Что такое смачиваемость и несмачиваемость в физике 7 класс
Капиллярные явления
Введение
В наш век высоких технологий все большее значение в жизни людей имеют естественные науки. Люди 21 века производят супер производительные компьютеры,смартфоны,все глубже и глубже изучают окружающий нас мир. Я думаю, что люди готовятся к новой научно технической революции, которая изменит наше будущее коренным образом. Но когда произойдут эти изменения никто не знает. Каждый человек своим трудом может приблизить этот день.
Эта научно-исследовательская работа – мой маленький вклад в развитие физики.
Данная научно-исследовательская работа посвящена актуальной на данный момент теме «Капиллярные явления». В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. В данном проекте показана важность капилляров в жизни живых и неживых организмов.
Цель исследовательской работы: обосновать с точки зрения физики причину движения жидкости по капиллярам, выявить особенности капиллярных явлений.
Объект исследования: свойство жидкостей, всасываясь, подниматься или опускаться по капиллярам.
Предмет исследования: капиллярные явления в живой и неживой природе.
Прежде чем перейти к изучению капиллярных явлений, надо ознакомиться со свойствами жидкости, которые играют немалую роль в капиллярных явлениях.
Поверхностное натяжение
Сам термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Так, молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул; молекулы же поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. Например, на поверхности раздела жидкость – воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха. Это и является причиной различия свойств поверхностного слоя жидкости от свойств её внутренних объёмов.
Поверхностное натяжение различных жидкостей неодинаково, оно зависит от их мольного объёма, полярности молекул, способности молекул к образованию водородной связи между собой и др.
При увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается по линейному закону. На поверхностное натяжение жидкости оказывают влияние и находящиеся в ней примеси. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ). По отношению к воде ПАВ являются нефтепродукты, спирты, эфир, мыло и др. жидкие и твёрдые вещества. Некоторые вещества увеличивают поверхностное натяжение. Примеси солей и сахара, например.
Объяснение этому даёт МКТ. Если силы притяжения между молекулами самой жидкости больше сил притяжения между молекулами ПАВ и жидкости, то молекулы жидкости уходят внутрь из поверхностного слоя, а молекулы ПАВ вытесняются на поверхность. Очевидно, что молекулы соли и сахара будут втянуты в жидкость, а молекулы воды вытеснены на поверхность. Таким образом, поверхностное натяжение – основное понятие физики и химии поверхностных явлений – представляет собой одну из наиболее важных характеристик и в практическом отношении. Следует отметить, что всякое серьёзное научное исследование в области физики гетерогенных систем требует измерения поверхностного натяжения. История экспериментальных методов определения поверхностного натяжения, насчитывающая более двух столетий, прошла путь от простых и грубых способов до прецизионных методик, позволяющих находить поверхностное натяжение с точностью до сотых долей процента. Интерес к этой проблеме особенно возрос в последние десятилетия в связи с выходом человека в космос, развитием промышленного строения, где капиллярные силы в различных устройствах часто играют определяющую роль.
Один из таких методов определения поверхностного натяжения основан на поднятии смачивающей жидкости между двумя стеклянными пластинками. Их следует опустить в сосуд с водой и постепенно сближать параллельно друг другу. Вода начнёт подниматься между пластинками – её будет втягивать сила поверхностного натяжения, о которой сказано выше. Легко рассчитать коэффициент поверхностного натяжения σ можно по высоте подъёма воды у и зазору между пластинками d.
Сила поверхностного натяжения F = 2 σ L, где L – длина пластинки (двойка появилась из-за того, что вода соприкасается с обеими пластинками). Эта сила удерживает слой воды массы m = ρ Ldу, где ρ – плотность воды. Таким образом, 2 σ L = ρ Ldуg. Отсюда можно найти коэффициент поверхностного натяжения σ = 1/2( ρ gdу). (1)Но интереснее сделать так: с одного конца сжать пластинки вместе, а с другого оставить небольшой зазор.
