Výška stoupání kapaliny v kapilárách. Začněte ve vědě Povrchové napětí a smáčení

Text práce je vyvěšen bez obrázků a vzorců.
Plná verze práce je k dispozici v záložce "Soubory práce" ve formátu PDF

Ve svém životě se často setkáváme s věcmi známými a obyčejnými. Kdo z nás nepoužil papírové ubrousky, papírové kapesníky a ručníky, maloval v albu nebo nelepil papír a karton? Proč absorbují vlhkost a dělají to jinak? Na čem to závisí? Tyto otázky mě velmi zajímaly. To vše souvisí s jevy smáčivosti a nesmáčivosti, s kapilárními jevy.

Problém: Co určuje rozdíl v absorpci kapaliny v různých typech papírových výrobků? Nezávisle jsem se rozhodl experimentálně porovnat různé vzorky papírových výrobků na základě kvality absorpce kapalin. To lze určit výpočtem průměru kapilár propichujících papír a výšky kapaliny stoupající těmito kapilárami. Proto jsem si pro svou práci stanovil následující cíl.

Cíl projektu: 1. Úvod do teorie smáčení a nesmáčení, kapilární jevy. 2. Zdůvodnění důvodů pohybu kapaliny kapilárami. 3. Studium kapilárních vlastností různých typů papírových výrobků. 4. Experimentální důkaz závislosti výšky stoupání kapaliny v kapilárách na efektivním průměru kapiláry. 5. Stanovení kvality absorpce kapalin ve vzorcích papírových výrobků.

Cíle projektu: 1. Prostudovat zdroje informací ke zvolenému tématu. 2. Prohloubit znalosti z teorie kapilárních jevů. 3. Proveďte studie kapilárních vlastností různých vzorků papíru, abyste sestavili závislost výšky stoupání kapaliny v kapilárách na vypočteném průměru kapiláry. 4. Zpracujte a analyzujte výsledky získané během experimentu. 5. Prezentujte výsledky ve formě diagramu. 6. Udělejte závěr, který splňuje cíl. 7. Připravte projekt k obhajobě.

Předmět studia: fyzikální zákony a jevy při studiu teorie kapilárních jevů.

Předmět výzkumu: kapilární vlastnosti papíru.

Relevantnost výzkumného tématu je dána pokrokem v poznání teorie kapilárních jevů při nastolení výzkumného problému s upoutáním pozornosti veřejnosti na využití věcí, které známe v našem životě.

Novinka: diagram měření závislosti výšky stoupání kapaliny v kapilárách na vypočteném efektivním průměru kapiláry v různých typech papírových výrobků.

Metody výzkumu: - teoretické (analýza informačních zdrojů); - praktická (pozorování a studium jevu popisujícího výsledek studia); - experimentální (provádění měření, prezentace výsledků měření ve formě tabulky, diagramu).

Povrchové napětí

V životě se často setkáváme s těly, kterými proniká mnoho malých kanálů (papír, příze, kůže, různé stavební materiály, půda, dřevo atd.). Při kontaktu s kapalinami je taková tělesa velmi často absorbují (příloha 1). Podobné jevy lze pozorovat také ve velmi úzkých trubicích zvaných kapiláry (z lat. capillus- vlasy). To, co se stane, se nazývá fenomén kapilarity. Abychom tento jev podrobně prostudovali, uvažujme síly, které jsou základem vzlínání. Samotný termín „povrchové napětí“ znamená, že látka na povrchu je v „napětí“, tedy napjatém stavu, který se vysvětluje působením síly zvané vnitřní tlak. Vtahuje molekuly dovnitř kapaliny ve směru kolmém k jejímu povrchu. Molekuly umístěné ve vnitřních vrstvách látky tedy v průměru zažívají stejnou přitažlivost ve všech směrech od okolních molekul. Molekuly povrchové vrstvy jsou vystaveny nestejné přitažlivosti z vnitřních vrstev látek a ze strany ohraničující povrchovou vrstvu média. Například na rozhraní kapalina-vzduch jsou molekuly kapaliny umístěné v povrchové vrstvě silněji přitahovány sousedními molekulami vnitřních vrstev kapaliny než molekulami vzduchu (Příloha 2). To je důvodem rozdílu mezi vlastnostmi povrchové vrstvy kapaliny a vlastnostmi jejích vnitřních objemů. Vnitřní tlak způsobuje, že molekuly umístěné na povrchu kapaliny jsou vtahovány dovnitř, a tím má tendenci zmenšovat povrch na minimum za daných podmínek. Síla působící na jednotku délky rozhraní, způsobující smrštění povrchu kapaliny, se nazývá síla povrchového napětí nebo jednoduše povrchové napětí. Koeficient je hlavní veličina charakterizující vlastnosti povrchu kapaliny a nazývá se koeficient povrchového napětí.

