Капиллярные явления

Жидкость -агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и жидких веществ.

Жидкости подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся. Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия. Средняя энергия теплового движения молекул газа гораздо больше потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны, и газ занимает весь предоставленный ему объем.

В твердых телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают их на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому средняя энергия теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения, и ее не достаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

Наиболее интересной особенностью жидкости является наличие свободной поверхности. Жидкость (в отличие от газа) не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы внутри жидкости окружены молекулами той же жидкости со всех сторон. Силы, действующие на молекулу А со стороны соседних молекул, компенсируют друг друга.

Любая молекула в пограничном слое жидкости притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости сильнее, чем молекулами газа, находящимися над ее поверхностью. Поэтому равнодействующая всех молекулярных сил, действующих на молекулу В поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Такие же силы действуют и на остальные молекулы поверхностного слоя.

1. 2. Энергия поверхностного слоя жидкости.

Вся энергия частиц жидкости складывается из кинетической энергии их теплового движения и потенциальной энергии взаимодействия частиц. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо совершить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и идет на увеличения их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое, называется поверхностной энергией.

Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних воздействий должна принимать такую форму, при которой ее поверхность будет наименьшей при заданном объеме, то есть форму шара.

Стремление поверхности жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать на многих явлениях. Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не совсем точным. Собственная форма жидкости- шар. Шар- наиболее емкая форма.

Небольшое количество жидкости легко образует и сохраняет шарообразную форму. Большое количество жидкости не может сохранять шарообразную форму, так как на нее действует сила тяжести. Если устранить влияние силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкость примет форму шара. Например, при падении капли дождя все ее частицы движутся с одинаковой скоростью, поэтому капля не деформируется. Небесные тела, движущиеся в мировом пространстве, тоже имеют шарообразную форму, несколько измененную, правда, вследствие вращения тел.

1. 3. Опыты, доказывающие, что однородная жидкость принимает форму с минимальной свободной поверхностью.

1. Вариант опыта Плато (бельгийский профессор,1849год)

Поводом, побудившим профессора к таким опытам был такой случай. Нечаянно он налил в смесь спирта и воды небольшое количество масла, и оно приняло форму шара. Размышляя над этим фактом, Плато наметил ряд опытов, которые впоследствии блестяще

Были выполнены его друзьями и учениками. Сам Плато не мог любоваться этими опытами, так как совершенно ослеп в 1843году. Но в своем дневнике по поводу этого явления профессор записал полезное для нас, сегодняшних исследователей, правило: «вовремя удивляться».

В стакан нальем подсолнечное масло и из пипетки капаем туда подкрашенную марганцовкой воду, наблюдаем шарики воды разных размеров, медленно падающие на дно и образующие там причудливые скопления . Жидкость, притягивая молекулы поверхностного слоя, сжимает саму себя до плотной упаковки молекул. Жидкость имеет собственную шарообразную форму.

2. Опыт с мыльными пузырями.

Стремление жидкости к минимуму потенциальной энергии можно наблюдать с помощью мыльных пузырей. Стенки мыльного пузыря, или мыльная пленка, представляет собой двойной поверхностный слой. Если выдуть мыльный пузырь, а потом прекратить надувание, то он станет уменьшаться в объеме, выжимая из себя струю воздуха.

Состояние мыльной пленки через 1мин.

3. Опыт с мыльной пленкой.

Изготовим из металлической проволоки каркас в виде кольца, к которому привязана без натяжения нить с петелькой в средней части. Опустим кольцо в кювету с раствором шампуни ( мыльным раствором), убрав кювету, получим на кольце сплошную мыльную пленку. Затем прорвем ее , например, в правой части с помощью прокола иглой; обнаруживаем значительное уменьшение поверхности пленки: нить принимает форму дуги окружности.

Прорвем пленку внутри нитяной петли, тогда образуется правильная окружность.

Т. е. жидкость стремится уменьшить свободную поверхность.

2. Поверхностное натяжение.

2. 1. Сила поверхностного натяжения.

