На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Роль сил поверхностного натяжения в физике

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 16.10.2012. Сдан: 2012. Страниц: 8. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Роль  сил поверхностного натяжения в физике

 
 
Оглавление  

    Введение
    Природа поверхностного натяжения в жидкости
      Поверхностная энергия
      Правило «вовремя удивляться»
      Мыльные пленки
      Смачивание
      Капиллярные явления
    Роль поверхностного натяжения в жизни
    Заключение
 
Список источников 

Приложение 1
Приложение 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Для изучения физического явления не обязательно  пользоваться дорогими и сложными приборами. Физика скрывается не только в блестящих  приборах, но и в самой жизни, всюду  вокруг нас. Надо только уметь увидеть  её.
Сама природа  насыщена физическими задачами всех степеней сложности. Человек, сведущий в физических понятиях и законах, может легко найти проявления тех везде, куда посмотрит. Надо «всего лишь» научиться смотреть и видеть, слушать и слышать, читать и понимать!
     Такие силы, как тяготение, упругость и  трение, бросаются в глаза; мы ощущаем  их непосредственно каждый день. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных 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 у нас сейчас пойдет речь. Это силы поверхностного натяжения.
     Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкостей в природе  и технике. Оно собирает воду в  капли, благодаря ему мы можем выдуть мыльный пузырь и писать ручкой. Поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма. Его используют в космической технике. Почему же поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой упругой пленке?
     Разобраться в этом и является целью этой работы.
     Для наиболее полного исследования было изучено достаточно большое количество источников, в том числе и ресурсов сети Интернет. В процессе работы проводились  опыты, демонстрирующие действие сил  поверхностного натяжения жидкостей. Некоторые опыты были сняты на видео, обработаны с помощью компьютерной программы Windows Movie Maker и продемонстрированы одноклассникам. В процессе исследования неоднократно делались сообщения по наиболее интересным моментам для одноклассников и учеников параллельных классов.
     Таким образом, результатами работы стало:
    Изучение природы поверхностного натяжения жидкостей;
    Выявление роли поверхностного натяжения в природе и в жизни человека;
    Подборка интересных опытов, демонстрирующих действие сил поверхностного  натяжения жидкостей (Приложение 1);
    Создание интерактивного теста на знание темы «Поверхностное натяжение» в виде Web-странички (Приложение 2);
    Привлечение интереса одноклассников и учеников параллельных классов к изучению физики.
 
 
 
     Природа поверхностного натяжения  в жидкости 

     Все вещества состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами.  
Если молекулы находятся близко друг к другу, они притягиваются. В твердом веществе притяжение настолько велико, что молекулы «сцеплены» все вместе и нужна изрядная сила, чтобы оторвать их друг от друга и таким образом отделить кусок вещества.

     В жидкости притяжение не так велико, но оно существует и вполне ощутимо. В этом легко убедиться, опустив  в воду карандаш, а затем вынув  его. На кончике карандаша окажется капля воды, которая как бы прилипла к дереву и ведет себя вопреки закону тяготения. Кажется, будто неведомая сила притягивает каплю к карандашу.
     Поднесем  карандаш к листку вощеной бумаги и стряхнем каплю на листок. Обратите внимание на то, какую точную окружность образует на вощенке наружная граница капли. Интересно также, что в центре капли вода чуть приподнимается над бумагой этаким маленьким горбиком.  
Совершенно очевидно, что внутри водяной капли существует какая-то сила притяжения, стягивающая все молекулы капли в единое целое. Сила, с которой молекулы притягиваются друг к другу, и придает капле округлую форму, ибо сила эта стягивает все молекулы на внешней поверхности как можно ближе к центру капли. Эта сила называется поверхностным натяжением. Она заставляет расположенные на поверхности жидкости молекулы плотнее прижиматься к внутренним молекулам. Таким образом, поверхность действует как пленка, которая стягивает всю массу капли в одно целое.

     Скрепка держится на поверхности воды вовсе  не с помощью выталкивающей силы, как держится, например, спасательный круг. Она не идет на дно только потому, что вес ее не позволяет ей прорваться сквозь поверхностную пленку, созданную  притяжением между молекулами воды.
     Пузырьки  в жидкости образуются тоже благодаря  поверхностному натяжению. Чтобы понять, как это получается, попробуем сами образовать пузырьки, пустив сильную струю из крана прямо в воду в ванне. Там, где вода вспенивается, возникают пузырьки. Однако они очень недолговечны и тут же лопаются. Стоит закрыть кран — и уже через несколько секунд пузырьки исчезают.
     Когда вода льется из крана, она смешивается  с воздухом и часть его уносит с собой. Потом она смешивается  с водой, уже налитой в ванну, неся с собой воздушные пузырьки-глобулы. Эти глобулы тотчас оказываются  под поверхностью воды, а падающая сверху струя отталкивает их во все  стороны. Постепенно пузырьки поднимаются  к поверхности неподалеку от того места, где падает струя.  
Поднимаясь, каждый из них натягивает поверхностную пленку, но не может ее разорвать из-за поверхностного натяжения. Вот так и образуются воздушные глобулы, покрытые тонкой пленкой молекул воды.
 
