Урок «Поверхневий натяг рідини. Змочування. Капілярні явища»

№

Завдання

Бали

1

Яким символом позначають відносну вологість повітря і якою є її одиниця в СІ?

1

2

Відносна вологість в приміщенні 100 %. Яке співвідношення виконується для показів сухого термометра Т₁ і вологого термометра Т₂ психрометра?

1

3

Насиченою чи ненасиченою є водяна пара густиною 4,84 г/ м³ за температури

0 ⁰С?

1

4

Скільки водяної пари міститься в кожному кубічному метрі атмосферного повітря за температури 25 ⁰С і відносній вологості 50 %?

1

5

Якою є відносна вологість повітря за температури 20 ⁰С, якщо тиск водяної пари – 840 Па?

1

6

Відносна вологість повітря у кімнаті за температури 22 ⁰С становить 68 %. Якими є покази вологого термометра психрометра?

1

1. Властивості поверхні рідини.

Молекули в рідині розміщуються на менших відстанях, ніж молекули газів, і тому сильніше взаємодіють між собою. Розглянемо дві молекули А і Б

(рис. 1). Молекула А оточена іншими молекулами рідини рівномірно, тому сили, які діють на молекулу А з боку інших молекул скомпенсовані, тобто їх рівнодійна дорівнює нулю = 0.

Молекула Б з одного боку оточена молекулами рідини, а з іншого боку ― сильно розрідженими молекулами газу. Оскільки з боку рідини на неї діє більше молекул, то рівнодійна всіх сил буде спрямована в середину рідини. Щоб утримати молекули у поверхневому шарі, треба виконати роботу проти не скомпенсованих сил, які намагаються втягнути поверхневі молекули в середину рідини. Тобто молекули поверхневого шару мають надлишкову потенціальну енергію, яку називають поверхневою енергією.

2. Поверхневий натяг.

Проведемо дослідження.

Експериментальне завдання 1.

Властивість поверхні рідини скорочуватися можна пояснити існуванням сил, які намагаються скоротити цю поверхню.

Сила поверхневого натягу – це сила, що діє вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, що обмежує поверхню, та намагається скоротити площу поверхні до мінімуму.

Здатність рідини до скорочення своєї поверхні називають поверхневим натягом.

Поверхневий натяг рідини — це відношення сили поверхневого натягу , яка діє на елемент контуру, що обмежує цю поверхню, до довжини контуру :

— поверхневий натяг рідини;

— сила поверхневого натягу;

— довжина контуру.

Фізичний зміст поверхневого натягу: поверхневий натяг чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, яка діє на кожну одиницю довжини контуру, що обмежує поверхню рідини.

Одиниця поверхневого натягу рідини в СІ — ньютон на метр (Н/м).

З’ясуємо від чого залежить поверхневий натяг рідини.

Експериментальне завдання 2.

• Завдання для учнів І групи

• Завдання для учнів ІІ групи

Поверхневий натяг залежить від роду рідини, її температури та наявності домішок. Підвищення температури рідини супроводжується зменшенням поверхневого натягу рідини, бо слабшають сили міжмолекулярної взаємодії.

Величина поверхневого натягу різних рідин при 0° C наводиться у довідниках з фізики.

Поверхневий натяг рідини (при t = 20 ⁰С)

3. Змочування. Незмочування.

Експериментальне завдання 3.

Змочування чи не змочування рідинами поверхні твердих тіл на межі їх дотику зумовлене їхньою міжмолекулярною взаємодією.

Якщо сили зчеплення частинок рідини й твердого тіла більші за сили зчеплення частинок рідини, то рідина розтікається ‒ спостерігають змочування і крайовий кут , який утворюється між дотичною до поверхні рідини і поверхнею твердого тіла, гострий

(рис. 2 Якщо сили зчеплення частинок рідини й твердого тіла менші за сили зчеплення частинок рідини, то рідина не розтікається, а навпаки збирається в краплі. В цьому випадку рідина не змочує тверде тіло і

крайовий кут тупий .