Поверхностный слой жидкости напоминает растянутую упругую пленку. Причиной такого свойства поверхностного слоя является то, что молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости.

Свойство поверхности жидкости сокращаться объясняется существованием сил, стремящихся сократить эту поверхность. Сила, стремящаяся сократить поверхность жидкости , направленная по касательной к этой поверхности перпендикулярно контуру, ограничивающему поверхность, называется силой поверхностного натяжения.

2. 2. Опыты, доказывающие существование сил поверхностного натяжения.

1. Опыт с медной спиралью (лезвием).

На поверхность воды положим медную проволоку, свернутую в спираль (или лезвие безопасной бритвы). Слегка прогнув поверхностный слой, спираль (лезвие) не тонет, а будет удерживаться на поверхности воды, хотя плотность меди больше плотности воды. Это объясняется тем, что прогнутый поверхностный слой, стремясь сократиться, создает силу, направленную вверх.

2. Наблюдения.

В водоемах на поверхности воды свободно бегают и прыгают насекомые- водомерки, «поддерживаемые» силой поверхностного натяжения.

Слипание мокрых волос( мокрых песчинок) также связано со стремлением жидкости приобрести минимальную поверхность за счет сил поверхностного натяжения. При соприкосновении друг с другом мокрых волосков окружающие их тонкие водяные оболочки сливаются в одну оболочку, поверхность которой меньше суммы поверхностей оболочек на отдельных волосках. В результате волоски оказываются стянутыми поверхностным слоем воды.

3. Опыт с мыльной пленкой.

Подвесим на штативе «качели»: две прямые проволоки диаметром 0,3 мм и длиной приблизительно 50-40мм, предварительно связанные между собой тонкими нитями

Подготовленный каркас опустим в мыльный раствор(как кольцо в п. 1. 3), осторожно опуская кювету с раствором, получаем между проволочками и нитями мыльную пленку.

Обратим внимание, что нижняя часть качелей заметно поднялась вверх. А боковые нити прогнулись во внутреннюю область и приняли форму дуг под действием сил поверхностного натяжения.

Потянем слегка за нижнюю нить, пленка растянется, и каркас снова примет форму прямоугольника.

4. Из записей космонавтов.

Космонавты после выхода космического корабля на орбиту заметили, что в закупоренном чистом стеклянном сосуде с водой воздух собрался внутри воды в виде шара, а вода заняла пространство до пробки.

Это произошло потому, что в невесомости вода за счет силы поверхностного натяжения увеличила площадь своего контакта с воздухом до минимума, т. е. до сферической поверхности.

5. Рекомендация.

При прочих равных условиях лучше пользоваться зубной пастой с малым поверхностным натяжением, чем с большим из- за того. что она легко окружает кусочки зубного налета, которые начинают слабее взаимодействовать с зубами, легко отрываются и смываются водой.

2. 3. Зависимость поверхностного натяжения от химического состава жидкости.

Опыт 1.

В широкий стеклянный сосуд нальем воды. На поверхность набросаем кусочки пенопласта.

а/. Прикоснемся к центру поверхности воды кусочком мыла, кусочки пенопласта придут в движение в направлении от центра к краям сосуда. Тот же эффект мы наблюдали, когда капали в центр сосуда такие жидкости как бензин, керосин, эфир, спирт; моющее средство «Mr. Proper», «Fairy», гель для чистки раковин «MAX», кухонный бальзам «ROJKOV» для мытья посуды, чистящее средство для изделий из металла «Luxus”.

Из опытов видно, что поверхностное натяжение этих веществ меньше, чем поверхностное натяжение воды (подкрашенной марганцовкой). Они используются для удаления грязи, жирных пятен, сажи, т. е. нерастворимых в воде веществ.

Из-за достаточно высокого поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает очень хорошим чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, например, молекулы воды притягиваются друг к другу больше, вместо того, чтобы захватить частицы нерастворимой грязи.

