СВОЙСТВА ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ, ТВЕРДЫХ ТЕЛ*

Урок № 15

Тема. Явление смачивания. Капиллярность

Цель: ознакомить учащихся с явлениями смачивания и капиллярности.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование: расплавленный парафин, картон, ножницы, проволока, мыло, вода в сосуде.

Самое главное мышление не может дать никаких знаний о мире фактов.

Познание реального мира исходит из опытов и заканчивается ими.

А. Эйнштейн

ХОД УРОКА

I. Разминка

Упражнение «Найди лишнее»

Психрометр, гигрометр, амперметр, термометр. (Амперметр)

Роса, туман, иней, снег, дождь, молния. (Молния)

II. Актуализация опорных знаний

Работа учащихся по группам

Провести опыт и объяснить его физический смысл.

И группа

Из тонкого картона вырежьте фигуры, которые изображены на рисунке. Окуните их в расплавленный парафин. После того как фигуры остынут, пустите их плавать на поверхность воды, налитой в стеклянный сосуд. Палочкой, конец которой был смоченный в мыльном растворе, коснитесь воды, как показано на рисунке. «Снаряд» вылетит из « пушки ». Если коснуться воды внутри «рыбы», то она поплывет.

1. Зачем было смачивать фигуры в расплавленном парафине?

2. Что вызывает движение «снаряда» и «рыбы»?

3. Что произойдет, если коснуться палочкой воды в месте перед «снарядом»?

(В том месте, куда попадает мыльный раствор, поверхностный

натяжение уменьшается, и тогда часть пленки воды, поверхностное натяжение которой больше, сокращаясь, тянет за собой фигуры, плавают.)

II группа

Сделайте из проволоки кольцо диаметром 10-15 см. Привяжите к нему нитку так, чтобы она соединила противоположные стороны кольца. Длина нити должна быть больше диаметра, но меньше половины длины кольца. Образуйте мыльную пленку, погрузив кольцо с нитью в мыльный раствор.

Если проткнуть пленку с одной стороны, то другая образует с ниткой полумесяц.

Если в пленке расположить петлю и разрушить пленку внутри нее, петля образует форму круга.

1. Почему, если разрушить пленку с одной стороны нитки, то другая образует форму полумесяца?

2. Почему петля из нити приобретает форму именно круга, а не другой фигуры?

3. Когда силы поверхностного натяжения были большими - в начале сжатия пленки или в конце?

(Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что пленка пытается уменьшить площадь своей поверхности. Разрушив пленку с одной стороны, мы даем возможность пленке, оставшейся уменьшить свою поверхность, стягнувшись в форме полумесяца. Во втором случае пленка растягивает петлю из нити во всех направлениях.)

III. Изучение нового материала

Опыт. Погрузим в воду пластилиновую шарик. Как видим, шарик не мокрая. Почему?

А когда погрузим шарик из бумаги, то она промокнет. Почему?

В первом случае, вытаскивая шарик из воды, мы отрываем частицы жидкости от частиц твердого тела, а во втором - частицы жидкости друг от друга. Это объясняется различием в силах сцепления.

Если силы сцепления частиц жидкости и твердого тела больше силы сцепления частиц жидкости, жидкость называется змочувальною, то есть такой, которая смачивает данное твердое тело.

Если силы сцепления частиц жидкости и твердого тела меньше силы сцепления частиц жидкости, жидкость называется незмочувальною.

Явление смачивания приводит к искривлению поверхности жидкости у поверхности твердого тела. Явление смачивания характеризуется краевым углом θ.

Для змочувальної жидкости краевой угол острый:

Для незмочувальної - тупой:

Явление полного растекания жидкости называется полным смачиванием: θ = 0. Оно характерно, например, для воды, что находится на чистом стекле.

Случай θ = соответствует полному незмочуванню твердого тела жидкостью. Оно наблюдается, например, в случае контакта воды и парафина.

Явление смачивания используют во время склеивания, пайки, покраски тел. Явление смачивания необходимо учитывать при конструировании космических аппаратов, поскольку в состоянии невесомости змочувальна жидкость растекается по стенкам сосуда, в котором содержится, а незмочувальна - собирается большой каплей внутри сосуда.

Тоненькие трубки, где жидкость вследствие смачивания (несмачиваемость) поднимается (или опускается), называют капиллярами, а явление поднятие (или опускание) жидкости в них - капиллярностью.

Опустим такую трубку в жидкость.

Опыт. Очень тонкую трубку опустить в воду. Вода поднимается по стенке трубки выше над уровнем жидкости в сосуде.

Но если взять трубку чуть более широкую, то жидкость поднимается над уровнем жидкости в сосуде меньше, чем в узкой.

Вывод: если жидкость смачивает стенки трубки, то она поднимается по стенке трубки над уровнем жидкости в сосуде и притом тем выше, чем уже трубка.

Если жидкость не смачивает стенки, то, наоборот, уровень жидкости в узкой трубке устанавливается ниже, чем в широком сосуде.

Установлено, что давление под вогнутой поверхностью меньше, а под выпуклой - больше, чем под плоской. Это можно представить себе так, что под выпуклой поверхностью жидкости создается дополнительное давление, что действует вниз. Этот дополнительный давление зависит как от поверхностного натяжения, так и от формы поверхности.

Если обозначить давление под кривой поверхностью г; давление под плоской поверхностью р0, то разницу р - р0 называют капиллярным давлением.