Povrchové napětí je síla způsobená vzájemným přitahováním molekul kapaliny, směřující tangenciálně k jejímu povrchu. Působení sil povrchového napětí vede k tomu, že kapalina v rovnováze má minimální možný povrch. Při kontaktu kapaliny s jinými tělesy má kapalina povrch odpovídající minimu její povrchové energie. Jsme tak zvyklí na efekty způsobené povrchovým napětím, že si jich nevšimneme, pokud se nebavíme foukáním mýdlových bublin. Povrchové napětí různých kapalin není stejné, závisí na jejich molárním objemu, polaritě molekul, schopnosti molekul tvořit mezi sebou vodíkové vazby atd. Se zvyšující se teplotou povrchové napětí klesá se vzdáleností mezi molekulami kapaliny vzrůst. Povrchové napětí kapaliny je také ovlivněno nečistotami v ní. Látky oslabující povrchové napětí se nazývají tenzidy – ropné produkty, alkoholy, éter, mýdlo atd. Některé látky zvyšují povrchové napětí – soli a cukry, a to díky tomu, že jejich molekuly interagují s molekulami kapaliny silněji než molekuly kapaliny mezi sebou.

Smáčení

Každý ví, že i malá kapka vody se rozlije po čistém povrchu skleněné desky. Přitom se kapka vody na voskovaném talíři, jako na povrchu listů některých rostlin, nerozteče, ale má téměř pravidelný tvar koule. Kapalina, která se šíří v tenké vrstvě po pevném tělese, se nazývá smáčení pevného tělesa. Kapalina, která se neroztéká, ale smršťuje se do kapky, se nazývá nesmáčivé toto těleso (příloha 3). Jak můžeme vysvětlit jevy smáčivosti a nesmáčivosti?

Fenomén smáčivosti a nesmáčivosti

Uvažujme kapku kapaliny na povrchu pevné látky (příloha 4). Čára ohraničující povrch kapky na desce je hranicí povrchů tří těles: kapaliny, pevné látky a plynu. Proto v procesu ustavování rovnováhy kapky kapaliny na rozhraní těchto těles budou působit tři síly: síla povrchového napětí kapaliny na rozhraní s plynem, síla povrchového napětí kapaliny na rozhraní s pevná látka a síla povrchového napětí pevné látky na hranici s plynem. Zda se kapalina rozlije po povrchu pevného tělesa a vytlačí z něj plyn, nebo se naopak shromáždí do kapky, závisí na poměru velikostí těchto sil. Každá kapalina uvolněná působením gravitace nabývá svého přirozeného tvaru – kulového. Při pádu mají kapky deště podobu kuliček, pelety jsou zmrzlé kapky roztaveného olova. Je třeba poznamenat, že právě rychlost změny průměru skvrny tvořené kapkou kapaliny nanesenou na čistý povrch materiálu se používá jako hlavní charakteristika smáčení v kapilárách. Jeho hodnota závisí jak na povrchových jevech, tak na viskozitě kapaliny, její hustotě a těkavosti. Viskóznější kapalině s jinými stejnými vlastnostmi trvá déle, než se rozprostře po povrchu a protéká kapilárním kanálkem pomaleji.

Hodnota smáčení

Víme, že je lepší si mýt ruce teplou vodou a mýdlem. Voda má velmi vysoký koeficient povrchového napětí, což znamená, že studená voda bude špatně mazána.vat la-do-ni. Abychom snížili koeficient povrchové tíhy vody, zvýšíme teplotu vody -ru (se zvýšením teploty vody se účinnost povrchu snižuje -sha-et-sya) a použijeme mýdlo , který obsahuje povrchově aktivní látky, které silně redukují co-ef-fi-tsi-ent na povrchu gravitace vody. Efekty smo-chi-va-niya fungují také při lepení dřeva, pryskyřice, papíru a dalších povrchů a základů na interakci mezi mo-le-ku-la-mi kapalinou a mo-le-ku-la-mi pevné tělo. Jakékoli lepidlo musí v prvé řadě promazat lepicí plochu. S vlastnostmi sm-chi-va-niya souvisí i pájení. Aby se roztavená pájka (slitina cínu a olova) dobře rozprostřela po horní části spa-i-va-e-me- Existuje tolik položek, musíte tyto povrchy pečlivě očistit od mastnoty, prachu a oxidů. Jako příklad nepáchnou v živé přírodě může posloužit peří vodního ptactva. Toto peří je vždy mazáno tukem ze žláz, což vede k tomu, že peří těchto ptáků se nemaže - namočí se do vody a nepromokne (příloha 5).

Kapilární jevy

Působení povrchového napětí a účinky rozmazání se projevuje kapilárními jevy -le-ni-yah - pohyb kapaliny tenkými trubičkami. Kapilární jevy jsou jevy stoupání nebo klesání kapaliny v kapilárách, které spočívá ve schopnosti kapalin měnit hladinu v trubicích malého průměru, úzkých kanálech libovolného tvaru a porézních tělesech.

