Урок. Властивості рідин. Поверхневий натяг. Капілярність.

ТЕМА: Властивості рідин. Поверхневий натяг. Змочування і незмочування. Капілярні явища.

 

МЕТА: ознайомити студентів з особливостями рідкого стану речовини; ввести поняття, сила поверхневого натягу, коефіцієнт поверхневого натягу, капілярні явища, змочування, незмочування; вчити студентів пояснювати природні явища на основі набутих знань; показати практичну значущість вивченої теми; розвивати інтерес до вивчення фізики.

 

ОБЛАДНАННЯ ТА НАОЧНІСТЬ: мильний розчин, набір капілярних трубок, набір мідних рамок, фото, що ілюструють будову рідини, властивості поверхневого шару, форму  краплі води на поверхні листя рослин, відео «Поведінка краплі в космічному кораблі», «Водомірка».

 

ДЕМОНСТРАЦІЯ: мильні бульбашки, скорочення поверхні мильних плівок, капілярність, фотографії, відео фрагменти.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХІД  ЗАНЯТТЯ

 

ПУЗЫРЬ И  КАПЛЯ

Пуская из тростинки пузыри

И видя, как взлетающая пена

Вдруг расцветает пламенем зари,

Малыш на них глядит самозабвенно

Старик, студент, малыш – любой творит

Из пены майи дивные виденье,

По существу лишенные значенья

Но через них нам вечный путь открыт,

А он, открывшись, радостней горит.

Герман  Гессе  «Игра в бисер».

Майя -  поняття стародавньої індійської філософії, яка означає ілюзорність всього, що ми сприймаємо.

« Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставал извлекать из него уроки физики»

Лорд Кельвин

«Мыльный пузырь - самое красивое и самое совершенное, что существует в природе»

Марк Твен

 

 

1. Організаційний момент ( привітання, заповнення журналу, перевірка наявності домашнього завдання).
2. Актуалізація опорних знань (фронтальне опитування):

1. В яких агрегатних станах може знаходитися речовина? (Газоподібний, твердий, рідкий).
2. Чи відрізняються молекули однієї і тієї ж речовини в різних  агрегатних станах? ( ні)
3. Навести приклади фазових  переходів (випаровування, конденсація, плавлення,кристалізація).
4. Охарактеризувати випаровування, конденсацію, плавлення і кристалізацію з точки зору енергетичних змін речовини.(Випаровування і плавлення потребують витрат енергії, конденсація і кристалізація супроводжується виділенням теплоти).
5. Сформулювати основні властивості рідин і пояснити їх з точки зору молекулярно-кінетичної теорії.

а) текучість(кожна молекула рідини «затиснута» з усіх боків сусідніми  молекулами і здійснює теплові коливання навколо деякого положення рівноваги; однак час від часу молекула рідини може переміститися на вакантне місце. Такі «стрибки» відбуваються доволі часто. Цим і пояснюється текучість рідини;     

б)  при  певній конкретній температурі рідини кристалізуються і тверднуть;

               6)  на межі з повітрям рідини утворюють вільну поверхню.

III. Вивчення нового матеріалу ( лекція з проблемними питаннями, проблемними ситуаціями, показом ілюстрацій (фото), експериментів і відео).

 Сьогодні ми розглянемо властивості поверхневого шару рідин. Почнемо нашу бесіду з  висловлювання Кельвіна: «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него? Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Як ви розумієте це висловлювання? Які б питання ви задали собі,спостерігаючи мильні бульбашки?

 ( дослід 1. Мильні бульбашки.)

(Чому мильні бульбашки мають сферичну форму? Чому з часом зменшуються і лопаються? Чому вони забарвлені і «переливаються» різними кольорами? Чому на їх поверхні ми бачимо віддзеркалення предметів?)

Є ще і інші запитання, на які ми сьогодні зможемо відповісти.

Мабуть, ви всі помічали, як виглядають краплі роси або дощу на листях або гілках рослин ( Демонстрація фотографій).

Фото 1. Краплі води на листках троянди.

Фото2. Крапля дощу на гілках дерева.

Виникають питання: Яку характерну форму мають ці краплі? Чому вони не розтікаються по поверхні листя? Чому краплі дощу, які падають на землю, теж кулясті? В космічному кораблі вода приймає також форму кулі?

Фото 3. Крапля води в стані невагомості.