 

Поверхностная энергия 

     Первый  взгляд  на воду, налитую в стакан, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в  который она налита. Поверхность  жидкости не зависит от формы сосуда; она представляет собой гладкую, как зеркало, плоскость. Впрочем, это  не совсем так. Форма поверхности  жидкости есть форма, концентричная  поверхности земного шара. Правда, чтобы подметить это, надо было бы иметь «стакан» слишком больших размеров. В обычных чашках поверхность налитой жидкости можно принимать за горизонтальную плоскость. Однако и здесь требуется поправка. Приглядитесь внимательнее, и вы заметите, что у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму. Это – следствие поверхностного натяжения, причину которого мы скоро выясним.
Итак, наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности.  Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
  Любое реальное тело обладает поверхностью, которая  отделяет его от других тел. Это может  быть граница раздела двух несмешивающихся  жидкостей, стенки сосуда, поверхности  соприкосновения твердых тел  и т.п. Свободная поверхность жидкости или твердого тела является, по сути дела, границей раздела их с газообразной средой, в частности с парами или  воздухом. Поэтому следует говорить не просто о поверхностях тел, а о  поверхностях раздела двух сред или  фаз. Наличие таких поверхностей приводит к возникновению явлений  особого рода, называемых обычно поверхностными или капиллярными явлениями. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи поверхностей раздела.
    Молекулы, расположенные в тонком слое жидкости вблизи поверхности, находятся  в особых условиях. Она имеют одинаковых с ними соседей только с одной  стороны поверхности, в отличие  от молекул внутри жидкости, окруженных со всех сторон такими же молекулами. Поэтому  результирующая сила, действующая на молекулу в поверхностном слое, отлична  от нуля. При перемещении молекулы с поверхности в объем жидкости совершается положительная работа. Это означает, что молекулы в поверхностном  слое обладают избыточной потенциальной  энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Разумеется, молекулы жидкости находятся в непрерывном тепловом движении – одни молекулы уходят с поверхности, другие, наоборот, попадают на нее. Но можно говорить о средней добавочной энергии поверхностного слоя жидкости – о поверхностной энергии, пропорциональной площади поверхности жидкости.
  Для извлечения молекул из внутренних частей жидкости на ее поверхность требуется совершить  работу. При этом размещение молекулы в поверхностном слое увеличивает  поверхность жидкости на конечную величину. Работа А, затрачиваемая в таком процессе пропорциональна DS и записывается в виде:
  А = sDS.
Коэффициент пропорциональности s представляет собой основную характеристику поверхности раздела, зависящую от природы сред и их теплового состояния. Называют его коэффициентом поверхностного натяжения.
Таким образом, коэффициент  поверхностного натяжения  равен работе, необходимой  для увеличения площади  поверхности жидкости при постоянной температуре  на единицу.
В СИ коэффициент  поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).
  Говоря  о величине s, необходимо всегда указывать, к каким средам она относится. Работа служит мерой изменения энергии, в данном случае потенциальной, поскольку связана со взаимным расположением взаимодействующих молекул.   

     Коэффициенты  поверхностного натяжения некоторых  жидкостей:
Жидкость температура Поверхностное натяжение Н/М
Вода Раствор мыла в воде
Спирт
Эфир
Ртуть
Золото
Жидкий  водород
Жидкий  гелий
     20      20
     20
     25
     20
     1130
     -253
     -269
     0,0725      0,040
     0,022
     0,017
     0,470
     1,102
     0,0021
     0,00012
 
  Из механики известно, что силы действуют так, чтобы привести систему в состояние  с наименьшей потенциальной энергией. И силы поверхностного натяжения  действуют так, чтобы энергия  поверхностного натяжения принимала  наименьшее возможное значение. Поэтому  поверхность раздела сред стремится  уменьшиться. «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 вполне точным. Собственная форма жидкости – шар. Из всех других геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Шар – наиболее емкая форма. 
 
