Практическая работа №7
Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости
Подготовительная часть.
Для данной работы необходимо повторить физические явления, понятия и законы, описывающие физические свойства жидкостей. Для этого необходимо заполнить следующую таблицу.
Название величины | Значение | Связь с другими величинами |
Поверхностное натяжение | ||
Коэффициент поверхностного натяжения | ||
Поверхностная энергия | ||
Сила поверхностного натяжения | ||
Смачивание | ||
Угол смачивания | ||
Мениск | ||
Капиллярность | ||
Высота подъема жидкости в капилляре |
Прочитайте текст и заполните пустые места, ответьте на вопросы, а также произведите необходимые расчёты.
В окружающем нас мире наряду с тяготением, упругостью и трением действует еще одна сила, на которую мы обычно мало или совсем не обращаем внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действие никогда не вызывает впечатляющих 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 сей час пойдет речь. Это силы .
Поверхность раздела между жидкостью и газом представляет собой не геометрическую линию, а слой малой (в несколько молекулярных диаметров) толщины.
Молекулы поверхностного слоя находятся в среднем на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Жидкость в поверхностном слое находится в растянутом, напряженном состоянии. Поэтому вдоль поверхности действует сила, стремящаяся сократить эту поверхность - .
При уменьшении температуры газа и увеличении его давления скорость молекул и среднее расстояние между ними. Силы молекул становятся особенно существенными, когда средняя потенциальная энергия молекул порядка их средней кинетической энергии. Притягиваясь друг к другу, молекулы объединяются в частицы пара, которые
образуют . Газ занимает , а жидкость . Из-за жидкость сохраняет объем. На границе с газом или паром жидкость образует .
Молекулы на поверхности жидкости находятся в особых условиях по сравнению с молекулами ее внутренних слоев. Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна .
Молекулы поверхностного слоя жидкости притягиваются
На повнерхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности жидкости оказывается при данном ее объеме. Молекулы поверхностного слоя оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая ее поверхность к . Этот эффект называют . Это притяжение обуславливает дополнительную потенциальную энергию молекул на поверхности жидкости.
Поэтому жидкость в отсутствие силы тяжести или в случае, когда сила тяжести уравновешена силой Архимеда из всех возможных форм принимает - , имеющую минимальную площадь поверхности при том же объеме. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (силами тяготения).
ЭКПЕРИМЕНТ 1: Интересный опыт был выполнен бельгийским физиком Ж. Плато. для проведения этого опыта большую каплю анилина надо ввести в раствор поваренной соли, плотность которого равна плотности анилина. Капля будет находиться в равновесии, так как сила тяжести, действующая на каплю, уравновешивается архимедовой силой. В этом случае капля принимает форму шара.
Приведите примеры, в каких случаях жидкость принимает форму шара:
ЭКСПЕРИМЕНТ 2: На слегка вогнутое часовое стекло нальем очень слабый водный раствор серной кислоты. Затем при помощи пипетки выпустим в раствор струей множество капелек ртути. Вскоре этималенькие капли ртути сольются в одну большую каплю, площадь поверхности которой меньше суммарной площади поверхностей множества мелких капель.
До После
ЭКСПЕРИМЕНТ 3: К двум точкам проволочного каркаса привяжем нить, длина которой больше диаметра каркаса. Погрузив каркас в раствор мыла, получим мыльную пленку, на которой нить будет лежать в произвольном положении (До) . если проколоть пленку с одной стороны нити, то пленкка, оставшаяся по другую сторону нити, сокращаясь, натянет нить так, как показано на рисунке (После).
До После
ВЫВОД 1-3:
ЭКСПЕРИМЕНТ 4: Рассмотрим опыт с мыльной пленкой, образованной на прямоугольнике с подвижной перемычкой длиной l.
Вид сбоку Вид сверху
В отсутствие внешней силы (
) вдоль поверхности жидкости действует , которая площадь поверхности пленки. В результате подвижная перемычка сместится в сторонну, а сила поверхностного натяжения направлена .
При равномерном растяжении 
пленки сила 
совершает работу 
Вдоль поверхности пленки действуют равные силы поверхностного натяжения 
и 
:
При равновесии перемычки:
В процессе растяжения поверхности жидкости (в отличие от растяжения резины) среднее расстояние между молекулами .
Поверхность жидкости, увеличивающаяся на 
, заполняется молекулами внутренних слоев. Число молекул поверхностного слоя при этом , и поверхностная энергия соответственно .
В соответствии с законом сохранения энергии
В таблице приведено поверхностное натяжение некоторых жидкостей, находящихся в контакте с воздухом.