Мыло и синтетические моющие средства содержат вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды. ( Первое СМС появились в 1916году, его изобрел немецкий химик Фриц Гюнтер для промышленных целей. Бытовые СМС, более или менее безвредные для рук, стали выпускаться в 1993 году. Сейчас производство СМС стало важной отраслью химической промышленности) Эти вещества называют поверхностно- активными веществами (ПАВ), поскольку действуют они на поверхности жидкости.

Молекулы ПАВ можно представить в виде головастиков. Головами они «цепляются» за воду, а «хвостами»- за жир. Когда ПАВ смешиваются с водой, их молекулы на поверхности обращены «головами» вниз, а их «хвостики» торчат из воды. Раздробив таким образом поверхность воды, эти молекулы значительно уменьшают эффект поверхностного натяжения, тем самым помогая воде проникнуть в ткань. Этими же «хвостиками» молекулы ПАВ захватывают попадающиеся им молекулы жира. При мытье посуды , стирке с использованием ПАВ поверхность кожи рук страдает в той или иной степени оттого, что происходит обезжиривание , наблюдается сухость кожных покровов, могут образовываться трещины.

б/. Теперь прикоснемся к центру поверхности воды кусочком сахара (или соли), кусочки пенопласта (бумаги) придут в движение от краев сосуда к центру. Значит поверхностное натяжение раствора сахара в воде и раствора соли в воде больше, чем поверхностное натяжение чистой воды. Я думаю, что отстирать белье, загрязненное нерастворимыми в воде веществами, в морской, например, воде тяжелее, чем в речной, так как притяжение между молекулами соленой воды еще больше ( по сравнению с чистой водой), чем между молекулами этой воды и «грязи».

Опыт 2.

Нальем в блюдце молоко, чтобы оно закрывало дно. Накапаем на поверхность по 2-3 капли зеленки (или йода). Наблюдаем, как поверхность воды «увлекает» зеленку от центра к краям. Эти 2 капли зеленки покрывают всю поверхность молока. Значит, поверхностное натяжение зеленки намного меньше, чем поверхностное натяжение молока. Если же на поверхность зеленки капнуть жидкость для мытья посуды«Fairy»,то зеленка «увлечет»эту жидкость к краям сосуда, это значит, что поверхностное натяжение моющего средства меньше, чем поверхностное натяжение зеленки.

Подобными опытами можно исследовать и сравнить поверхностное натяжение многих жидкостей.

Удалим с поверхности ткани жировое пятно. Смочим для этого бензином ватку (или марлю) этой ваткой будем смачивать края пятна (смачивать само пятно не рекомендуем). Бензин уменьшает поверхностное натяжение, поэтому жир собирается к центру пятна и оттуда его можно удалить этой же ваткой ( если же смачивать само пятно, то оно может увеличиться в размерах вследствие уменьшения поверхностного натяжения).

4. Наблюдения.

Вода легче песка, однако, ветер может поднять тучи песка, но очень мало водяных брызг.

Это происходит потому, что каждую песчинку можно рассматривать как отдельное тело, на которое действует сила ветра, поэтому песчинки взлетают. Воду, как и любую жидкость, надо рассматривать как среду, состоящую из молекул, между которыми есть притяжение. Важную роль здесь играет поверхностное натяжение, стремящееся уменьшить площадь поверхности. Ветер, образующий брызги, наоборот, стремится увеличить площадь поверхности.

5. Наблюдения.

После дождя волейбольная сетка сильно натягивается. Если волокна сетки хорошо смачиваются, то по мере высыхания объем воды между волокнами будет уменьшаться, волокна будут сближаться друг с другом, и сетка будет натягиваться.

6. Наблюдения.

Соломенная крыша, состоящая из отдельных стебельков, между которыми много отверстий, надежно защищает от дождя. Соломинки лежат достаточно близко друг к другу и, если они хорошо смачиваются, то сила поверхностного натяжения, действуя на воду, уравновесит силу тяжести воды, и поэтому крыша не протекает.

Если стебельки не смачиваются водой, то вода будет стекать с такой крыши.

2. 4. Зависимость поверхностного натяжения жидкости от температуры.