Kapiláry

Věnujte pozornost tomu, jak je kapalina distribuována v nádobách různé tloušťky: v tenké kih so-su-dah kapalině pod-n-ma-et-sya výše (příloha 6). Všimněme si, že tekutina smo-chi-va-yu-sh-shay bude proudit pod ka-pill-la-ru a nes-chi-va-yu-shchaya klesne -sya (Příloha 7). Je známo, že v případech plného mazání nebo nemazání se menisk - zakřivený povrch kapaliny - objevuje v úzkých trubkách Tvoří polokouli, jejíž průměr se rovná průměru trubky (Příloha 8 ). Podél hranice povrchu kapaliny, která má tvar kruhu, je na kapalinu aplikován efekt ze strany stěn potrubí - působí zde síla povrchového napětí, směřující vzhůru, v případě vlhkou kapalinou a v případě neklidu směrem dolů. Tato síla způsobuje, že kapalina stoupá (nebo klesá) v úzké trubici.

Výška stoupání kapaliny v kapilárách

Kapilární jevy jsou způsobeny dvěma rozdílně nasměrovanými silami: gravitační síla Ft nutí kapalinu padat dolů; Síla povrchového napětí Fn posouvá vodu nahoru. Látka přestane stoupat za předpokladu, že Ft = Fn. Stoupání/spouštění kapaliny podél čepice-pill-la-ru zůstává, když síla na povrchu rovnice -sedí gravitační silou působící na sloupec pod ležící kapaliny (Příloha 9). Výška, do které padá mazací kapalina v kapilární trubici, překonávající gravitaci, se vypočítá pomocí vzorce (3.2.1):

N/m; - hustota kapaliny, kg/m 3 9,8 m/s 2 m; - poloměr kapiláry, m; d - průměr kapiláry, m.

Tvar pro výšku, na kterou klesá kapilára nemazací kapaliny, bude stejný. V ní budou stoupat kapaliny, které smáčejí materiál, ze kterého je kapilára vyrobena (voda/sklo). A naopak: kapaliny, které nesmáčí kapiláru, do ní klesnou (sklo / rtuť). Navíc výška stoupání nebo klesání kapaliny závisí na tloušťce trubice: čím tenčí je kapilára, tím větší je výška stoupání nebo klesání kapaliny. Na výšku má vliv také hustota kapaliny a její koeficient povrchového napětí (Příloha 10). Je důležité, že pokud je kapilára nakloněna k povrchu kapaliny, pak výška stoupání kapaliny nezávisí na úhlu sklonu. Bez ohledu na to, jak jsou kapiláry umístěny ve struktuře (přísně svislé, pod úhlem ke svislici nebo s větvemi), výška stoupání kapaliny bude záviset pouze na ------ a (nebo d ) (Příloha 11).

Úloha kapilárních jevů v přírodě, každodenním životě a technice

Fenomén kapilarity hraje obrovskou roli v široké škále procesů, které nás obklopují. Nejčastějším příkladem kapilárního jevu je princip práce ten-tsa nebo papírový sal-fet-ki. Voda stéká z vašich rukou na hadřík nebo papírový ubrousek kvůli vzlínání tekutiny přes tenká vlákna, z něčeho, co jsou tak silné. Bez kapilárních jevů je existence živých organismů prostě nemožná. Vzestup živiny podél stonku nebo kmene rostliny je způsoben fenoménem vzlínavosti: živný roztok stoupá tenkými kapilárami tvořenými stěnami rostlinných buněk.

Je třeba vzít v úvahu i vzlínavost půdy, protože i do ní proniká mnoho malých kanálků, kterými voda stoupá z hlubokých vrstev půdy na povrch. Včely a motýli extrahují nektar z hlubin květu velmi tenkou kapilární trubicí umístěnou uvnitř včelího proboscis.

Většinu rostlinných a živočišných tkání prostupuje obrovské množství kapilárních cév. Právě v kapilárách probíhají hlavní procesy spojené s výživou a dýcháním těla. Krevní cévy jsou kapiláry, kterými proudí krev. Navíc, čím dále jdou cévy od srdce, tím jsou tenčí.

Stavitelé se musí naučit, jak zvedat vlhkost z půdy přes póry stavebních materiálů. Pokud se to nezohlední, stěny budov budou vlhké. K ochraně základů a stěn před takovými vodami používají hydroizolaci. Palivo a maziva stoupají kapilárami knotu. Top-li-vo se pohybuje po fi-ti-ly díky pohybu po vláknech fi-ti-la, jakoby skrz kapilární trubky. Promoknutí oblečení při dešti, například kalhoty po kolena při procházce loužemi, je také způsobeno kapilárními jevy. Příkladů tohoto přírodního jevu je kolem nás mnoho (příloha 12).