Вода поднимется и образует между пластинками удивительно правильную поверхность. Сечение этой поверхности вертикальной плоскостью – гипербола. Для доказательства достаточно в формулу (1) вместо d подставить новое выражение для зазора в данном месте. Из подобия соответствующих треугольников (см. рис. 2) d = D (x/L). Здесь D – зазор на конце, L – по-прежнему длина пластинки, а x – расстояние от места соприкосновения пластинок до места, где определяется зазор и высота уровня. Таким образом, σ = 1/2( ρ gу)D(x/L), или у = 2 σ L/ ρ gD(1/х). (2)Уравнение (2) действительно является уравнением гиперболы.
Смачивание и несмачивание
Смачиваемость и несмачиваемость – понятия относительные: жидкость,смачивающая одно твёрдое тело, может не смачивать другое тело. Например,вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает медь.
Смачивание обычно трактуется как результат действия сил поверхностного натяжения. Пусть поверхностное натяжение на границе воздух – жидкость σ 1,2,на границе жидкость – твёрдое тело σ 1,3, на границе воздух – твёрдое тело σ 2,3.
Величину cos θ принято называть смачиванием и обозначать буквой В.
Определённое влияние на смачивание оказывает состояние поверхности. Смачиваемость резко меняется уже при наличии мономолекулярного слоя углеводородов. Последние же всегда присутствуют в атмосфере в достаточных количествах. Определённое влияние на смачивание оказывает и микрорельеф поверхности. Однако до настоящего времени пока не выявлена единая закономерность влияния шероховатости любой поверхности на смачивание её любой жидкостью. Например уравнение Венцеля-Дерягина cosθ = xcosθ0 связывает краевые углы жидкости на шероховатой ( θ ) и гладкой ( θ 0) поверхностях с отношением х площади истинной поверхности шероховатого тела к её проекции на плоскость. Однако на практике это уравнение не всегда соблюдается. Так, согласно этому уравнению в случае смачивания (θ 90 – к его увеличению (т.е. к большей гидрофобности). Исходя из этого и даются, как правило, сведения о влиянии шероховатости на смачивание.
По мнению многих авторов, скорость растекания жидкости на шероховатой поверхности ниже вследствие того, что жидкость при растекании испытывает задерживающее влияние встречающихся бугорков (гребней) шероховатостей. Необходимо отметить, что именно скорость изменения диаметра пятна, образованного строго дозированной каплей жидкости, нанесённой на чистую поверхность материала, используется в качестве основной характеристики смачивания в капиллярах. Её величина зависит как от поверхностных явлений, так и от вязкости жидкости, её плотности, летучести.
Очевидно, что более вязкая жидкость с прочими одинаковыми свойствами дольше растекается по поверхности и следовательно медленнее протекает по капиллярному каналу.
Капиллярные явления
Изучив подробно силы, лежащих в основе капиллярных явлений, стоит перейти непосредственно к капиллярам. Так, опытным путём можно пронаблюдать, что смачивающая жидкость (например, вода в стеклянной трубке) поднимается по капилляру. При этом, чем меньше радиус капилляра, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость. Жидкость, не смачивающая стенки капилляра (например, ртуть с стеклянной трубке), опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде. Так почему же смачивающая жидкость поднимается по капилляру, а несмачивающая опускается?
Не трудно заметить, что непосредственно у стенок сосуда поверхность жидкости несколько искривлена. Если молекулы жидкости, соприкасающиеся со стенкой сосуда, взаимодействуют с молекулами твёрдого тела сильнее, чем между собой, в этом случае жидкость стремится увеличить площадь соприкосновения с твёрдым телом (смачивающая жидкость). При этом поверхность жидкости изгибается вниз и говорят, что она смачивает стенки сосуда, в котором находится. Если же молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем с молекулами стенок сосуда, то жидкость стремится сократить площадь соприкосновения с твёрдым телом, её поверхность искривляется вверх. В этом случае говорят о несмачивании жидкостью стенок сосуда.