Возьмем стеклянную трубку и заполним ее водой так, чтобы образовался столбик длиной 3-4 см. Расположим ее горизонтально и закрепим в штатив, предварительно приклеив к лапкам зажима губку, чтобы не раздавить стекло трубки. Нагреем один из концов водяного столбика над пламенем горелки. Наблюдаем, как столбик воды перемещается от нагретого конца трубки к холодному. Это происходит потому, что поверхностное натяжение воды с повышением температуры уменьшается. Поэтому горячая вода стирает и моет лучше, проникая в самые маленькие дырочки и поры, чем холодная.

А полоскать- убрать остатки мыла или порошка из выстиранной ткани- лучше в холодной воде. Чтобы мыльный раствор вылез из тонких промежутков между волокнами ткани, необходимо повысить поверхностное натяжение, тогда каждой из сплющенных капелек опять станет выгодно стать шарообразной, чтобы «вылезти» из тонких промежутков между нитями ткани

Возьмем две трубки с разными жидкостями (водой и спиртом), расположим их горизонталь рядом друг с другом так, чтобы начала и концы столбиков жидкости совпадали. Нагреем пламенем спиртовки совпадающие концы столбиков жидкостей. Наблюдаем, что столбик воды начинает двигаться в сторону холодного конца трубки с большей скоростью, чем столбик спирта. Это можно объяснить тем, что коэффициент поверхностного натяжения воды с повышением температуры уменьшается на большую величину, чем поверхностное натяжение спирта.

3. Наблюдение.

Большинство людей любят горячий суп больше, чем холодный.

Это можно объяснить, наверное, тем, что при более высокой температуре поверхностное натяжение воды уменьшается, и сложные органические вещества, содержащиеся в супе, легче разлагаются на более простые и лучше впитываются.

3. Коэффициент поверхностного натяжения и его измерение.

3. 1. Опыт с П-образной рамкой.

Оборудование: П-образная рамка , чувствительный динамометр, штатив стакан с мыльным раствором.

Изготовим из медной проволоки П- образную незамкнутую рамку шириной приблизительно 50мм. Возьмем чувствительный динамометр с ценой деления 0,001Н и подвесим к нему эту рамку. Чтобы не учитывать вес рамки , надо установить указатель сразу на ноль или взвесить рамку отдельно. Подставляем под петлю стакан с мыльным раствором так, чтобы верхняя сторона ее была погружена в раствор. При медленном опускании стакана рамка затягивается сплошной мыльной пленкой , и на пружину будет действовать сила поверхностного натяжения. Эту силу определяем по показаниям динамометра. Сила поверхностного натяжения, приходящаяся на единицу длины контура, ограничивающего эту поверхность, называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости.

σ = F/l (1)

σ измеряется в единицах Н/м.

(Можно выразить коэффициент поверхностного натяжения и через энергию поверхностного слоя жидкости. )

Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой слой жидкости с двумя свободными поверхностями, сила поверхностного натяжения обоих поверхностей будет равна 2F.

Результаты измерений:

Длина контура – 4∙50мм=200мм=0,2м

Сила поверхностного натяжения- 0,008Н

Согласно (1): σ = 0,008Н:0,2м=0,040Н/м

3. 2 а/. Опыт. Метод отрыва капель.

Оборудование: весы с разновесами, штангенциркуль, стакан химический тонкостенный (или глубокая металлическая пробка от бутылки),капельница.

1. С помощью штангенциркуля измеряем диаметр наконечника капельницы d.

2. Взвешиваем пустой стакан М1.

3. Капаем в стакан 50 капель воды и взвешиваем вместе со стаканом М2.

4. Вычисляем массу одной капли воды: m =М/N, M=M2-M1

N- число капель

5. Вычисляем коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле:

σ =mg/( π d)

Результаты опыта:

М=46мг=4,6 ∙10-5 кг σ =mg/( π d) d=0,4мм=4 ∙10 -4м σ =(4,6∙ 10-5 ∙9,81): (3,14∙ 50∙ 4∙ 10-4)=

π=3,14 =0,072 Н/м g=9,81 м/с2

3. 2 б/. Опыт. Метод отрыва рамки ( с использованием рычага).