вещество |
| вещество |
|
Мыльный раствор Бензин Оливковое масло | 25 28,9 32,0 | Глицерин Вода Ртуть | 63,1 72,8 465 |
, мН/м
, мН/мЗначительное влияние на поверхностное натяжение жидкости оказывают примеси растворенных в ней веществ.
ЭКСПЕРИМЕНТ 5: Нальем в резервуар чистой воды и насыплем на ее поверхность тальк. Это делается для того, чтобы стало заметнее перемещение поверхностного слоя воды. С помощью тонкой стеклянной трубки или пипетки введем на середину поверхности воды небольшую каплю эфира (или мыльного раствора). Мы увидим быстрое перемещение частичек порошка к бортам резервуара, а в середине появится «окно». Это показывает, что эфир резко понижает поверхностное натяжение воды. При растворении, например, сахара в воде поверхностное натяжение увеличивается.
ВЫВОД 5:
Сферическая форма капли жидкости при соприкосновении с поверхностью твердого тела не сохраняется. Изменение формы капли зависит от:
1)
2)
Зависимость формы капли от материала подложки объясняется
- Если силы притяжения
между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости 
, то жидкость поверхность. Если силы притяжения между молекулами жидкости 
больше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела 
, то жидкость поверхность. Приведите примеры, когда необходимо хорошее смачивание:
несмачиваемые поверхности:
Смачивание твердых поверхностей жидкостью характеризуется и .
Обозначьте их на рисунках, при этом указав на каком рисунке несмачивающая жидкость, а на каком смачивающая жидкость.
В достаточно широких сосудах короткодействующие силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкости удерживают в виде мениска лишь незначительную часть жидкости в сосуде. Основная ее поверхность – горизонтальная. В узких сосудах – капиллярах – масса жидкости невелика, поэтому различие сил 
и 
приводит к капиллярности.
Под капиллярным явлением понимают или жидкости в узких трубках по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.
Смачивающая жидкость по капилляру. При этом чем меньше радиус трубки, тем в ней жидкость. Жидкость, не смачивающая стенки капилляра, уровня жидкости в широком сосуде.
Вдоль границы поверхностного слоя жидкости, имеющей форму окружности, на стенки трубки действует сила , направленная вниз (для смачивающей жидкости). Такая же по модулю сила действует на жидкость со стороны стенок трубки вверх по . эта сила и заставляет жидкость подниматься в узкой трубке. Подъем смачивающей жидкости по капилляру прекратится тогда, когда сила, заставляющая жидкость подниматься вверх, уравновесится с силой , действующей на поднятую жидкость.
Высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре прямо пропорциональна:
Высота поднятия жидкости (опускания) относительно основного уровня:
ВЫВОД 6:
Практическая часть.
Выделите те примеры, которые подтверждают явление поверхностного натяжения и капиллярные явления:
пример | Поверхностное натяжение | Капиллярные явления |
| Письмо чернилами перьевой ручкой. Письмо чернилами шариковой ручкой. Письмо карандашом. Письмо гелиевой ручкой. Намыливание рук мылом. Образование пены. Перекрашивание воды в ванне при добавлении соли. Стирка одежды. Сушка одежды. Полив растений. Водный режим почвы. Образование капель. Образование радуги. Мыльные пузыри. Одежда под дождем не промокла моментально. Сахар растворился в чае. Чаинки плавают на поверхности чая. Уборка пыли. Влажная уборка пыли. Пролитая вода вытирается сухой тряпкой. Керосиновая лампа. Забор анализа крови. Вода в «решете». Скольжение водомерок по поверхности озера. Изготовление елочных игрушек. Применение полотенец, салфеток. |
Выберите правильный ответ
Стеклянную пластинку подвесили к динамометру. После этого ею прикоснулись к поверхности жидкости и оторвали от нее. Для каждой жидкости – ртути, воды или керосина – динамометр покажет в момент отрыва большую силу?
А. Для ртути.
Б. Для воды.
В. Для керосина.
У какой воды больше поверхностное натяжение: у чистой или у мыльной?
А. У чистой.
Б. У мыльной.
В. Одинаковые.
В сосуд с горячей водой опущена капиллярная трубка. Как изменится уровень воды в трубке во время охлаждения воды?
А. Останется неизменным.
Б. Будет понижаться.
В. Будет повышаться.
В двух капиллярных трубках одинакового радиуса находятся вода и спирт. Одна из этих жидкостей поднялась на 1 см выше, чем другая..
