbeništvu je treba upoštevati dvig vlage iz tal skozi pore gradbenih materialov. Zaradi tega postanejo stene zgradb vlažne. Za zaščito temeljev in sten pred vplivi podzemne vode in vlage se uporablja hidroizolacija tako, da se temelj prekrije z vročim (tekočim) bitumnom ali prekrije z vodoodpornim valjanim materialom (strešna lepenka ali strešna lepenka).

Ozkih cevk (kapilar) je v naravi in ​​tehniki zelo veliko. V teh ceveh se tekočina bodisi dvigne v višino
, ali pade z razdalje, določene z isto formulo. Mnogi procesi v naravi in ​​tehnologiji so posledica teh gibanj.

Ukrivljenost površine tekočine na robovih posode je še posebej jasno vidna pri ozkih ceveh, kjer je celotna prosta površina tekočine ukrivljena. V ceveh z ozkim prečnim prerezom je ta površina del krogle; imenujemo jo meniskus. Omočilna tekočina tvori konkavni meniskus (slika 1, a), medtem ko ne-omočljiva tekočina tvori konveksni meniskus (slika 1, b).

Ker je površina meniskusa večja od preseka cevi, se pod vplivom molekularnih sil ukrivljena površina tekočine zravna.

Sile površinske napetosti ustvarjajo dodatni (laplaški) pritisk pod ukrivljeno površino tekočine.

Za izračun nadtlaka predpostavimo, da ima površina tekočine obliko krogle s polmerom R (slika 2.a), iz katere je v mislih odrezan sferični segment, ki leži na krogu s polmerom.

Na vsak infinitezimalni element dolžine te konture deluje sila površinske napetosti, ki se dotika površine krogle, katere modul je . Razčlenimo vektor na dve komponenti sile. Iz slike 2, a vidimo, da je geometrijska vsota sil za dva izbrana diametralno nasprotna elementa enaka nič. Zato je sila površinske napetosti usmerjena pravokotno na ravnino preseka v tekočino (slika 2, c) in njen modul je enak

Presežni tlak, ki ga ustvari ta sila

kjer je površina osnove sferičnega segmenta. Zato

Če je površina tekočine konkavna, potem je sila površinske napetosti usmerjena iz tekočine (slika 2, b) in tlak pod konkavno površino tekočine je za enako količino manjši kot pod ravno površino. Ta formula določa Laplaceov tlak za primer sferične proste površine tekočine. Je poseben primer Laplaceove formule, ki določa nadtlak za poljubno tekočo površino dvojne ukrivljenosti:

kjer sta polmera ukrivljenosti poljubnih dveh med seboj pravokotnih normalnih odsekov površine tekočine. Polmer ukrivljenosti je pozitiven, če je središče ukrivljenosti ustreznega odseka znotraj tekočine, in negativen, če je središče ukrivljenosti zunaj tekočine. Za cilindrično površino nadtlak.

Če postavite ozko cev ( kapilarno) z enim koncem v tekočino, vlito v široko posodo, nato pa se zaradi prisotnosti Laplaceove tlačne sile tekočina v kapilari dvigne (če se tekočina omoči) ali pade (če se tekočina ne omoči) (sl. 3, a, b), saj pod ravno površino tekočine v široki posodi ni presežnega tlaka.

Besedilo dela je objavljeno brez slik in formul.
Celotna različica dela je na voljo v zavihku "Delovne datoteke" v formatu PDF

Uvod

V življenju se pogosto srečujemo z znanimi in običajnimi stvarmi. Kdo med nami še ni uporabljal papirnatih serviet, papirnatih robčkov in brisač, slikal v album ali lepil papir in karton? Zakaj absorbirajo vlago in to počnejo drugače? Od česa je to odvisno? Ta vprašanja so me zelo zanimala. Vse to je povezano s pojavi omočljivosti in neomočljivosti, s kapilarnimi pojavi.

Problem: Kaj določa razliko v absorpciji tekočine pri različnih vrstah papirnih izdelkov? Samostojno sem se odločil eksperimentalno primerjati različne vzorce papirnih izdelkov glede na kakovost vpijanja tekočine. To je mogoče določiti z izračunom premera kapilar, ki prebadajo papir, in višine tekočine, ki se dviga skozi te kapilare. Zato sem si pri svojem delu zadal naslednji cilj.