Оборудование: рычаг , изготовленный из легкой линейки длиной 25см, кусок пилки по металлу, проволочная рамка периметром 24см, весы с разновесами, кювета с водой.

1. Положим линейку на жесткое ребро пилки, зажатой в штатив так, чтобы она была в равновесии. Изготавливаем ее из деревянной масштабной линейки , отрезав от нее долевую полоску 6мм, имеющую миллиметровые деления.

2. Подвесим с одной стороны к нулевому делению линейки проволочную рамку, прикрепим кусочек пластилина к другой стороне линейки на таком же расстоянии , чтобы уравновесить рамку. Условие равновесия рычага в этом случае можно записать так:

P1 l1=P(l- l1 ) (1)

P1 –вес рамки; l- половина длины линейки;

Р-вес линейки; l1-плечо силы Р1.

3. Снизу поднесем под рамку кювету с водой до тех пор, пока рамка ни прилипнет к воде.

4. Уравновесим рычаг с помощью движения его на ребре пилки.

Условие равновесия рычага в этом случае можно записать так:

P1 l2 + F l2= P(l- l2 ) (2)

F-сила поверхностного натяжения; l2- плечо сил Р1, F.

Из формул(1),(2) следует:

F=(P+P1) (l1-l2 )/l2

Коэффициент поверхностного натяжения

σ = F : (2p), где р- периметр рамки.

P=mg, где m- масса линейки ;

P1=m 1g , где m1- масcа рамки; массы измеряются с помощью весов.

m=19,8 г=19,8∙10-3кг m1=6,7 г=6,7∙10-3кг

Результаты опыта:

l1,м l2 ,м P1,Н Р,Н F,Н σ,Н/м

0,1870 0,1650 0,0670Н 0,1980 0,0353 0,0735

Вывод: полученный результат хорошо согласуется с табличным значением: σ=0,0730 Н/м

3. 3. Исследование поверхностного натяжения некоторых жидкостей.

Название жидкости Коэффициент поверхностного натяжения, мН/м Табличное значение коэффициента поверхностного натяжения, мН/м (если есть )

Спирт этиловый 24 22

Бензин 25 21

Керосин 26 24

Оливковое масло 30 32

Молоко (1,5%) 50

Молоко (2,5%) 46

Молоко (коровье домашнее) 41

Раствор порошка «МИФ» 31

Раствор порошка Е 34

Раствор порошка 35

Моющее средство Fairy 46

Моющее средство Dish drops 53

Кухонный бальзам для мытья посуды 56

Вывод: из исследованных кухонных моющих средств при всех остальных одинаковых параметрах, влияющих на качество «отмывания», лучше использовать средство Fairy; из исследованных стиральных порошков – «МИФ», т. к. именно их растворы обладают наименьшим поверхностным натяжением.

Следовательно, первое средство лучше помогает смывать нерастворимые в воде жиры с посуды, являясь хорошим эмульгатором- средством, облегчающим получение эмульсий- взвесий мельчайших частиц жидкого вещества в воде; второе лучше отстирывает белье, проникая в поры между волокнами тканей. Заметим, что при использовании кухонных моющих средств, мы заставляем вещество ( в частности, жир) хотя бы на некоторое время раствориться в воде, т. к. происходит «дробление» его на мельчайшие частицы. За это время рекомендуем смыть нанесенное моющее средство струей чистой воды, а не ополаскивать посуду через какое-то время в емкости.

Кроме этого мы исследовали поверхностное натяжение шампуней и гелей для душа. Из-за достаточно высокой вязкости этих жидкостей сложно точно определить коэффициент поверхностного натяжения их, но сравнить коэффициенты поверхностного натяжения несложно. Были исследованы ( методом отрыва капель) следующие виды шампуней и гелей:

1/Шампунь Яичный

2/. Шампунь Schauma

3/Шампунь Timotei

1/Гель для душа Монпансье

2/Гель для душа WILD Rain

3/Гель для душа Senses.