Experiment

"Studium kapilárních vlastností různých vzorků papírových výrobků"

Účel experimentu: dokázat, že výška stoupání kapaliny v kapilárách závisí na průměru kapiláry. Vybavení a materiál: nádoba s vodou, teploměr, odměrné pravítko, tužka, spona, sada vzorků papíru: jednovrstvý papírový kapesník, papírový ubrousek, list sešitu, kancelářský papír, pergamenový papír, papírový ručník, list akvarelu (Příloha 13). Postup práce: 1. Ze sady papírových výrobků jsem připravil vzorky pro výzkum. K tomu jsem nastříhal proužky dlouhé 10 cm a šířka 2 cm a číslované (příloha 14). Ve vzdálenosti 2 cm Nakreslil jsem čáru z jednoho konce vzorku. 2. Vzala nádobu s vodou a spouštěla ​​vzorky do vody jeden po druhém tak, aby se hladina vody shodovala s nakreslenou čarou (příloha 15). 3. Jakmile se zastavilo stoupání vody, vzorek byl odebrán a byla změřena výška stoupání kapaliny od nakreslené čáry do suché oblasti. Tento experiment jsem provedl s každým vzorkem (příloha 16). 4. Získaná data analýzy byla vložena do tabulky (příloha 17). 5. Průměr kapilár každého z těchto vzorků byl stanoven výpočtem. K tomu jsem ze vzorce pro výšku stoupání kapaliny v kapilárách (4.1) vyjádřil vzorec pro zjištění průměru kapiláry (4.2):

kde ------- koeficient nejvyššího napětí, N/m; - hustota kapaliny, kg/m 3 ; - gravitační zrychlení, 9,8 m/s 2 ; - výška sloupce vystouplé kapaliny, m; - poloměr kapiláry, m; d - průměr kapiláry, m.

V tomto případě byly vzorky pokaždé ponořeny do vodovodní vody, jejíž teplota byla 20 0 C (příloha 18), to znamená, že kapalina měla konstantní hustotu = 1000 kg/m3, koeficient povrchového napětí = 0,073 N⁄m. Získaná data byla zanesena do tabulky (příloha 17). Závěr: z tabulky vyplývá, že všechny vzorky papíru absorbují vodu, což svědčí o přítomnosti kapilár.

Nasákavost papíru

Jsou ale vypočítané průměry ve vzorcích věrohodné? Tloušťka suchého papíru prezentovaných vzorků je od 0,1 mm až 0,3 mm. Ve vodě se kapiláry rozšíří a naplní vodou - papír bude silnější, ale i v tomto případě nebude jeho tloušťka větší než 0,5 mm. Co tento rozpor ukazuje? Kapiláry nejsou spojité, ale nespojité (příloha 19).

Důležitou vlastností papíru je savost. Papír je kapilárně porézní těleso skládající se z pevných částic nebo shluků částic, mezi nimiž jsou kapiláry. Protože papír je produktem průmyslového zpracování celulózy, není možné zajistit přesnou stálost průměru kapilár. Proto hovoří o efektivním (průměrném) průměru kapilár. Mnoho druhů papíru se vyznačuje zvýšenou nasákavostí pro různé tekutiny. Kapalina je absorbována do tloušťky plechu, diverguje a přechází na jeho rubovou stranu. Tento papír má silné hydrofilní vlastnosti. Především se to týká třídy savých a filtračních papírů pro různé účely, jako jsou vzorky s číslem 1,2,6. Tento papír má nejtenčí kapiláry a nejlépe absorbuje vodu. Poskytnutí papíru omezenými absorpčními vlastnostmi ve vztahu k kapalinám (voda, inkoust) se nazývá klížení.

Takový papír se vyrábí z velmi pečlivě namleté ​​papírové buničiny, kde se začíná projevovat tvorba částečně rozpustných degradovaných celulózových produktů, které vytvářejí monolitické filmy různé intenzity, blokují póry a mají vyšší odolnost proti pronikání kapaliny. To platí pro třídu obalového papíru, jako vzorek číslo 5, také pro třídu papírů pro psaní a kreslení, jako jsou vzorky číslo 3,4,7. Proto v tomto experimentu uvažuji kapilární efekt pouze vzorků s číslem 1,2,6, jejichž produkty mají zvýšenou nasákavost.

Tabulka měření

Na základě získaných dat jsem sestrojil diagram měření závislosti výšky stoupání kapaliny v kapilárách na vypočteném efektivním průměru kapiláry (Příloha 20).

