Поверхневий натяг рідин.

Капілярні явища.

Мета.

Навчальна. Розглянути властивості поверхні рідини. Ввести поняття поверхневого натягу та капілярних явищ.

Розвиваюча. Розвивати кругозір та спостережливість учнів.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення, формувати світогляд учнів.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Демонстрація. Голка на воді (посудина з водою, голка)
• Демонстрація. Поверхневий натяг рідини (банка з водою, монети, рамка, мильний розчин)
• Демонстрація. Визначення коефіцієнту поверхневого натягу води (динамометр для вимірювання поверхневого натягу рідини, вода, штатив з двома муфтами)
• Демонстрація. Змочування та незмочування рідинами твердих поверхонь.
• Відео. Голка на воді.
• Відео. Поверхневий натяг води
• Відео. Визначення коефіцієнту поверхневого натягу води (Час показу 1:28 хв.)

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Поверхневий натяг рідин. Капілярні явища.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Задачі та завдання для практичного тренінгу.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Поверхневий натяг рідин. Капілярні явища.

Всі ви, напевне, милувалися маленькими краплями роси, які на листках рослин набувають форми майже правильних кульок. Це явище спостерігав ще Галілео Галілей, якого дуже дивувало, чому великі краплі води не розпливаються по всьому листку капусти, а набувають форми маленьких кульок. Таку ж форму мають краплі води на парафіні чи жирній поверхні, пролита на стіл ртуть тощо. Якщо ці краплі стикаються, вони зливаються в одну краплю, форма якої також наближається до кулястої.

а) б) 

Мал. а) Краплини роси на траві; б) краплі ртуті на дерев’яній поверхні.

Ці явища здаються дуже дивними. Адже ми звикли, що рідина набуває форми посудини, в якій вона знаходиться, і власної форми не має. Виявляється, що так буває не завжди.

Галілей спостерігав, як змащена жиром голка може плавати на воді, як легкі комахи-водомірки швидко ковзають по поверхні води, ніби ковзанярі по льоду. Ці спостереження начебто суперечать існуванню архімедової сили. Але якщо голка прорве поверхню рідини, вона тоне, як і має бути під час дії архімедової сили. Це означає, що властивості поверхні рідини відрізняються від властивостей решти рідини. Як пояснити ці явища?

а)   б)  в)

Мал. а) Голка на воді; б) прогинання поверхні води під скрепкою; в) водомірка на поверхні води.

• Демонстрація. Голка на воді (посудина з водою, голка).
• Відео. Голка на воді

Поверхневий натяг. Кожна молекула, розміщена всередині об’єму рідини, рівномірно оточена сусідніми молекулами і взаємодіє з ними, а рівнодійна цих сил дорівнює нулю.  Досліди та розрахунки показали, що молекулярні сили діють помітно лише між частинками, що перебувають на відстані, яка не перевищує см, в усіх напрямках однаково.

В поверхневому шарі внаслідок неоднорідності оточення на молекулу діє сила, не скомпенсована силами з боку інших молекул рідини. Внаслідок цього рідина в поверхневому шарі перебуває в розтягнутому напруженому стані. Густина рідини в цьому шарі менша, ніж усередині. Молекули поверхневого шару перебувають на більших відстанях одна від одної, ніж молекули всередині рідини, тому їх потенціальна енергія взаємодії більша, ніж в інших молекул. Вони намагаються перейти в таке положення, в якому їх потенціальна енергія стала б найменшою. Зменшення потенціальної енергії поверхневого шару рідини відбувається за рахунок зменшення площі поверхні. Наприклад, якщо з допомогою трубки надувати мильну бульбашку, а потім припинити надування, то під дією сил поверхневого натягу бульбашка буде зменшуватись у розмірах, виштовхуючи повітря назовні. Інший приклад. На мильну плівку в дротяному кільці покладемо петлю з тонкої шовкової нитки і проколемо плівку в петлі. Мильна плівка рівномірно розтягне петлю, утворивши кільце.