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=dmfdZ2hRZR4 –посилання на відео про поведінку рідини в стані невагомості.

Чому? Сподіваюсь, що після нашої бесіди ми дамо відповідь на це питання і пояснити ще дуже багато цікавих фактів, що стосуються рідин: від процесу утворення крапель до поведінки рідини в живих організмах.

Більше того, усвідомлення  властивостей поверхні рідини дає можливість активно використовувати їх в широкому практичному діапазоні? Від сільського господарства до космічної техніки.

 На що треба спиратися, щоб з’ясувати причини такої поведінки рідини? На особливості внутрішньої будови рідин. В чому вони полягають?

 Проаналізуємо фото 4, на якому схематично зображено внутрішню будову рідин.

 Рідина, як і будь-яка інша речовина, складається з молекул. Молекули розміщені певним чином, але, на відміну від твердих тіл, там відсутня правильні внутрішня структура або кристалічна решітка, немає так званого –зального порядку, як у твердих кристалічних тіл.

 З точки зору внутрішньої будови рідини займають проміжне положення між твердими кристалічними речовинами з дальнім порядком в розміщенні молекул і газами, де в розміщення молекул панує хаос.

 Для рідини характерний ближній порядок, тобто, завдяки сильній взаємодії між близько розташованими молекулами можуть створюватися локальні упорядковані групи із декількох молекул. На великих відсотках цей порядок руйнується і переходить в безлад.

 (фото5. Ближній порядок в рідинах).

 А зараз переходимо до розглядання властивостей поверхні рідини.  Проведемо простий, але дуже важливий експеримент, який буде підказкою нам в подальших міркуваннях.

 ( Дослід 2. Дослід з мильними плівками).

Візьмемо дротяний каркас з прив’язаною до нього попереку не натягнутою ниткою. Зануримо рамку в мильний розчин. На рамці утворилася мильна плівка. Нитка буде вільно знаходитися на поверхні плівки в не натягнутому вигляді. Якщо проколоти плівку з одного боку від нитки, то плівка скоротиться і нитка прийме форму дуги. Що це означає?

 Це означає, що в поверхневому шарі рідини існують сили, які намагаються скоротити площу поверхні рідини. Ці сили називаються силами поверхневого натягу. Очевидно, що наявністю такої сили можна пояснити і те, що рідина в  вільному стані ( краплі дощу, крапля води в космічному кораблі, крапля роси) приймає форму кулі.

 Тут доцільно подивитись відео про поведінку рідини в стані невагомості (відео «Експерименти з краплею в космічному кораблі»). https://www.youtube.com/watch?v=dmfdZ2hRZR4

Пояснимо, як виникає ця сила. Розглянемо і порівняємо умови, в яких знаходяться молекули всередині рідини і на її поверхні.

 Молекули всередині рідини з усіх боків оточені іншими молекулами і взаємодіють з ними. В результаті в глибинних шарах рідини сили взаємодії врівноважуються (тобто, рівнодійна сил, що діють на молекули з боку сусідніх молекул, дорівнює  0 ).

 Молекули на поверхні рідини знаходяться в особливих умовах. Кожна молекула поверхневого шару притягується молекулами, що містяться всередині рідини, зверху молекули пари практично не діють. В  цьому випадку рівнодійна сил, що діють на таку молекулу з боку молекул-сусідів, не дорівнює 0, і напрямлене всередину рідини.

 Це означає, що кожна  молекула поверхневого шару рідини має тенденцію рухатися, всередину рідини. Так і діє сила поверхневого натягу. До яких пір це буде тривати? А до тих пір,поки кількість молекул і площа поверхні рідини не скоротяться до мінімальної. Мінімальну ж площу поверхні при рівних об’ємах різних тіл має куля. Таким чином, ми пояснили кулеподібну краплю рідини в стані невагомості, в космосі, в земних умовах при невеликих масах, наприклад, коли каплі дощу вільно падають і практично знаходяться в стані невагомості, маленькі краплі роси також за формою близькі до кулі.

 До речі, якщо б каплі дощу не були кулеподібними, то не було б радуги. Сферична форма мильної бульбашки також пояснюється наявністю сили поверхневого натягу. Подивимося ще раз на мильні бульбашки. Опишіть їх.

