Реферат: Поверхностное натяжение

Муниципальное образовательноеучреждение

«Средняя общеобразовательная школа №24 с углубленным изучением предметов художественно-эстетического направления»

Школьная научно-практическаяконференция

Реферат на тему: «Роль силповерхностного натяжения в физике»

Выполнил:

Онохин Дмитрий Алексеевич, ученик 10«А» класса, МОУ «СОШ № 24 с углубленным изучением предметов художественно-эстетическогонаправления».

Научный руководитель:

Вольхин Николай Иванович, учитель физики, МОУ«СОШ № 24 с углубленным изучением предметов художественно-эстетическогонаправления».

г. Архангельск, 2009

Оглавление

Введение

Метод пузырька

Метод проволочной

Метод капли

Опыт «Пробирка»

Опыт «Плато»

Роль поверхностного натяжения в жизни

Заключение

Библиография

Приложения

Введение.

Такие силы, как тяготение, упругость и трение,бросаются в глаза; мы ощущаем их непосредственно каждый день. Но в окружающемнас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно необращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогдане вызывают мощных эффектов. Она даже в последнее время исключена из программприемных экзаменов для поступающих в вузы. Тем не менее мы не можем налить водыв стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того,чтобы не привести в действие силы, о которых у нас сейчас пойдет речь. Это силыповерхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения – это сила,обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная покасательной к ее поверхности.

Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому,что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. Приконтакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующуюминимуму ее поверхностной энергии.

Понятие «поверхностное натяжение» впервые ввел Я. Сегнер(1752 год).

К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мынастолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльныхпузырей. Однако в природе и нашей жизни они играют немалую роль.

Существует достаточно много различных методовопределения поверхностного натяжения: метод капель, метод проволочной рамки,метод кольца, метод капиллярных волн, метод капли и пузырька и др. Методпроволочной рамки и метод кольца применяются для грубых измеренийповерхностного натяжения.

1. Метод пузырька.

«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можетезаниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него урокифизики», – писал великий английский физик лорд Кельвин.

В частности, мыльная пленка является прекраснымобъектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практическироли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенноничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодарякоторым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимальновозможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело вструктуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активнымивеществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: одинконец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтомумыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор какбы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекулповерхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.

Вернемся к мыльным пузырям. Наверное, каждомудоводилось не только наблюдать эти удивительно красивые творения, но и пускатьих. Они сферичны по форме и долго могут свободно парить в воздухе. Давлениевнутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловленотем обстоятельством, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить своюповерхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем чем меньше его радиус, тембольшим оказывается избыточное давление внутри пузыря.

Свободная поверхность жидкости стремится сократиться.Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки.Примером такого состояния могут служить мыльные пленки, подобные тем, которыевы получили в детстве, выдувая мыльные пузыри. Так как толщина мыльных пленокочень мала, жидкость в пленке можно рассматривать как два поверхностных слоя,не учитывая влияния молекул, находящихся между слоями. Получив мыльный пузырьот трубки, с помощью которой он был получен. Вы заметите, что пузырьуменьшается. Это свидетельствует о сокращении поверхности мыльной пленки.

2. Метод проволочной рамки.

Возьмите проволочный четырехугольный каркас исоедините его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркасв мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльнойпленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить приметформу дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленкисокращается.

Свойство поверхности жидкости сокращается можноистолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Этисилы называют силами поверхностного натяжения.

С помощью описанного ниже опыта можно найти способизмерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную водупроволочный каркас, вынув его из воды, легко заметить, что верхняя частькаркаса (до упора) затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторонуэтой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону отпустить, топленка сократится.

Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собойтонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности.

Поверхностное натяжение измеряется силой, с которойповерхностный слой действует на единицу длины того или иного контура насвободной поверхности жидкости по касательной к этой поверхности. ВМеждународной системе единиц эта величина измеряется в ньютонах на метр (1 Н/м).

3. Метод капли./>

Проще всего уловить характер сил поверхностногонатяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана.Пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения(поверхностный слой выполняет роль своеобразного мешочка). Чем больше капля,тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Всмотритесьвнимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, и капляотрывается.

Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее весстановится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующихвдоль окружности шейки капли. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе,что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается,когда вес превысит его прочность.

В действительности, конечно, ничего, кроме воды, вкапле нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичнаяпленка.

А видели вы когда-нибудь очень большие капли?

В обычных условиях таких капель нет. И это не случайно– капли большого диаметра неустойчивы и разрываются на маленькие.

4. Опыт «Пробирка».

Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждаетизвестное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает формусосуда, в который она налита. Возьмем пробирку, наполненную водой. Перевернемна книгу или открытку и будем постепенно вытаскивать открытку. Ни одна капля непролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав «горку». Все системыстремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжениястремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости. Из всехгеометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Такчто собственная форма жидкости – шар. Большое количество жидкости не можетсохранить шарообразную форму; она изменяется под действием силы тяжести. Еслиустранить действие силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкостьпримет форму шара.

5. Опыт «Плато»

Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплюжидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда иобразовавшийся масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлетапо молекулам удерживает сила поверхностного натяжения. Устранить действие силытяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался всередине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато, свой метод Платоприменил для исследования различных явлений.

6. Роль поверхностного натяжения в жизни.

Роль поверхностного натяжения в жизни оченьразнообразна. Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленкапрогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могутбыстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.

Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожноналитой в достаточно частое решето. Так что можно «носить воду в решете». Этопоказывает, как трудно порой, даже при желании, сказать настоящую бессмыслицу.Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностноенатяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и потому она непромокает насквозь мгновенно.

В своем стремлении сократиться поверхностная пленкапридавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньшекапелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными(тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. Присвободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые каплипочти строго шарообразны. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-запреломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь каплисферическими, не было бы, как показывает теория, и радуги.

Существуют целые виды насекомых мелких ипаукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения:

1. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля«сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть внее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить.

2. Наиболее известны водомерки, которые опираются наводу кончиками лап. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом.Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силыповерхностного натяжения водомерка остается на поверхности.

- Без этих сил мыне могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил изчернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожниввесь свой резервуар;

- Нельзя было бынамылить руки: пена не образовалась бы;

- Нарушился быводный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений;

- Пострадали быважные 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 свойствомпритягивать друг друга или индивидуумы по своей воле устремляются друг к другу,то результат будет один: они соберутся в ком, подобный пчелиному рою. Каждыйиндивидуум «стремится» внутрь этого кома, в результате чего поверхность комасокращается, приближаясь к сфере. Перед вами модель возникновенияповерхностного натяжения.

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

Здесь обнаруживается, что происхождение поверхностныхсил совсем иное, чем упругих сил растянутой резиновой пленки. И этодействительно так. При сокращении резины упругая сила ослабевает, а силыповерхностного натяжения никак не меняются по мере сокращения поверхностипленки, так как среднее расстояние между молекулами не меняется.

Таким образом, возникновение поверхностных сил нельзяобъяснить столь просто и наглядно, как сил упругости, где все связано сизменением расстояний между молекулами. Здесь все сложнее, ибо силыповерхностного натяжения проявляются при сложной перестройке формы всейжидкости без изменения ее объема.

Рассмотрены методы и технические средства сбора нефтепродуктов споверхности воды. На основе анализа, в том числе и теоретического, с учетомзарубежного опыта обоснован приоритет метода сбора нефти с поверхностинебольших акваторий за счет сил поверхностного натяжения, а при аварийныхразливах – приоритет метода центробежной сепарации в поле слабых сил.

Нефть и ее продукты в водах поверхностного стока могутнаходиться в двух состояниях. Первое состояние – эмульсионное, когда двухфазнаяжидкость представляет собой неоднородную систему, которая состоит из капельводы, распределенных между молекулами нефти или ее продуктов. Размер частиц вэмульсиях составляет<sub/>10-7 – 10-5 м.Второе состояние – стратифицированная жидкость, независимо от толщины нефти илиее продуктов на поверхности воды.

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

- сепарация в полебольших центробежных сил. Метод реализуется на центрифугах и характеризуетсявозможностью обработки лишь небольших объемов воды и высокими энергозатратами,что не позволяет использовать его при очистке вод поверхностного стока;

- фильтрование, какна напорных, так и на безнапорных фильтрах.

7. Заключение:

В первой половине XIXвека на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическаятеория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуасети, К. Гаусс, А. Ю. Давидов).

В XX веке разрабатывались методырегулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярныхэффектов (И. Ленгмнор, П. А. Ребиндер,А. Н. Фрумкин).

В настоящее время существует актуальная проблема — развитие молекулярнойтеории поверхностного натяжения, влияние кривизны поверхности на поверхностноенатяжение.

Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости вприроде и технике. Поверхностное натяжение играет важную роль не только вфизиологии нашего организма и нас самих, но и в жизни насекомых.

Пузырь и капля.

Пуская из тростинки пузыри

И видя, как взлетающая пена

Вдруг расцветает пламенем зари,

Малыш на них глядит самозабвенно.

Старик, студент, малыш – любой творит

Из пены майи дивные виденья,

По существу лишенные значенья.

Но через них нам вечный путь открыт,

А он, открывшись, радостней горит.

Герман Гессе. «Игра в бисер».

Библиография