А. Вода поднялась выше.
Б. Спирт поднялся выше, чем вода.
В. Если радиус уменьшить, разность уровней жидкости уменьшится.
Как изменилось поверхностное натяжение воды после нагревания?
А. Уменьшилось.
Б. Увеличилось.
В. Не изменилось.
При погружении в жидкость капиллярной стеклянной трубки уровень жидкости в ней поднялся на 12 мм. Чему будет равна высота подъема в этом капилляре смачивающей жидкости с такой же плотностью, но имеющей в 2 раза меньшее значение коэффициента поверхностного натяжения?
А. Меньше 12 мм.
Б. Больше 12 мм.
В. 12мм.
Домашнее задание.
Опишите, какую роль играют рассматриваемые явления в биологии и в медицине.
Выберите подходящий для себя уровень ( задания уровня В – на оценку «4», задания уровня С – на оценку «5») и решите задачи в тетради для домашних заданий.
Задания уровня В
С помощью пипетки отмерили 152 капли минерального масла. Их масса оказалась равной 1, 82 г. определите диаметр шейки пипетки, если поверхностное натяжение минерального масла равно
. Какую массу имеет капля воды, вытекающая из стеклянной трубки диаметром 
, если считать, что диаметр шейки капли равен диаметру трубки? Поверхностное натяжение воды 73 мН/м. Вычислите поверхностное натяжение масла, если при вытекании через пипетку 
масла получено 304 капли. Диаметр шейки пипетки 
. В спирт опущена трубка. Диаметр ее внутреннего канала равен 0,5 мм. На какую высоту поднимается спирт в трубке? Плотность спирта 
. Поверхностное натяжение спирта 22 мН/м. Керосин поднялся по капиллярной трубке на 
. Определите радиус трубки, если поверхностное натяжение керосина равно 
, а его плотность 
. Каким должен быть диаметр капиллярной трубки, чтобы вода поднималась в ней на 
м? Поверхностное натяжение воды равно 73 мН/м. В капиллярной трубке радиусом 0,5 мм жидкость поднялась на 11 мм. Определите плотность данной жидкости, если ее поверхностное натяжение 0,022 Н/м. Задания уровня С
. Вследствие нагревания воды до 
высота столбика воды в трубке уменьшилась на 3,2 см. опеределите поверхностное натяжение воды при 
. Мыльный пузырь имеет радиус 2 см. определить разность давлений внутри и снаружи пузыря. Поверхностное натяжение мыльного раствора 0,07 Н/м. Длинная, открытая с обоих концов тонкостенная капиллярная трубка радиусом 1 мм расположена вертикально. Какова максимально возможная высота столба воды, находящейся в трубке? Поверхностное натяжение воды 73 мН/м. Оцените максимальный размер капель воды, которые могут висеть на потолке. Поверхностное натяжение воды 73 мН/м. Под каким давлением находится воздух в воздушном пузырьке диаметром 2 мм в воде на глубине 50 см, если атмосферное давление 
Па? Поверхностное натяжение воды 73 мН/м. Итоговый кроссворд по теме «Молекулярная физика» за I семестр
По горизонтали
2. Наименьшее частица данного вещества, сохраняющая все его хим. Свойства.
3. Это перенос внутренней энергии в жидкостях или газах в результате циркуляции.
4. Газ, в котором нельзя не учитывать размеры молекул и взаимодействия между ними.
6. Прибор для измерения силы.
8. Процесс изменения состояния газа, при постоянном давлении.
9. Температура, при которой вещество ещё может оставаться в жидком агрегатном состоянии.
10. Величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1 К.
12. Это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному.
14. Переход из жидкого состояния в твердое состояние.
16. Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой.
17. Пар, находящийся в динамическом равновесии с собственной жидкостью.
20. Кристалл, состоящий из множества мелких кристаллов.
21. Процесс, проходящий при постоянном объеме
22. Процесс перехода пара в жидкость.
23. Процесс перехода тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое.
24. Пробор для измерения кровеносного давления.
25. Модель газа, в которой размерами молекул и их взаимодействием можно пренебречь.
По вертикали
1. Прибор для измерения теплоты (температура).
5. Макроскопический параметр, значения которого одинаковы для всех.
7. Величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моль вещества на 1 К.
11. Влажность, определяемая относительным давлением водяного пара.
13. Процесс, проходящий при постоянном давлении.
15. Пар, находящийся в динамическом равновесии с собственной жидкостью.
18. Это процесс превращения жидкости в пар.
19. Прибор для измерения давления жидкости газов.