 Вони сферичні за формою, зменшуються в розмірах і з часом лопаються. Всередині створюється надлишковий тиск, тобто, тиск, більший за атмосферний за рахунок того,що мильна плівка намагається зменшити свою поверхню, стискує повітря всередині бульбашки, тим самим збільшує тиск і плівка в кінці кінців лопається.

 Ще раз робимо висновок про наявність в поверхневому шарі рідини особливої сили, яка називається силою поверхневого натягу і дія якої приводить до скорочень площі поверхні рідини.

 Напрям цієї сили завжди є перпендикулярним до межі поверхні рідини. Здатність рідини скорочувати свою поверхню називається поверхневим натягом.

 Сила поверхневого натягу характеризується коефіцієнтом поверхневого натягу або просто поверхневим натягом. Ця величина залежить від природи речовини і гранічних середовищ і температури, дається в таблицях і дорівнює силі, що діє на одиницю періода:

σ= ;

ℓ - периметр поверхні; σ- коефіцієнт поверхневого натягу;[σ ] = 1.

Залежність сили поверхневого натягу і коефіцієнта поверхневого натягу від домішків можна продемонструвати експериментально. Можна використати домашню заготовку студентів - відео з домашнім дослідом? На поверхню води насипається мелений перець; додається крапля мильного розчину або солодкої води. В одному випадку порошок розбігається від центру, в іншому - збігається. Показати результати досліду на екрану і попросити студентів пояснити їх.

 Залежність σ від температури можна показати, якщо доторкнуться розжареною дротинкою до поверхні води. Порошок перцю або тальку розбігається від центру. Що це означає? Поясніть.

 Наявність домі шків різних речовин в рідині впливає на  величину поверхневого натягу. Багато речовин, в основному органічних, зменшують поверхневий натяг. Такі речовини називають поверхнево-активними (ПАР). Це білки, жовчні кислоти, мила, спирти, альдегіди, складні ефірні та інші.

 Речовини, наявність яких суттєво не впливає на поверхневий натяг, називаються поверхнево інактивними (фруктоза, глюкоза,крохмаль та ін.).

 Зменшення поверхневого натягу впливає на процеси всмоктування поживних речовин в тонкому  кишківнику.

 Жири і ліпіди поступають у вигляді крапель, емульгуються жовчю в тонкому кишківнику і стають доступними для розщеплення ліпазою і іншими ліполітичними ферментами. ПАРи при додаванні до рідин (води) збільшують здатність змочувати поверхні а,значить, очищувати їх.

 У сільському господарстві при використанні інсектицидів до них додають мила, що сприяє покращенню контакту з поверхнею рослин і тілом комахи.

 Поверхневий натяг використовується в технологіях лаків і фарб і обумовлює здатність різних лаків і  фарб до розпилення і її змочування поверхонь, визначає швидкість злиття крапель при розпилюванні, а їх поверхневий натяг залежить від природи розчинників. Це ароматичні і  аліфатичні вуглеводні, складні ефірні спирти, кетони, їх поверхневий натяг приблизно 22,36·10^{-3 .}  

 Роль поверхневих явищ в природі є різноманітною. Наприклад, поверхнева плівка води є опорою під час руху для комах і павукоподібних. Найбільш цікавий рух водомірок, які спираються на воду кінцями широко розставлених  лапок. Лапки водомірок покриті шаром  воскоподібної речовини, не змочуються водою, і поверхня води прогинається під ними, поводить себе як плівка. Подібним чином переміщуються берегові павуки, але їхні лапки розміщені не паралельно до поверхні води, а перпендикулярно ( відеофільм «Водомірка») https://www.youtube.com/watch?v=FLK3SOD9QE0

ЗМОЧУВАННЯ

Явище поверхневого натягу виявляється не тільки на межі рідини - газ, а і на межі рідини - тверде тіло.

Розглянемо поведінку рідини під час взаємодії з твердим тілом. Які можливі варіанти? Рідина може розтікатися тонкою плівкою на поверхні, в цьому випадку говорять,що вона змочує поверхню, а може не розтікатися і збиратися в краплю, в цьому випадку говорять, що рідина не змочує дане тверде тіло.