Cilj projekta: 1. Uvod v teorijo močenja in nemočenja, kapilarnih pojavov. 2. Utemeljitev razlogov za gibanje tekočine skozi kapilare. 3. Preučevanje kapilarnih lastnosti različnih vrst papirnih izdelkov. 4. Eksperimentalni dokaz odvisnosti višine dviga tekočine v kapilarah od efektivnega premera kapilare. 5. Ugotavljanje kakovosti vpijanja tekočin v vzorcih papirnih izdelkov.

Cilji projekta: 1. Preučiti vire informacij o izbrani temi. 2. Poglobiti poznavanje teorije kapilarnih pojavov. 3. Izvedite študije kapilarnih lastnosti različnih vzorcev papirja, da sestavite odvisnost višine dviga tekočine v kapilarah od izračunanega premera kapilare. 4. Obdelaj in analiziraj rezultate, dobljene med poskusom. 5. Rezultate predstavite v obliki diagrama. 6. Pripravite sklep, ki ustreza cilju. 7. Pripravi projekt na zagovor.

Predmet študija: zakoni in pojavi fizike pri preučevanju teorije kapilarnih pojavov.

Predmet raziskave: kapilarne lastnosti papirja.

Relevantnost raziskovalne teme je posledica napredka znanja o teoriji kapilarnih pojavov pri postavljanju raziskovalnega problema s privabljanjem pozornosti javnosti na uporabo stvari, ki jih poznamo v našem življenju.

Novost: diagram meritev odvisnosti višine dviga tekočine v kapilarah od izračunanega efektivnega premera kapilare pri različnih vrstah papirnih izdelkov.

Raziskovalne metode: - teoretične (analiza informacijskih virov); - praktično (opazovanje in proučevanje pojava, ki opisuje rezultat študije); - eksperimentalni (izvajanje meritev, prikaz rezultatov meritev v obliki tabele, diagrama).

Površinska napetost

V življenju imamo pogosto opravka s telesi, v katera prepredajo številni drobni kanali (papir, preja, usnje, razni gradbeni materiali, zemlja, les itd.). Ko pridejo v stik s tekočinami, jih taka telesa zelo pogosto vpijejo (Priloga 1). Podobne pojave lahko opazimo tudi v zelo ozkih cevkah, imenovanih kapilare (iz latinščine. glavica- lasje). To, kar se zgodi, imenujemo pojav kapilarnosti. Da bi podrobno preučili ta pojav, razmislimo o silah, ki so v ozadju kapilarnosti. Sam izraz "površinska napetost" pomeni, da je snov na površini v "napetosti", to je obremenjenem stanju, kar je razloženo z delovanjem sile, imenovane notranji tlak. Molekule vleče v notranjost tekočine v smeri, ki je pravokotna na njeno površino. Tako molekule, ki se nahajajo v notranjih plasteh snovi, v povprečju doživljajo enako privlačnost v vseh smereh od okoliških molekul. Molekule površinske plasti so podvržene neenakomernemu privlačenju iz notranjih plasti snovi in ​​s strani, ki meji na površinsko plast medija. Na primer, na meji tekočina-zrak molekule tekočine, ki se nahajajo v površinski plasti, močneje privlačijo sosednje molekule notranjih plasti tekočine kot molekule zraka (Dodatek 2). To je razlog za razliko med lastnostmi površinske plasti tekočine in lastnostmi njenih notranjih volumnov. Notranji tlak povzroči, da se molekule, ki se nahajajo na površini tekočine, vlečejo navznoter in s tem težijo k zmanjšanju površine na minimum pod danimi pogoji. Sila, ki deluje na enoto dolžine vmesnika in povzroči krčenje površine tekočine, se imenuje sila površinske napetosti ali preprosto površinska napetost. Koeficient je glavna količina, ki označuje lastnosti površine tekočine in se imenuje koeficient površinske napetosti.

Površinska napetost je sila, ki nastane zaradi medsebojnega privlačenja molekul tekočine, usmerjena tangencialno na njeno površino. Delovanje sil površinske napetosti vodi do dejstva, da ima tekočina v ravnovesju najmanjšo možno površino. Ko tekočina pride v stik z drugimi telesi, ima tekočina površino, ki ustreza najmanjši njeni površinski energiji. Učinkov, ki jih povzroča površinska napetost, smo tako navajeni, da jih ne opazimo, razen če se zabavamo s pihanjem milnih mehurčkov. Površinska napetost različnih tekočin ni enaka, odvisna je od njihove molske prostornine, polarnosti molekul, sposobnosti molekul, da med seboj tvorijo vodikove vezi, itd. med molekulami tekočine se poveča. Na površinsko napetost tekočine vplivajo tudi nečistoče v njej. Snovi, ki oslabijo površinsko napetost, imenujemo površinsko aktivne snovi - naftni derivati, alkoholi, eter, milo itd. Nekatere snovi povečajo površinsko napetost - soli in sladkorji, ker njihove molekule medsebojno delujejo s tekočimi molekulami močneje kot tekoče molekule med seboj.