У невагомості рідини приймають форму кулі, оскільки з математики відомо, що сфера має найменшу площу поверхні з-поміж інших фігур однакового об’єму. У космічному кораблі, кулястої форми набувають не тільки окремі краплі, а й великі об'єми рідини.

Різницю між потенціальними енергіями молекул усередині рідини та молекул у її поверхневому шарі називають поверхневою енергією (позначають Wр).

Поверхневий натяг — фізичне явище, суть якого в прагненні рідини скоротити площу своєї поверхні при незмінному об'ємі.

• Демонстрація. Поверхневий натяг рідини (посудина з мильним розчином, рамка)

Кількісною характеристикою поверхневого натягу рідини є коефіцієнт поверхневого натягу (позначають - (сигма)). За величиною коефіцієнт поверхневого натягу рідини дорівнює поверхневій енергії, що припадає на одиницю площі: . У СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в Дж/м2 = Н/м.

Поверхневий натяг залежить від роду рідини, наявності в ній домішок. Існують речовини, наприклад, мило і пральні порошки, які можуть у кілька разів зменшувати поверхневий натяг води. Цю властивість використовують для прання білизни. Такі речовини, як бензин, спирт, за природою мають малий поверхневий натяг, і тому їх застосовують під час хімічного очищення одягу. А от цукор, сіль, навпаки збільшують коефіцієнт поверхневого натягу. Це пояснюється тим, що їх молекули взаємодіють з молекулами рідини сильніше, ніж молекули рідини між собою. Наприклад, якщо посолити мильний розчин, то у поверхневий шар рідини виштовхується молекула мила сильніше, ніж у прісній воді. У миловареній техніці мило «висолюється» цим способом з розчину.

Поверхневий натяг зменшується зі зростанням температури.

Таблиця. Поверхневий натяг деяких рідин.

Силу, яка діє вздовж поверхні рідини і спрямована в бік її скорочення, називають силою поверхневого натягу. 

Опустимо у мильний розчин дротяну рамку, одна із сторін якої рухома. На рамці утвориться мильна плівка. Будемо розтягувати цю плівку, діючи на поперечину з певною силою Fзовн.

Якщо під дією цієї сили поперечина переміститься на Δх, то зовнішні сили виконають роботу:  А=Fзовн·Δх=2Fпов·Δх.

За рахунок виконання цієї роботи площі обох поверхонь плівки збільшаться, а отже, збільшиться й поверхнева енергія: А=ΔWпов=σΔS=σ2LΔх, де ΔS=2LΔх - збільшення площі двох поверхонь мильної плівки. Прирівнявши праві частини одержаних рівностей, маємо 2Fпов·Δх=σ2LΔх, або Fпов=σL.

Поверхневий натяг σ чисельно дорівнює силі поверхневого натягу Fпов, яка діє на одиницю довжини L лінії, що обмежує поверхню: .

Силу поверхневого натягу можна визначити  за допомогою динамометра з рамкою.

Мал. Динамометр з рамкою для визначення сили поверхневого натягу.

• Демонстрація. Визначення коефіцієнту поверхневого натягу води (динамометр для вимірювання поверхневого натягу рідини, вода, штатив з двома муфтами)
• Відео. Визначення коефіцієнту поверхневого натягу води (Час показу 1:28 хв.)

Якщо рідина знаходиться в посудині - довжина лінії, що обмежує поверхню рідини.

• Демонстрація. Поверхневий натяг рідини (банка з водою, монети)
• Відео. Поверхневий натяг води

Визначити коефіцієнт поверхневого натягу можна й іншим способом. Піпеткою накрапати  крапель рідини, зважити їх (знайти ). При відриванні краплі рідини від піпетки долається сила поверхневого натягу, що діє по колу навколо шийки краплі, радіус якої можна вважати приблизно рівним внутрішньому радіусу піпетки.

Cила поверхневого натягу рівна вазі краплі . Звідки: .

Взаємодія молекул рідин на межі з твердими тілами. Взаємодію молекул рідин на межі з твердими тілами також не можна нехтувати.