Выводы:

1/. Все три вида шампуня расположены в порядке уменьшения поверхностного натяжения; все три вида гелей расположены в порядке уменьшения поверхностного натяжения. 2/. Поверхностное натяжение шампуней меньше поверхностного натяжения гелей для душа ( например, σ(Timotei) <σ(Senses) на65 мН/м ), это оправдывает их назначение: шампуни- для мытья волос, гели – для мытья тела.

3/При всех остальных одинаковых характеристиках, влияющих на качество мытья, из исследованных шампуней лучше использовать Timotei; из исследованных гелей для душа- Senses.

4. Смачивание и капиллярность.

4. 1. Явления смачивания и не смачивания.

а/. В тех случаях, когда молекулы жидкости притягиваются к молекулам твердого тела сильнее, чем друг к другу, говорят, что жидкость смачивает твердое тело. Вода смачивает стекло, дерево, хлопок, кожу и растекается по этим материалам, стараясь как можно больше увеличить поверхность соприкосновения. Вода растекается по стеклу.

Капля воды на стекле б/. Если опустить на поверхность воды покрытую жиром стеклянную пластинку, то вода на пластинке соберется крупными каплями и будет легко стекать. Это значит, что сила притяжения между молекулами воды больше, чем между молекулами воды и жира. В этом случае говорят о явлении не смачивания.

Капли воды на воске в/ относительность смачивания.

Смачивание и не смачивание- понятия относительные: жидкости, смачивающие одни поверхности, не смачивают другие. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

4. 2. Капиллярные явления.

Смачивание или не смачивание жидкостью стенок сосуда, в который она налита, влияет на форму свободной поверхности жидкости.

От формы поверхности жидкости зависит величина внутреннего( молекулярного ) давления жидкости. Пусть три одинаковые молекулы М находятся на одной и той же глубине под вогнутой, горизонтальной, выпуклой поверхностями жидкости Молекулы, находящиеся ниже уровня CD, взаимодействуя с молекулой М , стремятся втянуть ее в глубину жидкости, а молекулы, находящиеся выше уровня АВ, тянут ее кверху. Очевидно, что под вогнутой поверхностью находится больше молекул, а под выпуклой меньше, чем под плоской. Значит, давление под вогнутой поверхностью меньше, а под выпуклой больше, чем под плоской. Это можно представить себе так, что под вогнутым мениском жидкости создается добавочное давление, направленное вверх, а под выпуклым мениском- добавочное давление, направленное вниз.

Мениск жидкости в узкой капиллярной трубке имеет форму полусферы, вследствие чего в трубке создается давление, называемое капиллярным. Если жидкость не смачивающая, то ее мениск выпуклый, и капиллярное давление направлено вниз; жидкость в капилляре находится под большим давлением, чем атмосферное, и ее уровень в капилляре ниже, чем в сообщающемся широком сосуде. Если жидкость смачивающая, то ее мениск вогнутый, капиллярное давление направлено вверх; жидкость в капилляре находится под меньшим давлением, чем атмосферное, и ее уровень в капилляре выше, чем в сообщающемся широком сосуде.

Капилляры- узкие цилиндрические трубки.

Для выпуклого мениска р=р0 +∆ р

Для вогнутого мениска р=р -∆р

Сила поверхностного натяжения, действующая вдоль всей границы жидкость-капилляр, определяется так:

F=σ∙l=σ∙2πR , эта сила и вызывает дополнительное давление

∆р=F S=(2πRσ) :(π R2 )=2σ:R

Так как радиус капилляра мал, то добавочное давление велико. Высоту поднятия (или опускания) жидкости в капилляре можно рассчитать по формуле:

ρgh= 2 σ: R; h=2σ/(ρgR) *

Из формулы видно, что чем тоньше капилляр, тем выше поднимается в нем смачивающая жидкость; это полностью согласуется с опытом. На фотографии видна разная высота подъема подкрашенной марганцовкой воды в капиллярах разного диаметра.