Močenje

Vsi vedo, da se že majhna kapljica vode razlije po čisti površini steklene plošče. Istočasno se kapljica vode na povoščeni plošči, tako kot na površini listov nekaterih rastlin, ne širi, ampak ima skoraj pravilno obliko krogle. Tekočino, ki se v tankem sloju razlije po trdnem telesu, imenujemo omočenje trdnega telesa. Tekočina, ki se ne širi, ampak se skrči v kapljico, imenujemo nemočenje tega telesa (priloga 3). Kako lahko pojasnimo pojava omočljivosti in nemočljivosti?

Pojav omočljivosti in nemočljivosti

Oglejmo si kapljico tekočine na površini trdne snovi (Priloga 4). Črta, ki omejuje površino kapljice na plošči, je meja površin treh teles: tekočine, trdne snovi in ​​plina. Zato bodo v procesu vzpostavljanja ravnovesja kapljice tekočine na meji teh teles delovale tri sile: sila površinske napetosti tekočine na meji s plinom, sila površinske napetosti tekočine na meji s trdna snov in sila površinske napetosti trdne snovi na meji s plinom. Od razmerja velikosti teh sil je odvisno, ali se bo tekočina razširila po površini trdnega telesa in iz njega izpodrinila plin ali pa se bo zbrala v kapljico. Vsaka tekočina, osvobojena delovanja gravitacije, dobi svojo naravno obliko - kroglo. Ko padajo, imajo dežne kapljice obliko kroglic, peleti so zmrznjene kapljice staljenega svinca. Opozoriti je treba, da je hitrost spremembe premera mesta, ki ga tvori kapljica tekočine na čisto površino materiala, ki se uporablja kot glavna značilnost vlaženja v kapilarah. Njegova vrednost je odvisna tako od površinskih pojavov kot od viskoznosti tekočine, njene gostote in hlapnosti. Bolj viskozna tekočina z drugimi enakimi lastnostmi potrebuje dlje časa, da se razširi po površini in teče počasneje skozi kapilarni kanal.

Vrednost omočenja

Vemo, da si je bolje umivati ​​roke s toplo vodo in milom. Voda ima zelo visok koeficient površinske napetosti, kar pomeni, da bo hladna voda slabo mazljiva.vat la-do-ni. Da bi zmanjšali koeficient površinske gravitacije vode, bomo povečali temperaturo -ru vode (s povišanjem temperature vode se učinkovitost površine zmanjša -sha-et-sya) in uporabili milo , ki vsebuje površinsko aktivne snovi, ki močno zmanjšajo koef-fi-tsi-ent na površini gravitacije vode. Učinki smo-chi-va-niya delujejo tudi pri lepljenju lesa, smole, papirja in drugih površin ter temeljijo na interakciji med tekočino mo-le-ku-la-mi in mo-le-ku -la-mi trdno telo. Vsako lepilo mora najprej namazati površino lepljenja. Spajkanje je povezano tudi z lastnostmi sm-chi-va-niya. Tako da se staljena spajka (zlitina kositra in svinca) dobro razporedi po vrhu spa-i-va-e-me- Predmetov je toliko, da morate te površine skrbno očistiti pred maščobo, prahom in oksidi. Kot primer nevonja v živi naravi lahko služi perje vodnoplavajočih ptic. To perje je vedno mazano z maščobo iz žlez, kar vodi v dejstvo, da perje teh ptic ni mazano - namočite v vodi in se ne zmočite (Priloga 5).