Властивість рідин змочувати чи не змочувати поверхні твердих тіл виявляється у викривленні їхньої вільної поверхні на межі з посудиною.

Рідина, що змочує поверхню, ніби піднімається по її краях, утворюючи ввігнуту поверхню — ввігнутий меніск , незмочуюча рідина має опуклий меніск (рис. 4).

4. Капіляри. Капілярні явища.

Вузькі трубки, діаметр яких набагато менший за їх довжину, називають капілярами.

Експериментальне завдання 5.

Явища підйому рідини по капіляру при змочуванні й опускання при незмочуванні називаються капілярними явищами.

Опустимо капіляр в рідину, яка його змочує  (рис. 5). Сили поверхневого натягу, прикладені до контура, що обмежує поверхню, будуть напрямлені уздовж стінки капіляра, рівнодійна цих сил буде напрямлена вгору. Під її дією рідина підніматиметься по капіляру, доки

Рис. 5

не досягне висоти h, на якій сила тяжіння, що діє на рідину, не зрівноважиться цією рівнодійною: F_{п. н.} = F_т, F_{п. н.} = , F_{п. н.} = ,

   =>

— коефіцієнт поверхневого натягу; — густина рідини;

g = 9,81 м/с²; r — радіус капіляра; h — висота підняття рідини в капілярі.

Рідина, що не змочує стінки капіляра, опускається нижче рівня рідини у широкому сосуді (рис. 6).

Рис. 6

Випереджувальне завдання

5. Роль поверхневих явищ у природі

(презентація учнів)

Молекули поверхневого шару рідини діють на молекули з глибини рідини з певною силою.

Сила поверхневого натягу – це сила, що діє вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, що обмежує поверхню, та намагається …… площу поверхні до мінімуму.

… 0

Поверхневий натяг рідини (…) — це відношення сили поверхневого натягу , яка діє на елемент контуру, що обмежує цю поверхню, до довжини контуру :

Поверхневий натяг залежить від роду рідини, її температури та наявності ……..

Дано:

Розв’язання:

Висота піднімання рідини в капілярі h = ; радіус капіляра r =   => h = .

= = = м.

d = … м

= 1000 кг/м³

= 73·10^-3 Н/м

… ‒ ?

h = = …·10^-3 (м)

Дано:

СІ:

Розв’язання:

Висота піднімання рідини в капілярі:

h =   =>  = .   = = = кг/м³.

r = … мм

h = … мм

= 0,022·10^-3 Н/м

‒ ?

= = 800 (кг/м³).

Дано:

СІ:

… м

… м

Розв’язання:

Робота A дорівнює збільшенню енергії вільної поверхні рідини:

А =

 d = … см

 l = 5 см

= 40·10^-3 Н/м

‒ ?

Оскільки треба враховувати збільшення поверхні з обох боків плівки, то = 2dl. Тоді A = 2l.

= ·м · м = Н·м = Дж.

А = 2·40·10^-3·0,1·5·10^-2 = … Дж.

Практичне завдання

Вибери рівень завдання і виконай його

№ з/п

Зміст завдання

УРБ

Середній рівень

1.

До динамометра підвісили горизонтально шматочок тонкої дротини (рис. 1). Потім дротину привели в стикання з поверхню води і стали повільно піднімати динамометр. На

рисунку 2 зображено момент відриву дротини від поверхні рідини.

1. Визначити коефіцієнт поверхневого натягу води.
2. Як зміниться коефіцієнт поверхневого натягу при збільшенні температури води? 

3

Достатній рівень

2.

Тонке дротяне кільце підвішене до динамометру занурюють у посудину з водою

(рис. 1), потім повільно піднімають. На рисунку 2 зображено момент відриву кільця від поверхні рідини.

1. Визначити коефіцієнт поверхневого натягу води.
2. Чому дорівнює коефіцієнт поверхневого натягу води, якщо температура буде критичною?

3

А

Б

В

Г

F =

F =

F =

F =

А

Б

В

Г

1,2 мм

0,12 мм

0,012 мм

0, 0012 мм