 

Формула Лапласа     
 Рассмотрим  тонкую жидкую плёнку, толщиной  которой можно пренебречь. Стремясь  минимизировать свою свободную  энергию, плёнка создаёт разность  давления с разных сторон. Этим  объясняется существование мыльных  пузырей: плёнка сжимается до  тех пор, пока давление внутри  пузыря не будет превышать  атмосферное на величину добавочного  давления плёнки. Добавочное давление  в точке поверхности зависит  от средней кривизны в этой  точке и даётся формулой Лапласа: 
     
 Здесь R1,2 — радиусы главных кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный знак — если по разную торону. Например, для сферы центры кривизны в любой точке поверхности совпадают с центром сферы, поэтому R1 = R2 = R
     
 
Способы определения      
 Способы определения  поверхностного натяжения делятся  на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов (например, в случае концентрированных растворов полимеров с высокой вязкостью). Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения.
Статические методы:
    Метод поднятия в капилляре
    Метод Вильгельми
    Метод лежачей капли
    Метод определения по форме висячей капли.
    Метод вращающейся капли
Динамические  методы:
    Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).
    Сталагмометрический, или метод счета капель.
    Метод максимального давления пузырька.
    Метод осциллирующей струи
    Метод стоячих волн
 
  Метод вращающейся капли
Сущностью метода является измерение диаметра капли  жидкости, вращающейся в более  тяжелой жидкости. Этот способ измерения  годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения. Он широко применяется для  микроэмульсий, измерения эффективности ПАВ в нефтедобыче, а также для определения адсорбционных свойств.
  Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца)
Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей  его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано  в поверхностную энергию. Метод  подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.
Для быстрого и  качественного определения поверхностного натяжения жидкостей используется тензиометр. Он успешно применяется для исследования эффективности эмульгаторов, мыл и поверхностно-активных веществ, для определения присутствия процессов окисления и полимеризации жиров, органических и синтетических топлив и масел и т.п.
Цифровой тензиометр имеет очень простое управление, надежен и гибок в применении. Пробу наливают в стеклянный цилиндрический сосуд, который, в свою очередь, помещают на столик тензиометра. Столик вручную  поднимают до уровня кольца/пластины и производят измерение. Данные, полученные с помощью метода отрыва кольца и  метода пластины, отражаются на ЖК экране, они также могут быть выведены на принтер или компьютер.  
 

Правило «вовремя удивляться» 

     Итак, естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него. Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда “теряет” свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует – и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму.
      Устранить действие силы тяжести при  изучении поверхностного натяжения  жидкостей впервые догадался  в середине прошлого века бельгийский  ученый Ж. Плато. Разумеется, в то время  и не мечтали о настоящей невесомости, и Плато просто предложил уравновесить силу тяжести архимедовой выталкивающей силой. Он поместил исследуемую жидкость (масло) в раствор, обладающей такой же плотностью, и, как пишет его биограф, «с удивлением увидел, что масло приняло сферическую форму; он тот час же применил свое правило «вовремя удивляться», и это явление послужило затем для него предметом долгих размышлений».
     В 1849 году под руководством Плато был  проделан следующий опыт.
      В масляный шар внести на проволоке  небольшой диск и вращать проволоку  между пальцами. Под влиянием вращения шар начинает сначала сплющиваться, а затем через несколько секунд отделяет от себя кольцо, подобное кольцу Сатурна. Разрываясь на части, кольцо это образует не бесформенные куски, а новые шарообразные капли, которые продолжают кружиться около центрального шара.
      Похожий опыт можно произвести в ином виде. Маленький стакан споласкивают водой, наполняют прованским маслом и ставят на дно большого стакана; в последний наливают осторожно столько спирта, чтобы маленький стакан был весь в него погружен. Затем по стенке большого стакана из ложечки осторожно доливают понемногу воду. Поверхность масла в маленьком стакане становится выпуклой; выпуклость постепенно возрастает и при достаточном количестве подлитой воды поднимается из стакана, образуя шар довольно значительных размеров, висящий внутри смеси спирта и воды.
     За  неимением спирта можно проделать  этот опыт с анилином – жидкостью, которая при обыкновенной температуре  тяжелее воды, а при 75 – 85°С легче ее. Нагревая воду, мы можем, следовательно, заставить анилин плавать внутри нее, причем он принимает форму большой шарообразной капли. При комнатной температуре капля анилина уравновешивается в растворе соли.
     Свой  метод Плато применил для исследования различных явлений. Например, он изучил процесс образования и отрыва капли жидкости на конце трубки.
     Обычно, как бы медленно мы ни растили каплю, она отрывается от трубки так быстро, что глаз не может уследить за деталями этого процесса. Плато помещал  конец трубки в жидкость, плотность  которой была только немного меньше плотности капли. Действие силы тяжести  при этом ослаблено, можно вырастить  очень большую каплю и увидеть как она отрывается от трубки. Пока капля растет медленно, можно считать, что в каждый момент времени она находится в равновесии. Тогда при заданном объеме капли ее форма определяется из условия, что сумма поверхностной энергии и потенциальной энергии капли, обусловленной силой тяжести, минимальна. Поверхностное натяжение вызывает сокращение поверхности капли, она стремиться придать капле сферическую форму. Сила тяжести, наоборот, стремится расположить центр тяжести капли как можно ниже. В результате капля оказывается вытянутой. Основная масса по мере роста капли собирается внизу, и у капли образуется шейка. Сила поверхностного натяжения направлена вертикально по касательной к шейке. Она уравновешивает силу тяжести, действующую на каплю. Теперь достаточно капле совсем немного увеличиться, и силы поверхностного натяжения уже не смогут уравновесить силу тяжести. Шейка капли быстро сужается, и в результате капля отрывается. При этом от шейки капли отделяется маленькая капля, которая падает вслед за большой. Вторичная капелька образуется всегда (ее называют шариком Плато), но так как процесс отрыва капли – очень быстрый, обычно мы этой вторичной капельки не замечаем.
     Отрыв капли используют для измерения  величины поверхностного натяжения  жидкостей.. Когда капля еще висит на шейке, сила тяжести уравновешена силами поверхностного натяжения, действующими по периметру поперечного сечения шейки:   mg = 2?r?, где r – радиус самого узкого места шейки, в котором силы поверхностного натяжения направлены вертикально, ? – коэффициент поверхностного натяжения. Масса висящей на шейке капли m практически равна массе отрывающейся капли. Таким образом, можно найти величину поверхностного натяжения жидкости по формуле:
     ? =  
 