Závěr: smáčecí kapaliny stoupají kapilárami překonávající gravitační sílu do výšky závislé na koeficientu povrchového napětí kapaliny, hustotě kapaliny a průměru kapiláry. Čím menší je průměr kapiláry, tím výše kapalina kapilárou stoupá. Nejlepší kvalita absorpce se nachází ve vzorku s menším průměrem kapiláry. Papírový kapesník má nejlepší absorpční kvalitu.

Závěr

Výsledkem mé výzkumné práce je:

1. Prohloubil své znalosti o jevech smáčivosti a nesmáčivosti, kapilárních jevech, které jsou rozšířené jak v naší každodenní činnosti, tak v přírodě.

2. Naučil jsem se odvodit vzorec pro průměr kapiláry na základě výšky stoupání kapaliny a pomocí vzorce vypočítat efektivní (průměrný) průměr kapiláry.

3. Prokázala závislost výšky stoupání kapaliny v kapilárách na vypočteném průměru kapiláry.

4. Naučil se, že kapilární jevy závisí na síle interakce mezi molekulami uvnitř kapaliny a na síle interakce mezi molekulami pevné látky a molekulami kapaliny; Čím menší je průměr kapiláry, tím výše voda kapilárou stoupá.

5. Porovnal vzorky papírových výrobků pro kvalitu absorpce kapaliny a zjistil, že vzorek s menším průměrem kapiláry měl nejlepší kvalitu absorpce.

6. Zlepšení osobních kvalit v procesu její práce:

vytrvalost;

pozorování;

schopnost pracovat s velkým množstvím informací;

touha po seberozvoji.

Zakoupeno:

zaměřit se na výsledky;

systematické myšlení;

analytické dovednosti.

7. Dosáhl řešení problému pomocí stanoveného cíle a cílů.

Moje práce se mi líbila, se svým výsledkem jsem spokojený. Můj výzkum může být využit v hodinách fyziky při studiu tématu „Kapilární jevy“, v hodinách biologie při otázkách o kapilárních jevech v lidském těle a také při prohlubování znalostí chemie při studiu problematiky kondenzační nebo koloidní chemie.

Bibliografie

1. Vasjukov V.I. Fyzika. Základní vzorce, zákony: Referenční příručka. - M.: Orientir, 2006

2. Peryshkin A.V. Kurz fyziky: Učebnice pro střední školu / Třídílná.- M.: Uchpedgiz, 1965

3. Papír, jeho struktura, složení, klasifikace, oblasti použití a vlastnosti (http://material.osngrad.info)

4. Kapilární efekty (http://www.studopedia.ru)

5. Kapilární jevy (http://www.booksite.ru)

6. Povrchové napětí (http://www.mirznanii.com)

7. Smáčení a vzlínavost (http://phscs.ru)

Aplikace

Příloha 1

Listová deska Krevní cévy Filtrační papír

Dodatek 2

Dodatek 3

Dodatek 4

Dodatek 5

Dodatek 6

Dodatek 7

Rtuťová voda

Dodatek 8

Dodatek 9

Dodatek 10

Dodatek 11

Dodatek 12

Dodatek 13

Dodatek 14

Číslování vzorků papírových výrobků

Dodatek 15

Dodatek 16

Dodatek 17

Výpočtová data vzorků papíru

Dodatek 18

Dodatek 19

Kapiláry spojité a přerušené

Dodatek 20

Povrchová vrstva kapaliny má speciální vlastnosti. Molekuly kapaliny v této vrstvě jsou v těsné blízkosti jiné fáze – plynu. Molekula umístěná v blízkosti rozhraní kapalina-plyn má nejbližší sousedy pouze na jedné straně, takže součet všech sil působících na tuto molekulu dává výslednici směrovanou do kapaliny. V důsledku toho má jakákoli molekula kapaliny umístěná v blízkosti volného povrchu přebytek potenciální energie ve srovnání s molekulami umístěnými uvnitř.

Aby bylo možné přenést molekulu z objemu kapaliny na povrch, je třeba vykonat práci. Když se povrch určitého objemu kapaliny zvětšuje, zvyšuje se vnitřní energie kapaliny. Tato složka vnitřní energie je úměrná ploše povrchu kapaliny a nazývá se povrchová energie. Množství povrchové energie závisí na síle molekulárních interakcí a počtu nejbližších sousedních molekul. U různých látek nabývá povrchová energie různých hodnot. Energie povrchové vrstvy kapaliny je úměrná její ploše: E = σ · S

Velikost síly F působící na jednotku délky hranice povrchu určuje povrchové napětí kapaliny: σ = F/ L; σ- koeficient povrchového napětí kapaliny, N/m.

Nejjednodušší způsob, jak pochopit povahu sil povrchového napětí, je pozorovat tvorbu kapky v blízkosti volně uzavřeného kohoutku. Pozorně si prohlédněte, jak kapka postupně roste, vzniká zúžení - krček a kapka se uvolňují. Povrchová vrstva vody se chová jako napnutá elastická fólie.