Тогда , т.е. капиллярное давление пропорционален поверхностному натяжению жидкости и обратно пропорционален радиусу кривизны поверхности.

Равновесие жидкости наступает тогда, когда поднятый столб жидкости своим весовым давлением уравновесит капиллярное давление:

, откуда

Искривленную поверхность жидкости в капиллярах или возле стенок сосуда называют мениском.

В змочувальної жидкости мениск вогнутый, в незмочувальної - выпуклый.

Дополнительное давление, обусловленное кривиною поверхности жидкости, определяется по формуле Лапласа:

где R1, R2 - радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений поверхности жидкости; знак «+» для выпуклого мениска, «-» для вогнутого.

Сообщение об открытии капиллярных явлений и их использование

Первооткрывателем капиллярных явлений считается Леонардо да Винчи. Однако первые аккуратные наблюдения капиллярных явлений в трубках и стеклянных пластинках были выполнены Фрэнсисом Хоксбі 1709 года. Как часто бывает, термодинамическое описание оказывается более простым и более общим, не будучи ограниченным недостатками конкретных моделей.

Именно в такой способ описал капиллярность Гиббс в 1878 г., построив чисто термодинамическую теорию. Эта теория стала неотъемлемой частью гіббсовської термодинамики. Теория капиллярности Гиббса, не опираясь непосредственно на какие-либо механистические модели, лишена недостатков теории Лапласа; она может по праву считаться первой детально развитой термодинамической теории поверхностных явлений.

О теории капиллярности Гиббса можно сказать, что она очень простая и очень сложная. Простая потому, что Гиббсу удалось найти метод, позволяющий получить наиболее компактные и изящные термодинамические соотношения, в равной степени применимы к плоских и искривленных поверхностей.

Капиллярные явления имеют большое значение в природе и технике. Благодаря этим явлениям происходит проникновение влаги из почвы в стебли и листья растений. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организмов. В теле взрослого человека примерно 160·109 капилляров, общая длина которых достигает 60-80 тыс. км.

В строительстве учитывают возможность поднятия влаги по капиллярных порах строительных материалов. Для защиты фундамента и стен от воздействия грунтовых вод и влаги применяют гидроизоляционные материалы: толь, смолы и др.

Благодаря капиллярному поднятию удается окрашивать ткани.

Часто капиллярные явления используют и в быту. Применение полотенец, салфеток, гигроскопической ваты, марли, промокательной бумаги возможно благодаря наличию в них капилляров.

Капиллярные явления используются при добыче нефти. Силы взаимодействия воды с горной породой больше, чем у нефти. Поэтому вода способна вытеснить нефть из мелких трещин в более крупные. Для увеличения нефтеотдачи пластов используются специальные поверхностно-активные вещества.

Нефть имеет неодинаковые оптические свойства.

Под действием ультрафиолетовых лучей нефть способна светиться.

При этом легкие нефти светятся голубым светом, тяжелые - бурой и желто-бурым. Это используется во время поиска нефти. Нефть является диэлектриком и имеет высокое удельное сопротивление. На этом основаны электрометрические методы установления в разрезе, вскрытом скважиной, нефтеносных слоев, оврагов.

Как видно из приведенного исторического обзора, капиллярные явления изучаются уже в течение почти трехсот лет. За это время заметно изменились способы описания капиллярных и поверхностных сил. Однако интересно отметить, что, начиная с самых первых работ по теории капиллярных явлений, люди вполне правильно относили их к макроскопических проявлений сил, действующих между частицами в веществе. С развитием представлений о эти силы менялось и понимание их роли в тех или капиллярных явлениях.

Теория Гиббса дала совершенно новый инструмент исследования поверхностных явлений. С использованием мощного и универсального аппарата термодинамики удалось дать более строгие определения понятиям границе раздела фаз, толщины пленки и др. Кроме того, формула Лапласа для разности давлений в фазах вблизи искривленной поверхности была получена в теории Гиббса без всяких дополнительных предположений о радиус действия межмолекулярных сил. Подход, развитый Гиббсом, и сегодня не теряет своей актуальности в силу своей универсальности и удивительной широты охвата явлений.

Сегодня исследования в области капиллярных и поверхностных сил продолжаются, что обусловлено как их важности в различных отраслях науки, так и широким спектром практических приложений.

IV. Обобщение знаний. Осмысление объективных связей

Решить задачи.

1. Пробковый кубик с ребром 2 см плавает в воде. Определить глубину его погружения в воду, считая смачивание полным.

2. Найдите массу воды, поднявшейся по капилляру, диаметр которого 0,64 мм.

V. Итог урока

Викторина с вопросами

- В сосуд с горячей водой опущена капиллярная трубка.

- Как изменится уровень воды в трубке во время охлаждения воды?

- Какую жидкость можно налить в стакан выше его венца?

- Приведите примеры смачивания и несмачиваемость.

Давление называют капиллярным?

- Для чего учитывают явление смачивания?

VI. Домашнее задание

Решить задачи.

1. Тонкая стальная игла может «лежать» на поверхности воды. Удастся ли этот эксперимент, если заранее иглу тщательно протереть одеколоном?

2. В спирт опущена трубка. Диаметр ее внутреннего канала равна 0,5 мм. На какую высоту поднимется спирт в трубке? Плотность спирта 800 кг/м3.