Высота подъема жидкости в капиллярах разного диаметра.

4. 3. Измерение коэффициента поверхностного натяжения: а/методом капилляров; б/методом 2-х параллельных пластин.

1. Опыт. Метод капилляров.

Оборудование: капилляр диаметром 4 мм, сосуд с водой, линейка(лучше штангенциркуль).

1. Измеряем высоту подъема воды в капилляре.

2. Вычисляем коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле σ=ρgRh/2

Результаты измерений: h=7,5мм=7,5 ∙10 -3м g=9,81 м/с2

ρ=1000кг/м3

R=2мм=2 ∙10 -3 м

σ =1000 ∙9,81∙ 2 ∙10 -3 ∙7,5 ∙10 -3 :2=73,575 ∙10-3 (Н/м)

2. Опыт. Метод 2-х параллельных пластин.

Оборудование: 2 стеклянные пластины, сосуд с водой, линейка.

1. Устанавливаем стеклянные пластины параллельно друг другу на очень малом расстоянии и закрепляем их в штатив.

2. Опускаем их в сосуд с водой. Вода между пластинами поднимается , как в капилляре, до тех пор, пока ее столб ни уравновесит силу поверхностного натяжения, действующую по линии 2l, где l-длина каждой пластины. Жидкость поднимается на высоту, в 2 раза меньшую, чем в капилляре диаметром d.

Значит, коэффициент поверхностного натяжения можно найти по формуле:

σ=ρgdh/2.

Результаты измерений: l=2 ∙10-3 м d=2 ∙10 -3м h=7 ∙10-3м ∙σ = 1000∙ 9,81 ∙2 ∙10 -3 ∙ 7 ∙10-3 :2=68,67 (Н/м)

Вывод из опытов:в работе коэффициент поверхностного натяжения воды измерялся разными способами 3 раза. Сравнение полученных опытных данных с данными , взятыми из таблицы значений коэффициентов поверхностного натяжения для разных жидкостей показывает, что наши значения хорошо соответствуют табличным.

Значение коэффициента поверхностного натяжения воды по таблице σ , Результаты измерений σ , 10-3Н/м

10-3Н/м

73 73,575

4. 4. Измерение среднего диаметра капилляров некоторых материалов.

Оборудование и средства измерения: сосуд с подкрашенной водой, полоски тканей от махрового полотенца и от вафельного полотенца , полоска хлопчатобумажной ткани размерами 10мм*200мм, линейка измерительная.

Теоретическое обоснование.

Смачивающая жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъем жидкости в капилляре происходит до тех пор. Пока результирующая сила, действующая на жидкость вверх, ни уравновесится силой тяжести столба жидкости высотой h:

F=mg. (1)

По третьему закону Ньютона: сила, действующая на жидкость вверх. Равна силе поверхностного натяжения, действующей на стенку капилляра по линии соприкосновения ее с жидкостью Fпов.

Таким образом, при равновесии жидкости в капилляре Fпов. =mg.

Будем считать. Что мениск имеет форму полусферы, радиус которой r равен радиусу капилляра. Длина контура, ограничивающего поверхность жидкости, равна длине окружности: l=2π r, тогда сила поверхностного натяжения равна

F=σ 2π r (2), где σ-поверхностное натяжение жидкости.

Масса столба жидкости объемом

V=π r2 h равна m=ρ V= ρ πr2 h (3).

Подставим выражение (2) и (3) в условие равновесия жидкости в капилляре(1), получим6

σ 2π r = ρ πr2 h g, отсюда находим диаметр капилляра d=2r=4σ/ (ρgh ).

Выполнение работы:

1. Закрепляем в штатив три полоски ткани из разных материалов.

2. Снизу подносим широкий сосуд с подкрашенной водой ( вода подкрашивается акварельной краской), опускаем одновременно в нее полоски ткани и наблюдаем поднятие воды в полосках.

3. Как только поднятие воды прекращается.