Šicí jehlu můžete opatrně položit na hladinu vody. Povrchový film se ohne a zabrání potopení jehly.

Ze stejného důvodu může lehký hmyz - vodní striders - rychle klouzat po hladině vody. Průhyb fólie neumožňuje vylévání vody, opatrně nalité do poměrně hustého síta.Tkanina je stejné síto tvořené propletením nití. Povrchové napětí velmi ztěžuje prosakování vody, takže látka okamžitě nevlhne. Působením sil povrchového napětí se tvoří pěna.

Změna povrchového napětí

Když se kapalina dostane do kontaktu s pevnou látkou, jev nastanesmáčení popř nesmáčivý. Pokud jsou interakční síly mezi molekulami kapaliny a tuhého tělesa větší než mezi molekulami kapaliny, pak se kapalina šíří po povrchu pevného tělesa, tzn. smáčí a naopak, pokud jsou interakční síly mezi molekulami kapaliny větší než mezi molekulami kapaliny a pevné látky, pak se kapalina shromažďuje do kapky a nesmáčí povrch kapaliny.

Kapilární jevy.

V přírodě se často nacházejí tělesa, která mají porézní strukturu (prostoupená mnoha malými kanály). Papír, kůže, dřevo, půda a mnoho stavebních materiálů má tuto strukturu. Voda nebo jiná kapalina dopadající na takové pevné těleso se do něj může absorbovat a stoupat do velké výšky. Takto stoupá vlhkost ve stoncích rostlin, petrolej stoupá podél knotu a tkanina absorbuje vlhkost. Takové jevy se nazývají kapilární.

V úzké válcové trubici stoupá smáčecí kapalina nahoru v důsledku sil molekulární interakce a získává konkávní tvar. Pod konkávním povrchem se objevuje přídavný tlak, směřující nahoru, a proto je hladina kapaliny v kapiláře výše než hladina volného povrchu. Nesmáčivá kapalina nabírá konvexní povrch. Pod konvexním povrchem kapaliny se objevuje zpětný přídavný tlak, směřující dolů, takže hladina kapaliny s konvexním meniskem je níže než hladina volné hladiny.

Velikost přídavného tlaku je p= 2 σ / R

Kapalina v kapiláře stoupá do takové výšky, že tlak sloupce kapaliny vyrovnává přetlak. Výška stoupání kapaliny v kapiláře je rovna: h = 2 σ / ρgr

Adsorpce je jev podobný smáčení a je pozorován při kontaktu pevné a plynné fáze. Pokud jsou interakční síly mezi molekulami pevné látky a plynu velké, pak je těleso pokryto vrstvou molekul plynu. Porézní látky mají velkou adsorpční kapacitu. Schopnost aktivního uhlí adsorbovat velké množství plynu se využívá v plynových maskách, v chemickém průmyslu a v lékařství.

Hodnota povrchového napětí

Pojem povrchové napětí poprvé představil J. Segner (1752). V 1. pol. 19. stol. Na základě konceptu povrchového napětí byla vyvinuta matematická teorie kapilárních jevů (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). Ve 2. pol. 19. stol. J. Gibbs vypracoval termodynamickou teorii povrchových jevů, ve které hraje rozhodující roli povrchové napětí. Mezi aktuální naléhavé problémy patří rozvoj molekulární teorie povrchového napětí různých kapalin, včetně roztavených kovů. Síly povrchového napětí hrají významnou roli v přírodních jevech, biologii, medicíně, v různých moderních technologiích, tisku, strojírenství a ve fyziologii našeho těla. Bez těchto schopností bychom nemohli psát inkoustem. Běžné pero by nevytáhlo inkoust z kalamáře, ale automatické pero by okamžitě udělalo velkou skvrnu a vyprázdnilo celý zásobník. Namydlit si ruce by nebylo možné: nevytvořila by se pěna. Došlo by k narušení vodního režimu půdy, což by bylo pro rostliny katastrofální. Došlo by k ovlivnění důležitých funkcí našeho těla. Projevy sil povrchového napětí jsou tak rozmanité, že je ani není možné všechny vyjmenovat.

V medicíně se měří dynamické a rovnovážné povrchové napětí séra žilní krve, které lze využít k diagnostice onemocnění a sledování léčby. Bylo zjištěno, že voda s nízkým povrchovým napětím je biologicky dostupnější. Snadněji vstupuje do molekulárních interakcí, buňky pak nebudou muset plýtvat energií na překonání povrchového napětí.