Наприклад, вода змочує скло, але  не змочує парафін; ртуть змочує залізо, мідь, цинк, алюміній, але не змочує скло ( фото 6. Змочування і незмочування). Пояснюється це явище легко: якщо сили  міжмолекулярного зчеплення всередині краплі більші, ніж між молекулами рідини і твердого тіла, то крапля не розтікається, рідина не змочує тверде тіло. І,  навпаки, якщо сили міжмолекулярної взаємодії в рідині слабші, ніж між  молекулами рідини і твердого тіла, в місці дотикання, то рідина змочує дану поверхню.

На явища змочування ґрунтується технологія розділення мілких твердих частинок(мінералів) і виділення крапель дисперсної фази з емульсій(флотація). Ґрунтується флотація на різниці змочування частинок рідиною ( водою).

Застосовується метод флотації в гірничій, хімічній, продовольчій та інших галузях промисловості для відокремлення твердих частинок від рідини, під час переробки паперових відходів для відокремлення забруднених целюлозних волокон; для очищення каучуку, для очищення промислових стоків та інше.

 

КАПІЛЯРНІСТЬ.

Розглянемо ще одно явище, пов’язане з поверхневим натягом і змочуванням. Це капілярність.

Капілярністю (capilaris – лат.) називають  явище підняття ( або опускання) рідини в трубах малого діаметру ( 2 мм) -  капілярах.

Капілярний ефект – фізичне явище, яке полягає  у властивості рідин змінити рівень у вузьких трубках, тонких каналах і пористих тілах.

У житті ми часто маємо справу з тілами, пронизаними  безліччю дрібних каналів ( папір, пряжа, шкіра, різні будівельні матеріали, ґрунт, дерево).Стикаючись із водою або іншими рідинами, такі тіла дуже часто всмоктують їх у себе. На  цьому ґрунтується дія рушника під час витирання рук, дія ґнота в гасовій лампі тощо.

Вузькі циліндричні  трубки з діаметром близько міліметра й менше називаються капілярами.

Зануримо вузьку трубку в рідину. Якщо рідина змочує стінки трубки, то вона піднімається по стінці трубки над рівнем рідини в посудині, причому тим вище, чим вужча трубка.

Якщо рідина не змочує стінок, то, навпаки, рівень рідини у вузькій трубці буде нижчим, ніж у широкій посудині.

Установлено, що тиск під увігнутою поверхнею менший, а під опуклою- більший, ніж під плоскою. Це можна уявити собі так, що під опуклою поверхнею рідини створюється додатковий тиск, що діє вниз. Цей додатковий тиск, мабуть, залежить як від поверхневого натягу, так і від форми поверхні.

Капілярні явища надзвичайно поширені в природі, техніці й побуті:

• проникнення поживних речовин з ґрунту в рослини;
• підйом вологи з глибоких шарів ґрунту;
• будівельна практика;
• застосування рушників, серветок, марлі тощо;

Живлення рослин зумовлене  всмоктуванням із ґрунту вологи й поживних речовин, що є можливим завдяки наявності капілярів у кореневій системі й стеблах рослини.

Урахування капілярності необхідне під час обробки ґрунту. Наприклад, для того щоб відбувався більш інтенсивний випар вологи з ґрунту, необхідно ущільнювати його. У цьому випадку в ґрунті утворюються капіляри й волога піднімається по них угору й випаровується. Щоб зменшити випар, ґрунт розпушують, руйнуючи при цьому капіляри, і волога довше залишається в ґрунті.

Тіла, що мають велику кількість капілярів, добре вбирають вологу. Завдяки цьому під час витирання рук рушник усмоктує в себе воду, гас або розплавлений стеарин піднімаються по ґноту лампи або свічки.

Закріплення.

З А Д А Ч І

 

1.З якою силою діє мильна плівка на дротяну перекладину рамки, якщо довжина дротини 3 см. Яку роботу потрібно виконати, щоб перемістити перекладину на 2 см.

 

2. На поверхню води поклали сірник і доторкнулись до води шматочком мила по один бік від нього. Пояснити явище. Визначити сили, що спонукає сірник рухатися.

 

3.На яку висоту може піднятися вода в капілярному каналі стебла пшениці діаметром 0,04 мм?

 

4.Обчислити масу води, що піднялась в капілярній трубці діаметром 0,5 мм.

 

5. Яка маса краплі в момент відриву, якщо діаметр каналу бюретки дорівнює 12 мм.

Домашнє завдання.

§§52-55, скласти кросворд з теми “Властивості рідин і твердих тіл”.