Результаты опытов:

№2. ( другие полотенца)

Вид ткани Высота поднятия жидкости, мм Диаметр капилляра, мм от вафельного полотенца 210 0,18

от махрового полотенца 165 0,14

Диаметр капилляров материала вафельного полотенца меньше, чем диаметр капилляров материала хлопчатобумажной ткани, меньше диаметра капилляров материала махрового полотенца. Чем меньше диаметр капилляра ткани, тем выше поднимается в нем вода, т. е. тем больше проявляется явление смачивания. Опыты показывают, что лучше пользоваться вафельными полотенцами после водных процедур: они лучше впитывают жидкость. Очевидно, что диаметры капилляров ваты, марли, ткани памперсов и т. п. еще меньше, учитывая назначение этих материалов.

5. Смачивание и капиллярные явления в быту, природе, технике.

Капиллярные явления ( были открыты Леонардо да Винчи в 15в. ) играют большую роль в природе и технике. Так, подъем питательного раствора по стеблю или стволу растений в значительной мере обусловлен явлением капиллярности: раствор поднимается по тонким капиллярным трубкам, образованным стенками растительных клеток.

Опыт 1.

Возьмем 2 стебля от цветка бегонии, 1 поставим в стакан с чистой водой, 2-й поставим в стакан с водой, подкрашенной марганцовкой. Понаблюдаем за стеблями в течение 3-х дней. Постепенно 2-й стебель будет принимать розовую окраску. Вода поднимается по капиллярам стебля.

Большинство животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма.

Площадь поперечного сечения аорты, например, 8 кв. см. , а общая площадь сечения всех капилляров 3200 кв. см. , то есть в 400 раз больше площади аорты. Соответственно падает скорость кровотока от 20см/с в начале аорты до0,5мм/с в капилляре.

Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5мм; в теле взрослого человека до 160млрд. капилляров, общая длина их 60-80 тыс. км. , через каждый кв. мм поперечного сечения сердечной мышцы в среднем проходит до 2 тыс. капилляров.

Роль поверхностных явлений в жизни животного мира очень разнообразна. Например, поверхностная пленка воды используется многими насекомыми в качестве опоры при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду конечными члениками широко расставленных лапок; лапка, покрытая налетом, не смачивается водой, поверхностный слой прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным же образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, а перпендикулярно. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхности воды с помощью особых не смачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приемом пользуются личинки комаров.

Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключенный между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает ее «запас плавучести», действуя подобно спасательному кругу.

Воскообразный налет на листьях растений препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений; наличием того же воскового налета объясняется водонепроницаемость сена в стогу, например.

По капиллярам почвы поднимается вода из глубинных слоев в поверхностные. Уменьшая диаметр почвенных капилляров путем уплотнения почвы, можно усилить приток воды к поверхности почвы, т. е. к зоне испарения и этим ускорить высушивание почвы. И , наоборот, разрыхляя поверхность почвы и разрушая тем самым капилляры, можно задержать приток воды к зоне испарения и замедлить высушивание почвы. Именно на этом основаны агротехнические приемы регулирования водного режима почвы- прикатка и боронование.

По капиллярным каналам в стенках зданий поднимается грунтовая вода( в отсутствии гидроизоляции), поэтому при строительстве зданий фундаменты их необходимо изолировать от кирпичных стен материалом, в котором нет капилляров( рубероидом, например), чтобы стены не отсыревали и не плесневели. Применение шпатлевок, грунтовок, олифы основано на том, чтобы закупорить капилляры покрываемого изделия, тем самым сэкономить дорогостоящие красящие материалы, которыми впоследствии покрывается изделие.

По капиллярам фитиля поднимаются смазочные средства (фитильная смазка, горючая смесь в свечах и лампах). На явлении капиллярности основано использование промокательной бумаги, памперсов для детей, ваты, бинта и т. д.

На свойстве не смачивающихся водой (гидрофобных) веществ прилипать в воде к пузырькам воздуха и вместе с ними всплывать на поверхность основан метод обогащения полезных ископаемых, главным образом руд цветных металлов- флотация.