В узких трубочках, диаметр которых составляет доли миллиметра, искривлённые края жидкости охватывают весь поверхностный слой, и вся поверхность жидкости в таких трубочках имеет вид, напоминающий полусферу. Это так называемый мениск. Он может быть вогнутым, что наблюдается в случае смачивания, и выпуклым при несмачивании. Радиус кривизны поверхности жидкости при этом того же порядка, что и радиус трубки. Явления смачивания и несмачивания в данном случае также характеризуется краевым углом θ между смоченной поверхностью капиллярной трубки и мениском в точках их соприкосновения.
Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в узкой трубке (капилляре) поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, и это ведёт к опусканию несмачивающей жидкости.
Наличие сил поверхностного натяжения и кривизны поверхности жидкости в капиллярной трубочке ответственно за дополнительное давление под искривленной поверхностью, называемое давлением Лапласа: ∆p = ± 2 σ /R.
Знак капиллярного давления («плюс» или «минус») зависит от знака кривизны. Центр кривизны выпуклой поверхности находится внутри соответствующей фазы. Выпуклые поверхности имеют положительную кривизну, вогнутые – отрицательную.
Так, условие равновесия жидкости в капиллярной трубочке определяется равенством
где ρ – плотность жидкости, h – высота её поднятия в трубочке, p0 – атмосферное давление.
Из данного выражения следует, что h = 2 σ / ρ gR. (2)
Преобразуем полученную формулу, выразив радиус кривизны R мениска через радиус капиллярной трубочки r.
Полученная формула, определяющая высоту поднятия жидкости в капиллярной трубочке, носит название формулы Жюрена. Очевидно, что чем меньше радиус трубки, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость. Кроме того, высота поднятия растёт с увеличением коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
Подъём смачивающей жидкости по капилляру можно объяснить и по-другому. Как было сказано ранее, под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости стремится сократиться. Вследствие этого поверхность вогнутого мениска стремится выпрямиться и сделаться плоской. При этом она тянет за собой частицы жидкости, лежащие под ней, и жидкость поднимается по капилляру вверх. Но поверхность жидкости в узкой трубке плоской оставаться не может, она должна иметь форму вогнутого мениска. Как только в новом положении данная поверхность примет форму мениска, она снова будет стремиться сократиться и т.д. В результате действия этих причин смачивающая жидкость и поднимается по капилляру. Поднятие прекратится, когда сила тяжести Fтяж поднятого столба жидкости, которая тянет поверхность вниз, уравновесит равнодействующую силу F сил поверхностного натяжения, направленных касательно к каждой точке поверхности.
По окружности соприкосновения поверхности жидкости со стенкой капилляра действует сила поверхностного натяжения, равная произведению коэффициента поверхностного натяжения на длину окружности: 2 σπ r, где r – радиус капилляра.
Сила тяжести, действующая на поднятую жидкость,
где ρ – плотность жидкости; h – высота столба жидкости в капилляре; g – устроение силы тяжести.
Подъём жидкости прекращается, когда Fтяж = F или ρπ r^2hg = 2 σπ r. Отсюда высота поднятия жидкости в капилляре h = 2 σ / ρ gR.
В случае несмачивающей жидкости последняя, стремясь сократить свою поверхность, будет опускаться вниз, выталкивая жидкость из капилляра.
Выведенная формула применима и для несмачивающей жидкости. В этом случае h – высота опускания жидкости в капилляре.
Капиллярные явления в природе
Капиллярные явления также весьма распространены в природе и часто используются в практической деятельности человека. Дерево, бумага, кожа, кирпич и очень многие другие предметы, окружающие нас, имеют капилляры. За счет капилляров вода поднимается по стеблям растений и впитывается в полотенце, когда мы им вытираемся. Поднятие воды по мельчайшим отверстиям в куске сахара, забор крови из пальца – это тоже примеры капиллярных явлений.