Мыльные пленки 

     “Выдуйте  мыльный пузырь, – писал великий  английский ученый Кельвин, – и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь  его изучением, не переставая извлекать  из него уроки физики”. 
Действительно, волшебные переливы красок на поверхности тончайших мыльных пленок дают физику возможность измерить длину световых волн, а исследование натяжения этих нежных пленок помогает изучать законы действия сил между частицами, – тех сил сцепления, при отсутствии которых в мире не существовало бы ничего, кроме тончайшей пыли. 
В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практически роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.

     Вернемся  к мыльным пузырям. Наверное, каждому  доводилось не только наблюдать эти  удивительно красивые творения, но и пускать их. Они сферичны по форме и долго могут свободно парить в воздухе. Давление внутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловлено тем обстоятельством, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить свою поверхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем чем меньше его радиус, тем большим 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, которые вы получили в детстве, выдувая мыльные пузыри. Так как толщина мыльных пленок очень мала, жидкость в пленке можно  рассматривать как два поверхностных  слоя, не учитывая влияния молекул, находящихся между слоями. Получив  мыльный пузырь от трубки, с помощью  которой он был получен, мы заметим, что пузырь уменьшается. Это свидетельствует о сокращении поверхности мыльной пленки.
      Возьмите проволочный каркас и  соедините его противоположные  точки тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркас в мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить примет форму дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается.
     Свойство  поверхности жидкости сокращается  можно истолковать как существование  сил, стремящихся сократить эту  поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.
     С помощью описанного ниже опыта можно  найти способ измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную  воду проволочный каркас, вынув его  из воды, легко заметить, что верхняя  часть каркаса (до упора) затянута мыльной  пленкой. Если потянуть за подвижную  сторону этой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону  отпустить, то пленка сократится.
     Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет  две свободные поверхности.
Коэффициент поверхностного натяжения  ? может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.
Из-за действия сил поверхностного натяжения в  каплях жидкости и внутри мыльных  пузырей возникает избыточное давление ?p. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2?R разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь ?R2 сечения Условие равновесия записывается в виде
?2?R = ?p?R2.
    Отсюда избыточное  давление внутри капли равно

  

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так  как пленка имеет две поверхности:
Смачивание      

 Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкостью при условии, что присутствует третья (обычно, но не обязательно, газовая) фаза, причём происходит одновременный контакт всех этих трёх не смешивающихся фаз. Смачивание ответственно за растекание жидкости по твёрдой поверхности, за форму лежащих на ней капель, за пропитывание порошков и пористых веществ (капиллярные явления) и др.
Смачивание  бывает двух видов:
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.