Kapilarni pojavi

Delovanje površinske napetosti in učinki razmazovanja se kažejo v kapilarnih pojavih - le-ni-yah - gibanje tekočine skozi tanke cevi. Kapilarni pojavi so pojavi dviganja ali spuščanja tekočine v kapilarah, ki sestojijo iz sposobnosti tekočin, da spreminjajo nivo v ceveh majhnega premera, ozkih kanalih poljubne oblike in poroznih telesih.

kapilare

Bodite pozorni na to, kako je tekočina porazdeljena v posodah različnih debelin: v tanki kih so-su-dah tekočini pod-n-ma-et-sya zgoraj (Dodatek 6). Upoštevajte, da bo tekočina smo-chi-va-yu-sh-shay tekla pod ka-pill-la-ru, nes-chi-va-yu-shchaya pa bo šla navzdol -sya (Priloga 7). Znano je, da se v primerih popolnega mazanja ali nemazanja menisk - ukrivljena površina tekočine - pojavi v ozkih cevkah. Oblikuje polkroglo, katere premer je enak premeru cevi (Priloga 8 ). Vzdolž meje površine tekočine, ki ima obliko kroga, deluje na tekočino s strani sten cevi - obstaja sila površinske napetosti, usmerjena navzgor, v primeru mokro tekočino in navzdol, v primeru nelagodja. Ta sila povzroči, da se tekočina dvigne (ali potopi) v ozki cevi.

Višina dviga tekočine v kapilarnih ceveh

Kapilarne pojave povzročata dve različno usmerjeni sili: sila težnosti Ft sili tekočino, da pade navzdol; Sila površinske napetosti Fn premika vodo navzgor. Snov se bo ustavila, če je Ft = Fn. Dvig/spuščanje tekočine vzdolž cap-pill-la-ru ostane, ko sila na površini enačbe -sedi s silo gravitacije, ki deluje na stolpec podležeče tekočine (Dodatek 9). Višina, do katere pade mazalna tekočina v kapilarni cevi, ki premaga gravitacijo, se izračuna po formuli (3.2.1):

N/m; - gostota tekočine, kg/m 3 9,8 m/s 2 m; - polmer kapilare, m; d - premer kapilare, m.

Oblika za višino, na katero se spusti kapilara z nemazljivo tekočino, bo enaka. Tekočine, ki zmočijo material, iz katerega je izdelana kapilara, se dvignejo v njej (voda/steklo). In obratno: tekočine, ki kapilare ne zmočijo, se vanjo potopijo (steklo / živo srebro). Poleg tega je višina dviga ali padca tekočine odvisna od debeline cevke: tanjša ko je kapilara, večja je višina dviga ali padca tekočine. Na višino vplivata tudi gostota tekočine in njen koeficient površinske napetosti (priloga 10). Pomembno je, da če je kapilara nagnjena na površino tekočine, potem višina dviga tekočine ni odvisna od kota naklona. Ne glede na to, kako se kapilare nahajajo v strukturi (strogo navpično, pod kotom do navpičnice ali z vejami), bo višina dviga tekočine odvisna le od ------ in (ali d ) (priloga 11).

Vloga kapilarnih pojavov v naravi, vsakdanjem življenju in tehniki

Pojav kapilarnosti igra ogromno vlogo pri najrazličnejših procesih, ki nas obkrožajo. Najpogostejši primer kapilarnega pojava je princip dela ten-tsa ali papirnati sal-fet-ki. Voda zaradi dviga tekočine skozi tanka vlakna, iz nečesa, kar so tako močna, odteka iz rok na krpo ali papirnato servieto. Brez kapilarnih pojavov je obstoj živih organizmov preprosto nemogoč. Dvig hranila po steblu ali deblu rastline je posledica pojava kapilarnosti: hranilna raztopina se dviga skozi tanke kapilarne cevke, ki jih tvorijo stene rastlinskih celic.

Upoštevati je treba tudi kapilarnost tal, saj je tudi vanje prepredeno veliko kanalčkov, po katerih se voda dviga iz globokih plasti tal na površje. Čebele in metulji črpajo nektar iz globin cveta skozi zelo tanko kapilarno cevko, ki se nahaja znotraj čebeljega rilčka.

Večino rastlinskih in živalskih tkiv prepreda ogromno število kapilarnih žil. V kapilarah potekajo glavni procesi, povezani s prehrano in dihanjem telesa. Krvne žile so kapilare, skozi katere teče kri. Še več, dlje ko gredo žile od srca, tanjše postajajo.