Objem tisku na polymerové fólie neustále roste díky rychlému rozvoji obalového průmyslu a vysoké poptávce po spotřebním zboží v barevných polymerových obalech. Důležitou podmínkou pro kompetentní zavedení takových technologií je přesné stanovení podmínek pro jejich použití v tiskových procesech. Při tisku je nutné opracování plastu před tiskem, aby inkoust přilnul k materiálu. Důvodem je povrchové napětí materiálu. Výsledek je určen tím, jak kapalina smáčí povrch produktu. Smáčení se považuje za optimální, když kapka kapaliny zůstane na stejném místě, kde byla aplikována. V jiných případech se může kapalina srolovat do kapky, nebo naopak roztekat. Oba případy stejně vedou k negativním výsledkům při přenosu barvy.

Některé závěry:

Na rozhraní mezi kapalinou a pevným tělesem vznikají v důsledku interakce molekul kapaliny s molekulami pevné látky jevy smáčení nebo nesmáčení:

1 Jevy smáčení (a) a nesmáčení (b) povrchu pevného tělesa kapalinou (kontaktní úhel) Obr.

Protože jevy smáčení a nesmáčení jsou určeny relativními vlastnostmi látek kapaliny a pevné látky, může být stejná kapalina pro jednu pevnou látku smáčivá a pro druhou nesmáčivá. Voda například smáčí sklo, ale nesmáčí parafín.

Kvantitativním měřítkem smáčení je kontaktní úhelúhel, který svírá povrch tělesa a tečna tažená k povrchu kapaliny v bodě dotyku (kapalina je uvnitř úhlu).

Při smáčení platí, že čím menší úhel, tím silnější smáčení. Pokud je kontaktní úhel nulový, nazývá se smáčení úplné nebo dokonalé. Případ ideálního smáčení lze přibližně popsat jako roztírání alkoholu po čisté skleněné ploše. V tomto případě se kapalina šíří po povrchu pevné látky, dokud nepokryje celý povrch.

V případě nesmáčení platí, že čím větší úhel, tím silnější je nesmáčení. Při hodnotě kontaktního úhlu je pozorováno úplné nesmáčení. V tomto případě se kapalina nelepí na povrch pevné látky a snadno z ní stéká. Podobný jev můžeme pozorovat, když se snažíme mastný povrch omýt studenou vodou. Čisticí vlastnosti mýdla a syntetických prášků se vysvětlují tím, že mýdlový roztok má nižší povrchové napětí než voda. Vysoké povrchové napětí vody zabraňuje jejímu pronikání do malých pórů a mezer mezi vlákny tkaniny.

Fenomény smáčení a nesmáčení hrají v životě člověka důležitou roli. Při výrobních procesech jako je lepení, lakování a pájení je velmi důležité zajistit smáčení povrchu. Při vytváření hydroizolace a syntézy vodotěsných materiálů je velmi důležité zajistit, aby se nenamáčely. V lékařství jsou smáčecí jevy důležité pro zajištění pohybu krve kapilárami, dýchání a další biologické procesy.

Jevy smáčení a nesmáčení se jasně projevují v úzkých trubkách - kapiláry.

Kapilární jevy

DEFINICE

Kapilární jevy- je vzestup nebo pokles kapaliny v kapilárách ve srovnání s hladinou kapaliny v širokých trubicích.

Smáčecí tekutina stoupá kapilárou. Kapalina, která nesmáčí stěny nádoby, klesá v kapiláře.

Výška h kapaliny zvedání kapilárou je určeno vztahem:

kde je koeficient povrchového napětí kapaliny; hustota kapaliny; kapilární poloměr, zrychlení volného pádu.

Hloubka, do které kapalina klesá v kapiláře, se vypočítá pomocí stejného vzorce.

DEFINICE

Zakřivený povrch kapaliny se nazývá meniskus.

Pod konkávním meniskem smáčecí tekutiny je tlak menší než pod rovným povrchem. Proto kapalina v kapiláře do té doby stoupá. dokud hydrostatický tlak kapaliny zvednuté v kapiláře na úrovni rovného povrchu nevyrovná tlakový rozdíl. Pod konvexním meniskem nesmáčivé kapaliny je tlak větší než pod plochým povrchem, což způsobuje pokles kapaliny v kapiláře.

Kapilární jevy můžeme pozorovat jak v přírodě, tak v běžném životě. Například půda má sypkou strukturu a mezi jejími jednotlivými částicemi jsou mezery, což jsou kapiláry. Při zalévání kapilárami stoupá voda ke kořenovému systému rostlin a zásobuje je vláhou. Také voda v půdě, vzlínající kapilárami. vypařuje se. Aby se snížila účinnost odpařování, a tím se snížila ztráta vlhkosti, půda se uvolňuje a ničí kapiláry. V každodenním životě se kapilární jevy používají při vysávání vlhkého povrchu papírovým ručníkem nebo ubrouskem.

Příklady řešení problémů

PŘÍKLAD 1

PŘÍKLAD 2

Vlastnosti kapalin.