Якщо сили притягання між молекулами рідини й твердого тіла переважають сили взаємодії між самими молекулами рідини, кажуть, що рідина змочує тверде тіло.

Якщо сили притягання між молекулами рідини переважають сили взаємодії між молекулами рідини й молекулами твердого тіла, кажуть, що рідина не змочує тверде тіло.

Змочування чи незмочування рідинами поверхні твердих тіл на межі їх дотику зумовлено їхньою міжмолекулярною взаємодією. З’ясувати чи змочує рідина тверде тіло, можна за формою краплі на його поверхні: якщо рідина розтікається по ній, то вона змочує поверхню твердого тіла, якщо збирається в кульку - не змочує поверхню.

а) б)

Мал. а) Рідина змочує поверхню; б) рідина не змочує поверхню.

Змочування і незмочування – поняття відносні: рідина, що змочує одну тверду поверхню, не змочує іншу. Наприклад, вода змочує скло, але не змочує парафін; ртуть не змочує скло, але змочує чисті поверхні металів.

Властивість рідин змочувати чи не змочувати поверхні твердих тіл виявляється у викривленні їхньої вільної поверхні на межі з посудиною. При змочуванні крайовий кут  , при незмочуванні   . Якщо при змочуванні  , то змочування називають повним.

а)  б)

Мал. а) Рідина змочує поверхню посудини; б) рідина не змочує поверхню посудини.

• Демонстрація. Змочування та незмочування рідинами твердих поверхонь.

Для того, щоб захистити металеві вироби від хімічної корозії, їх покривають мастилом, яке викликає незмочування рідиною поверхні металу.

Капілярні явища. Першовідкривачем капілярних явищ вважається Леонардо да Вінчі. Однак перші спостереження капілярних явищ на трубках і скляних пластинках були пророблені Френсисом Хоксбі в 1709 році.

Внаслідок взаємодії молекул рідини і твердого тіла відбувається викривлення вільної поверхні рідини. Взаємодія ж між молекулами самої рідини намагається її вирівняти, оскільки сили поверхневого натягу прагнуть зробити поверхню найменшою. 

Капіляри - вузькі циліндричні трубки з діаметром близько міліметра й менше.

а)  б) в)

 Мал. а) Підняття рідини по капілярах; б) рідина, що змочує поверхню, ніби піднімається по її краях, утворюючи увігнутий меніск, незмочуюча рідина має опуклий меніск; в) капілярні явища між скляними пластинками.

Викривлену вільну поверхню в капілярах  називають – меніском.

В рідині виникає додатковий тиск, так званий лапласівський тиск, який спрямований на вирівнювання вільної поверхні: для увігнутого меніска - з рідини назовні, для опуклого - усередину, у рідину:

,

де - радіус сферичної поверхні, що утворює меніск; - радіус поверхні, що обмежує рідину.

        У капілярах, лапласівський тиск спричиняє підняття в них рівня рідини, або його зниження. Це явище називають капілярним.

Висоту стовпа рідини, що піднімається по капіляру при повному змоченні або опускається при повному незмоченні, можна обчислити за формулою  .

У положенні рівноваги модулі сили поверхневого натягу та сили тяжіння рівні:      . Якщо змочування неповне, то  .

Капілярні явища в природі і техніці. Капілярні явища мають велике значення в природі і техніці. Завдяки капілярним явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Стовбури дерев, гілки рослин пронизані великою кількістю капілярних трубочок, по яких поживні речовини піднімаються до самих верхніх листочків. Коренева система рослин, в свою чергу, закінчується найтоншими капілярами.

Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов'язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно  капілярів, загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км.  В тонких капілярах рідина піднімається досить високо.

а)   б) в)

Мал. а-б) Проникнення вологи з ґрунту в кореневу систему та стебла рослин;

в) мережа кровоносних капілярів альвеол легені.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.

Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини. Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосування рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів.

Капілярні явища використовуються при видобутку нафти. Сили взаємодії води з гірською породою більше, ніж у нафти. Тому вода здатна витиснути нафту з дрібних тріщин у більш великі. Для збільшення нафтовіддачі шарів використовуються спеціальні поверхнево-активні речовини.