Gradbeniki se morajo naučiti dvigniti vlago iz tal skozi pore gradbenih materialov. Če se to ne upošteva, bodo stene stavb postale vlažne. Za zaščito temeljev in sten pred takimi vodami uporabljajo hidroizolacijo. Gorivo in maziva se dvignejo skozi kapilare stenja. Top-li-vo se premika vzdolž fi-ti-ly zaradi gibanja vzdolž vlaken fi-ti-la, kot skozi kapilarne cevi. Tudi mokra oblačila med dežjem, na primer hlače do kolen zaradi hoje po lužah, so posledica kapilarnih pojavov. Okoli nas je veliko primerov tega naravnega pojava (priloga 12).

Eksperimentirajte

“Študij kapilarnih lastnosti različnih vzorcev papirnih izdelkov”

Namen poskusa: dokazati, da je višina dviga tekočine v kapilarah odvisna od premera kapilare. Oprema in gradivo: posoda z vodo, termometer, merilno ravnilo, svinčnik, sponka, set vzorcev papirja: enoslojni papirnati robček, papirnati prtiček, list za zvezek, pisarniški papir, pergamentni papir, papirnate brisače, akvarelni list (Priloga 13). Potek dela: 1. Iz kompleta papirnatih izdelkov sem pripravila vzorce za raziskavo. Da bi to naredil, sem izrezal trakove dolžine 10 cm in širina 2 cm in oštevilčen (Priloga 14). Na razdalji 2 cm Z enega konca vzorca sem potegnil črto. 2. Vzela je posodo z vodo in enega za drugim spuščala vzorce v vodo, tako da je nivo vode sovpadal z narisano črto (Priloga 15). 3. Takoj ko se je dvigovanje vode ustavilo, smo vzorec vzeli ven in izmerili višino dviga tekočine od narisane črte do suhega območja. Ta poskus sem izvedel z vsakim vzorcem (Priloga 16). 4. Dobljene podatke analize smo vnesli v tabelo (priloga 17). 5. Premer kapilar vsakega od teh vzorcev je bil določen z izračunom. Da bi to naredil, sem iz formule za višino dviga tekočine v kapilarah (4.1) izrazil formulo za iskanje premera kapilare (4.2):

kjer je ------- koeficient najvišje napetosti, N/m; - gostota tekočine, kg/m 3 ; - gravitacijski pospešek, 9,8 m/s 2 ; - višina stolpca dvignjene tekočine, m; - polmer kapilare, m; d - premer kapilare, m.

V tem primeru so bili vzorci vsakič potopljeni v vodo iz pipe, katere temperatura je bila 20 0 C (Priloga 18), kar pomeni, da je imela tekočina konstantno gostoto = 1000 kg/m3, koeficient površinske napetosti = 0,073 N⁄m. Dobljene podatke smo vnesli v tabelo (priloga 17). Sklep: iz tabele je razvidno, da vsi vzorci papirja absorbirajo vodo, kar kaže na prisotnost kapilar.

Vpojnost papirja

Toda ali so izračunani premeri v vzorcih verjetni? Debelina suhega papirja predstavljenih vzorcev je od 0,1 mm do 0,3 mm. V vodi se bodo kapilare razširile in napolnile z vodo - papir bo postal debelejši, vendar tudi v tem primeru njegova debelina ne bo večja od 0,5 mm. Kaj kaže to neskladje? Kapilare niso neprekinjene, temveč prekinjene (priloga 19).

Pomembna lastnost papirja je vpojnost. Papir je kapilarno porozno telo, sestavljeno iz trdnih delcev ali skupkov delcev, med katerimi so kapilare. Ker je papir proizvod industrijske predelave celuloze, je nemogoče zagotoviti strogo konstantnost premera kapilar. Zato govorijo o efektivnem (povprečnem) premeru kapilar. Za številne vrste papirja je značilna povečana vpojnost različnih tekočin. Tekočina se absorbira v debelino pločevine, odstopa in preide na njeno hrbtno stran. Ta papir ima močne hidrofilne lastnosti. Najprej to velja za razred pivnih in filtrirnih papirjev za različne namene, kot so vzorci s številkami 1,2,6. Ta papir ima najtanjše kapilare in najbolje vpija vodo. Dajanje papirju omejenih vpojnih lastnosti glede na tekočine (voda, črnilo) se imenuje klejenje.

Takšen papir je izdelan iz zelo skrbno zmlete papirne mase, kjer se začnejo tvoriti delno topni, razgrajeni celulozni produkti, ki dajejo monolitne filme različne resnosti, ki blokirajo pore in imajo večjo odpornost proti prodiranju tekočine. To velja za razred embalažnega papirja, kot vzorec številka 5, tudi za razred papirjev za pisanje in risanje, kot vzorec številka 3,4,7. Zato v tem poskusu upoštevam kapilarni učinek samo vzorcev s številkami 1,2,6, katerih izdelki imajo povečano vpojnost.