По многочисленным капиллярам, имеющимся в почве, вода из глубинных слоев поднимается к поверхности и интенсивно испаряется. Чтобы замедлить процесс потери влаги, капилляры разрушают путем разрыхления почвы с помощью борон, культиваторов, рыхлителей.
Практическая часть
Возьмем стеклянную трубочку с очень маленьким внутренним диаметром (d
Урок на тему: «Взаимодействие молекул. Смачивание и несмачивание» (7 класс)
Тема: Взаимодействие молекул. Смачивание и несмачивание.
· изучить взаимодействие молекул;
· ввести понятие смачивания и несмачивания;
· развитие исследовательских навыков;
· могут приводить примеры и описывать взаимодействие молекул;
· делать самостоятельно вывод по полученным данным;
· воспитывают интерес к физике;
· формируют научное мировоззрение.
Тип урока : урок изучения нового материала
Приборы и материалы : мел, пластилин, штатив, пружина, стекло, емкость с водой
Приветствие, проверка присутствующих. Объяснение хода урока.
II. Проверка и актуализация знаний
На прошлом уроке мы познакомились с движением молекул, которое проявляет себя в различных явлениях, доступных нашему наблюдению. Давайте вспомним:
· Какие явления которые можно наблюдать и невооруженным глазом, и через микроскоп являются свидетельством того, что молекулы движутся? (диффузия)
· Что такое диффузия? (взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества)
· В чем состоит суть броуновского движения? Кем было открыто данное явление?
III. Сообщение темы и постановка целей урока
Итак, то что молекулы движутся мы с вами точно знаем. Сегодня мы поговорим еще об одном свойстве молекул, об их взаимодействие. Тема сегодняшнего нашего урока: “Взаимодействие молекул. Смачивание и несмачивание”.
Мы знаем, что все вещества состоят из молекул, эти молекулы движутся – это было подтверждено нами с помощью таких экспериментов как диффузия. Скажите пожалуйста, почему кусочек мела не разлетается во все стороны в виде отдельных молекул? (молекулы связаны) Что значит связаны? (они действуют друг на друга). Чтобы разломить данный кусочек мела мне придётся приложить усилия, следовательно что происходит когда я пытаюсь разломить его? Я пытаюсь увеличить расстояние между молекулами, но мне не удается это сделать сразу. При попытке увеличить расстояние между молекулами, между ними возникают силы притяжения. Эти силы очень маленькие, но молекул столько много, что эти сила складываясь, создают то, что в физике называют силой упругости. И эта сила упругости не дает мне разорвать кусочек мела.
Возьмем тот же кусочек мела и попробуем его сжать. Не получается. Что значит сжать? Уменьшить расстояние между молекулами. Почему у меня не получается сжать кусочек мела? (возникают силы отталкивания)
Например, я разломлю кусочек мела, и потом попробуем соединить эти два кусочка между собой, силы притяжения должны включиться и удержать этот кусочек, но ничего не получается, как Вы думаете в чем причина? Скажите поверхность кусочка мела ровная? (Нет) Значит когда я пытаюсь восстановить кусочек мела, из-за неровности поверхности, мне не удается сблизить молекулы настолько, чтобы включились силы притяжения. Это говорит, о том, что силы взаимодействия между молекулами работают на очень коротких расстояниях. На расстояниях порядка размеров самих молекул, 
. В том, что силы притяжения можно включить, мы сейчас с вами убедимся. Возьмем кусочек пластилина, разорвем его, и обратно сблизим два кусочка, у нас получился целый кусочек. Почему мел нельзя склеить, а пластилин можно? Кусочек мела он твердый, поэтому когда сближаем два кусочка до расстояния когда включаются силы межмолекулярного притяжения мне это не удается, а пластилин мягкий, поэтому когда я сближаю кусочки пластилина, то пластилин деформируется, его форма меняется так, что на большой площади молекулы сближаются на столько близко, что включаются силы притяжения и кусочек пластилина снова становиться целым.