На явищі змочування грунтується, наприклад, метод збагачення, флотації руди, – відокремлення руди від порожньої породи. Дрібно роздроблену руду збовтують в рідині, яка змочує порожню породу і що не змочує руду. Через цю суміш продувається повітря, а потім вона відстоюється. При цьому змочені рідиною частинки породи опускаються на дно, а крупинки мінералів «прилипають» до бульбашок повітря і спливають на поверхню рідини.

В даний час дослідження в області капілярних і поверхневих сил продовжуються, що обумовлено як їхньою важливістю в різних областях науки, так і широким спектром практичних додатків.

3. Запитання до уроку.

Запитання 72.1. Чому виникає сила поверхневого натягу? Від чого вона залежить?

Запитання 72.2. Чому водоплавні птахи виходять сухими з води?

Запитання 72.3. Чому маленькі краплі роси на листі деяких рослин мають форму кульок, тоді як листя інших рослин роса вкриває тонким шаром?

Запитання 72.4. Чим пояснити, що солом’яна покрівля на даху, що складається з окремих стебел, між якими є безліч порожнин, надійно захищає від дощу?

Запитання 72.5. Навіщо перед фарбуванням поверхонь їх рекомендують знежирювати?

Запитання 72.6. Перш ніж припаяти будь-яку деталь до плати її спочатку покривають каніфоллю. Навіщо?

Запитання 72.7. Чому крапля води або рослинної олії розтікається по поверхні дошки, а крапля ртуті не розтікається?

Запитання 72.8. Наведіть приклади прояву капілярних явищ у природі. Від яких величин залежить висота капілярного підняття рідини?

Запитання 72.9. Чому рослини, посаджені таким способом, як показано на світлині, не засихають?

Запитання 72.10. Як зміниться висота рівня води в капілярі, якщо за інших умов взяти капіляр вдвічі меншого радіуса? якщо перенести дослід на Місяць?

Запитання 72.11. Коли висота капілярного підняття води в ґрунті більша: навесні чи влітку? Чому?

Запитання 72.12. Чому вода піднімається по тонких трубках і має увігнутий ме­ніск, а ртуть опускається і її поверхня має опуклий меніск?

4. Домашнє завдання.

Підручник: §49.

Тестування. Поверхневий натяг рідин. Капілярні явища. (Відповіді учнів)

Усне опитування по запитаннях до уроку.

Міні-проєкт. Поверхневий натяг рідин.

5. Перевір себе.

6. Для допитливих.

З історії капілярних явищ. Як уже говорилося, першовідкривачем капілярних явищ вважається Леонардо да Вінчі. Однак перші акуратні спостереження капілярних явищ на трубках і скляних пластинках були пророблені Френсисом Хоксбі в 1709 році. Те, що речовина не є нескінченно діленим і має атомну чи молекулярну структуру, було робочою гіпотезою для більшості вчених починаючи з XVIII в. До кінця XIX в., коли група фізиків, прихильників позитивістської філософії, указала, яким непрямим був доказ існування атомів, на їхню заяву пішла лише незначна реакція, і в підсумку їхнього заперечення не були спростовані до початку цього сторіччя. Якщо в ретроспективі до сумніви здаються нам безпідставними, ми повинні пам'ятати, що майже усі, хто тоді вірив в існування атомів, вірили також твердо в матеріальне існування електромагнітного ефіру, а в першій половині XIX в. — часто і теплорода. Проте вчені, які внесли найбільший внесок у теорію газів і рідин, використовували припущення (звичайно в явній формі) про дискретну структуру речовини. Елементарні частки матерії називали атомами, чи молекулами (наприклад, Лаплас), чи просто частками (Юнг), але ми будемо випливати сучасним поняттям і вживати слово “молекула” для елементарних часток, що складають газ, чи рідину тверде тіло.