Merilna tabela

Na podlagi dobljenih podatkov sem sestavil merilni diagram odvisnosti višine dviga tekočine v kapilarah od izračunanega efektivnega premera kapilare (priloga 20).

Zaključek: omočilne tekočine se dvignejo skozi kapilare, premagujejo silo težnosti, do višine, ki je odvisna od koeficienta površinske napetosti tekočine, gostote tekočine in premera kapilare. Manjši kot je premer kapilare, višje se dvigne tekočina skozi kapilaro. Najboljšo kakovost absorpcije ima vzorec z manjšim premerom kapilare. Najboljšo vpojnost ima papirnati robček.

Zaključek

Kot rezultat svojega raziskovalnega dela sem:

1. Poglobila sem znanje o pojavih omočljivosti in nemočljivosti, kapilarnih pojavih, ki so zelo razširjeni tako v naših vsakodnevnih dejavnostih kot v naravi.

2. Naučil sem se izpeljati formulo za premer kapilare glede na višino dviga tekočine in po formuli izračunati efektivni (povprečni) premer kapilare.

3. Dokazala je odvisnost višine dviga tekočine v kapilarah od izračunanega premera kapilare.

4. Spoznal, da so kapilarni pojavi odvisni od sile interakcije med molekulami v tekočini in od sile interakcije med molekulami trdne snovi in ​​molekulami tekočine; Manjši kot je premer kapilare, višje se dviga voda skozi kapilaro.

5. Primerjali vzorce papirnih izdelkov glede kakovosti vpijanja tekočine in ugotovili, da ima vzorec z manjšim premerom kapilare najboljšo kakovost vpijanja.

6. Izboljšane osebne lastnosti v procesu njenega dela:

vztrajnost;

opazovanje;

sposobnost dela z velikimi količinami informacij;

želja po samorazvoju.

Kupljeno:

osredotočenost na rezultate;

sistematično razmišljanje;

analitične sposobnosti.

7. Dosegel rešitev problema z uporabo zastavljenega cilja in ciljev.

Moje delo mi je bilo všeč, zadovoljen sem s svojim rezultatom. Moje raziskave se lahko uporabljajo pri pouku fizike pri preučevanju teme "Kapilarni pojavi", pri pouku biologije pri vprašanjih o kapilarnih pojavih v človeškem telesu, pa tudi pri izboljšanju znanja kemije pri preučevanju vprašanj kondenzacije ali koloidne kemije.

Bibliografija

1. Vasjukov V.I. Fizika. Osnovne formule, zakoni: Referenčni priročnik. - M.: Orientir, 2006

2. Peryshkin A.V. Tečaj fizike: Učbenik za srednjo šolo / V treh delih - M.: Uchpedgiz, 1965

3. Papir, njegova struktura, sestava, klasifikacija, uporaba in lastnosti (http://material.osngrad.info)

4. Kapilarni učinki (http://www.studopedia.ru)

5. Kapilarni pojavi (http://www.booksite.ru)

6. Površinska napetost (http://www.mirznanii.com)

7. Vlaženje in kapilarnost (http://phscs.ru)

Aplikacije

Priloga 1

Listna plošča Krvne žile Filtrirni papir

Dodatek 2

Dodatek 3

Dodatek 4

Dodatek 5

Dodatek 6

Dodatek 7

Voda živo srebro

Dodatek 8

Dodatek 9

Dodatek 10

Dodatek 11

Dodatek 12

Dodatek 13

Dodatek 14

Oštevilčenje vzorcev papirnih izdelkov

Dodatek 15

Dodatek 16

Dodatek 17

Podatki o izračunu vzorcev papirja

Ime vzorca papirja	Višina dviga tekočine, mm	Povprečni (efektivni) premer kapilare, izračunan po formuli, mm
št. 1 Enoslojni papirnati robček
Št. 2 Papirnata servieta
št. 3 Zvezkov list
št. 4 Pisarniški papir
Št. 5 Pergamentni papir
Št. 6 Papirnata brisača
št. 7 Akvarelni papir

Dodatek 18

Dodatek 19

Kapilare neprekinjene in prekinjene

Dodatek 20