Vlastnosti kapalného skupenství hmoty. Molekuly látky v kapalném stavu jsou umístěny blízko sebe, stejně jako v pevném stavu. Proto objem kapaliny málo závisí na tlaku. Stálost obsazeného objemu je vlastnost společná pro kapaliny a pevné látky a odlišuje je od plynů, které jsou schopny obsadit jakýkoli jim poskytnutý objem.

Možnost volného pohybu molekul vůči sobě určuje vlastnost tekutosti kapaliny. Těleso v kapalném skupenství, stejně jako v plynném skupenství, nemá stálý tvar. Tvar kapalného tělesa je dán tvarem nádoby, ve které se kapalina nachází, působením vnějších sil a sil povrchového napětí. Větší volnost pohybu molekul v kapalině vede k vyšší rychlosti difúze v kapalinách ve srovnání s pevnými látkami a poskytuje možnost rozpouštění pevných látek v kapalinách.

Povrchové napětí. Projev sil je spojen s přitažlivými silami mezi molekulami a pohyblivostí molekul v kapalinách povrchové napětí.

Uvnitř kapaliny se vzájemně kompenzují přitažlivé síly působící na jednu molekulu z jejích sousedních molekul. Jakákoli molekula umístěná v blízkosti povrchu kapaliny je přitahována molekulami umístěnými uvnitř kapaliny. Vlivem těchto sil se molekuly z povrchu kapaliny přesouvají do kapaliny a počet molekul na povrchu klesá, dokud volný povrch kapaliny nedosáhne minimální hodnoty možné za daných podmínek. Koule má minimální povrch mezi tělesy daného objemu, proto při nepřítomnosti nebo zanedbatelném působení jiných sil získá kapalina pod vlivem sil povrchového napětí tvar koule.

Vlastnost kontrakce volného povrchu kapaliny v mnoha jevech vypadá, jako by byla kapalina pokryta tenkým nataženým elastickým filmem, který má tendenci se smršťovat.

Síla povrchového napětí je síla, která působí podél povrchu kapaliny kolmo k přímce omezující tento povrch a má tendenci ji snižovat na minimum.

Zavěste drát ve tvaru U na hák pružinového siloměru. Délka strany AB rovná l. Počáteční natažení pružiny dynamometru působením gravitace drátu lze vyloučit nastavením nulového dílku stupnice naproti indikátoru působící síly.

Spustíme drát do vody, poté pomalu spouštíme nádobu s vodou dolů (obr. 92). Zkušenosti ukazují, že v tomto případě se podél drátu vytvoří film kapaliny a pružina dynamometru se natáhne. Pomocí údajů z dynamometru můžete určit sílu povrchového napětí. Je třeba vzít v úvahu, že tekutý film má dva povrchy (obr. 93) a pružná síla se v modulu rovná dvojnásobku síly povrchového napětí:

Pokud vezmete drát se stranou AB, dvakrát delší, pak je síla povrchového napětí dvakrát větší. Experimenty s dráty různých délek ukazují, že poměr modulu síly povrchového napětí působící na hranici povrchové vrstvy délky l, k této délce existuje konstantní hodnota, která nezávisí na délce l. Tato veličina se nazývá koeficient povrchového napětí a označuje se řeckým písmenem „sigma“:

. (27.1)

Koeficient povrchového napětí je vyjádřen v newtonů na metr(N/m). Povrchové napětí se mezi kapalinami liší.

Pokud jsou přitažlivé síly mezi molekulami kapaliny menší než přitažlivé síly mezi molekulami kapaliny a povrchem pevné látky, pak kapalina smáčí povrch pevné látky. Pokud jsou síly interakce mezi molekulami kapaliny a molekulami pevné látky menší než síly interakce mezi molekulami kapaliny, pak kapalina nesmáčí povrch pevné látky.

Kapilární jevy. Zvláštnosti interakce kapalin se smáčenými a nesmáčitelnými povrchy pevných látek jsou příčinou kapilárních jevů.

Kapilární nazývá se trubice s malým vnitřním průměrem. Vezměte kapilární skleněnou trubici a ponořte její jeden konec do vody. Zkušenosti ukazují, že hladina vody uvnitř kapiláry je vyšší než hladina otevřené vodní hladiny.

Když je povrch pevného tělesa zcela smáčen kapalinou, lze sílu povrchového napětí považovat za směrovanou podél povrchu pevného tělesa kolmo k hranici kontaktu mezi pevným tělesem a kapalinou. V tomto případě stoupá kapalina podél smáčeného povrchu, dokud gravitační síla působící na sloupec kapaliny v kapiláře a směřující dolů se nerovná síle povrchového napětí působícího podél hranice kontaktu kapaliny. s povrchem kapiláry (obr. 94):

,

.

Odtud zjistíme, že výška vzestupu sloupce kapaliny v kapiláře je nepřímo úměrná poloměru kapiláry:

(27.2)

Laplaceův vzorec.