На початку XIX в. сили, що могли б існувати між молекулами, були так само не ясні, як і самі частки. Єдиною силою, у відношенні якої не було сумніву, була ньютонівська гравітація. Вона діє між небесними тілами і, мабуть, між одним таким тілом (Землею) і іншим (наприклад, яблуком), що має лабораторну масу; Кавендіш незадовго до цього показав, що вона діє і між двома лабораторними масами, а тому передбачалося, що вона діє також між молекулами. У ранніх роботах по рідинах можна знайти маси молекул і щільності мас, що входять у рівняння, у яких ми тепер повинні писати числа молекул і щільності чисел молекул. У чистій рідині всі молекули мають однакову масу, так що це розходження не грає ролі. Але ще до 1800 р. було ясно, що поняття про гравітаційні сили недостатньо для пояснення капілярних явищ і інших властивостей рідин. Підняття рідини в скляній трубці не залежить від товщини скла (за даними Хоксби, 1709 р.), і, таким чином, тільки сили з боку молекул у поверхневому шарі скла діють на молекули в рідині. Гравітаційні ж сили лише назад пропорційні квадрату відстані і, як було відоме, діють вільно через проміжну речовину.

Природа міжмолекулярних сил, відмінних від сил тяжіння, була дуже неясної, але у вигадництвах не було недоліку. Священик-єзуїт Роджер Боскович (Ruggero Giuseppe Boscovich) думав, що молекули відштовхуються на дуже малих відстанях, притягаються при трохи великих відстанях і потім у міру збільшення відстані демонструють поперемінно відштовхування і притягання з усі зменшуваною величиною. Його ідеї в наступному сторіччі вплинули як на Фарадея, так і на Кельвіна, але були занадто складними, щоб виявитися безпосередньо корисними для тих, хто займався теорією капілярності. Останні розсудливо задовольнялися простими гіпотезами.

Створено поверхню, яку неможливо зволожити. Інженери створили поверхню, яка завдяки своїй мікроструктурі не змочується ні водою, ні олійними рідинами. Незвичайний матеріал отримали за допомогою фотолітографії на кремнії. Автори надавали поверхні матеріалу мікротекстури із безлічі шипів, що мають гіперболоїдну форму. Після хімічної обробки така поверхня не змочується ні водою, ні оліями.

Унікальність розробки полягає у тому, що краплі на поверхні нового матеріалу зберігають свою сферичну форму навіть під час висихання. Всі існуючі омніфобні (водо- і жировідштовхуючі) матеріали після тривалого контакту з краплями рідини починають зволожуватися. Це відбувається у наслідок того, що краплини зменшуються в результаті випаровування і «провалюються» між виступами матеріалу.

Новий матеріал позбавлений цього недоліку. Експерименти показали: як би не зменшувався під час висихання розмір краплі, це не призводило до змочування – крапля залишалася сферичною.

Вчені сподіваються, що розробка допоможе створити нові матеріали, на яких не буде затримуватися бруд.

Коли мильна бульбашка лопається? Коли товщина мильної бульбашки стає меншою за 25 нанометрів - тонше, ніж довжина хвилі видимого світла - бульбашка лопається.

Гідрофобний пісок. Навіть не маючи ґрунтовних знань із фізики, просто з власного досвіду, кожен знає, що більшість речовин, занурених у воду, намокає. А ось гідрофобний пісок можна дістати з води абсолютно сухим! Чому?

Гідрофобний – це звичайнісінький пісок, заздалегідь оброблений рідиною для відштовхування води (наприклад, гідрофобне просочення для одягу чи взуття).

Молекули води полярні, а обробленого піску – ні, тому вони не контактують одне з одним. Гідрофобне просочення створює навколо піску надзвичайно тонку водозахисну оболонку. Цього достатньо, щоб убезпечити пісок від контакту з водою.

Гідрофобний пісок створений в Арабських Еміратах і широко застосовується. З такого піску в пустельних регіонах створюють бар'єри між родючим шаром та іншим ґрунтом, що дозволяє зменшити витрати води на полив майже у 5 разів! Також, використовуючи такий пісок, можна очищувати воду від маслянистих та нафтових забруднень (така речовина відштовхує воду, але поглинає масло та нафту!).