Сейчас мы с Вами поговорим о взаимодействие молекул жидкости с молекулами твердого тела. На пружине подвешен кусочек стекла. Возьмем сосуд с водой и поднесем воду к поверхности стекла, и опусти сосуд вниз.
Когда мы опускаем сосуд с водой, стекло опускается вслед за водой и растягивает пружину. О чем свидетельствует этот результат? (молекулы воды притягиваются к молекулам стекла)
Когда мы вытащили стекло, то на его поверхности остались висящие капли воды. О чем свидетельствует, то что вот эта вода не осталась с основной массой воды, а осталась со стеклом? (между молекулами стекла и воды силы притяжения больше, чем между самими молекулами воды). В случае смачивания сила притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между самими молекулами жидкости.
Вода – стекло, ртуть – металлы, расплавленные олово и свинец – медь, железо, цинк
Вода – углерод (сажа), ртуть – стекло, вода – жир
Вот эти явления смачивания и несмачивания, находят широкое применение в технике и проявление в природе. Например, смачивание можно использовать при склеивание разных веществ. Клей обладает двумя важными свойствами, он смачивает те поверхности которые вы склеиваете, и застывает через некоторое время.
Технология соединения различных металлов другим расплавленным металлом называется пайка.
Например, несмачивание в жизни человека – зонты, палатки, обувь, одежда, гидрофобные покрытия, в природе – есть такое насекомое водомерка, бегающие по поверхности воды, ее лапки несмачиваются, перья водоплавающих птиц.
Пайка это основная технология при изготовление радиоаппаратуры.
· Все ли было понятно на уроке? Что вызвало трудности?
· Что мы сегодня изучили?
VII. Домашнее задание : §10 прочитать, конспект, сборник задач В.И. Лукашик № 70-75, 80-83.
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Что такое смачиваемость и несмачиваемость в физике 7 класс
Выполнила: Тюрина Анастасия.
Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания)- это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. Мерой смачивания служит краевой угол θ — это угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и стенкой (плоскостью поверхности твердого тела). Внутри краевого угла всегда находится жидкость. Для смачивающей жидкости θ — острый, для несмачивающей θ — тупой. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.
Опыты, подтверждающие существование явлений смачивания и несмачивания
Положите рядом стеариновую и стеклянную пластинки. Капните из пипетки на каждую из них по маленькой капле воды. На стеариновой пластинке получится полушарие диаметром примерно 3 миллиметра, а на стеклянной пластинке капля растечется. Теперь возьмите стеклянную пластинку и наклоните ее. Капля уже и так растеклась, а теперь она потечет дальше. Молекулы воды охотнее притягиваются к стеклу, чем друг к другу. Другая же капля будет кататься по стеарину при наклонах пластинки в разные стороны. Удержаться на стеарине вода не может, она его не смачивает, молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стеарина.
Несмачивание в природе.
Роль поверхностных явлений в природе разнообразна. Например, поверхностная плёнка воды является для многих организмов опорой при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок. Лапка, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней.
Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желёз, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключённый между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает запас плавучести, действуя подобно спасательному поясу.
Воскообразный налёт на листьях препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений. Наличием того же воскового налёта объясняется водонепроницаемость соломенной кровли, стога сена и т.д.
Заключение
Таким образом, явления смачивания и несмачивания имеют важное значение в природе, промышленной технологии, быту. Хорошее смачивание необходимо при крашении и стирке, обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий, пропитке волокнистых материалов, склеивании, пайке, амальгамировании и т. д. Снизить смачивание до минимума стремятся при получении гидрофобных покрытий, гидроизоляционных материалов и др. В некоторых случаях, например при флотации и эмульгировании твёрдыми эмульгаторами, требуется сохранение краевых углов в определённом интервале значений. С. играет первостепенную роль в металлургических процессах, при диспергировании твёрдых тел в жидкой среде. Оно влияет на распространение грунтовых вод, увлажнение почв, разнообразные биологические и другие природные процессы.