ناحیه کشش سطحی در علم شروع کنید. ضریب کشش سطحی آب

کشش سطحی آب یکی از جالب ترین خواص آب است.

در اینجا چندین تعریف از این اصطلاح از منابع معتبر آورده شده است.

کشش سطحی است ...

دایره المعارف بزرگ پزشکی

کشش سطحی (S.T.) نیروی جاذبه ای است که با آن هر بخش از لایه سطحی (سطح آزاد یک مایع یا هر رابط بین دو فاز) بر روی قسمت های مجاور سطح اثر می گذارد. فشار داخلی و P. n. لایه سطحی مایع مانند یک غشای کشسان عمل می کند. با توجه به ایده توسعه یافته توسط Chap. arr لاپلاس، این ویژگی سطوح مایع به نیروهای جاذبه مولکولی بستگی دارد که با فاصله به سرعت کاهش می‌یابند. در داخل یک مایع همگن، نیروهای وارد بر هر مولکول از مولکول های اطراف آن به طور متقابل متعادل هستند. اما در نزدیکی سطح، نیروهای حاصل از جاذبه مولکولی به سمت داخل هدایت می شوند. تمایل دارد مولکول های سطحی را به ضخامت مایع بکشد. در نتیجه، کل لایه سطحی، مانند یک فیلم کشیده الاستیک، فشار بسیار قابل توجهی بر جرم داخلی مایع در جهت عادی به سطح وارد می کند. طبق محاسبات، این "فشار داخلی" که کل جرم مایع در آن قرار دارد به چندین هزار اتمسفر می رسد. در سطح محدب افزایش و در سطح مقعر کاهش می یابد. با توجه به تمایل انرژی آزاد به حداقل، هر مایعی تمایل به شکلی دارد که سطح آن - محل عمل نیروهای سطحی - کوچکترین اندازه ممکن را داشته باشد. هر چه سطح یک مایع بزرگتر باشد، هر چه لایه سطحی آن مساحت بیشتری را اشغال کند، انرژی سطح آزاد آزاد شده در طول انقباض آن بیشتر می شود. کششی که با آن هر بخش از فیلم سطح منقبض بر روی قسمت های مجاور (در جهت موازی با سطح آزاد) اثر می گذارد کشش نامیده می شود. برخلاف کشش الاستیک بدن کشیده شده الاستیک، P. n. با انقباض لایه سطحی ضعیف نمی شود. ... کشش سطحی برابر با کاری است که باید انجام شود تا سطح آزاد یک مایع یک بار افزایش یابد. پ.ن. در سطح مشترک یک مایع با گاز (همچنین با بخار خود)، با مایع غیرقابل اختلاط دیگر یا با یک جامد مشاهده می شود. به همین ترتیب، یک جسم جامد دارای P. n است. در مرز گازها و مایعات. بر خلاف P.n.، که در آن یک مایع (یا جامد) روی سطح آزاد خود با یک محیط گازی هم مرز است، کشش در مرز داخلی دو فاز مایع (یا مایع و جامد) به راحتی با یک اصطلاح خاص تعیین می‌شود. در ادبیات آلمانی، اصطلاح "تنش مرزی" (Grenzflachenspannung). اگر ماده ای در مایعی حل شود که P آن را کاهش دهد. n.، سپس انرژی آزاد نه تنها با کاهش اندازه سطح مرزی کاهش می‌یابد، بلکه از طریق جذب نیز کاهش می‌یابد: یک ماده سورفکتانت (یا فعال مویرگی) با غلظت افزایش یافته در لایه سطحی جمع می‌شود.
…

دایره المعارف بزرگ پزشکی 1970

همه موارد فوق را می توان به این صورت خلاصه کرد - مولکول هایی که روی سطح هر مایعی از جمله آب هستند توسط مولکول های دیگر داخل مایع جذب می شوند که در نتیجه کشش سطحی ایجاد می شود. ما تأکید می کنیم که این یک درک ساده از این ویژگی است.

کشش سطحی آب

برای درک بهتر این ویژگی، در اینجا چندین تظاهرات کشش سطحی آب در زندگی واقعی آورده شده است:

• وقتی می بینیم که آب به جای جاری شدن از نوک یک شیر آب چکه می کند، این همان کشش سطحی آب است.
• هنگامی که یک قطره باران در حال پرواز شکل گرد و کمی کشیده به خود می گیرد، این همان کشش سطحی آب است.
• هنگامی که آب روی یک سطح ضد آب شکل کروی به خود می گیرد، این کشش سطحی آب است.
• امواجی که هنگام وزش باد در سطح مخازن پدیدار می شود نیز جلوه ای از کشش سطحی آب است.
• آب در فضا به دلیل کشش سطحی شکل کروی به خود می گیرد.
• حشره واتر استریدر دقیقاً به لطف همین خاصیت آب روی سطح آب شناور می شود.
• اگر یک سوزن را با دقت روی سطح آب قرار دهید، شناور می شود.
• اگر به طور متناوب مایعاتی با چگالی و رنگ های مختلف در لیوان بریزیم، می بینیم که با هم مخلوط نمی شوند.
• حباب های صابون رنگین کمان نیز مظهر شگفت انگیز کشش سطحی هستند.

ضریب کشش سطحی

فرهنگ لغت توضیحی اصطلاحات پلی تکنیک

ضریب کشش سطحی چگالی خطی نیروی کشش سطحی در سطح مایع یا در سطح مشترک بین دو مایع غیرقابل اختلاط است.

فرهنگ لغت توضیحی اصطلاحات پلی تکنیک. گردآوری: V. Butakov، I. Fagradyants. 2014

در زیر مقادیر ضریب کشش سطحی (K.s.n.) برای مایعات مختلف در دمای 20 درجه سانتی گراد را ارائه می دهیم:

• Ph.D. استون - 0.0233 نیوتن / متر؛
• Ph.D. بنزن - 0.0289 نیوتن / متر؛
• Ph.D. آب مقطر - 0.0727 نیوتن / متر؛
• Ph.D. گلیسرول - 0.0657 نیوتن / متر؛
• Ph.D. نفت سفید - 0.0289 نیوتن / متر؛
• Ph.D. جیوه - 0.4650 نیوتن / متر؛
• Ph.D. اتیل الکل - 0.0223 نیوتن / متر؛
• Ph.D. اتر - 0.0171 نیوتن / متر.

ضریب کشش سطحی آب

ضریب کشش سطحی به دمای مایع بستگی دارد. اجازه دهید مقادیر آن را در دماهای مختلف آب ارائه کنیم.

• در دمای 0 درجه سانتیگراد - 75.64 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 10 درجه سانتیگراد - 74.22 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 20 درجه سانتیگراد - 72.25 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 30 درجه سانتیگراد - 71.18 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 40 درجه سانتیگراد - 69.56 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 50 درجه سانتیگراد - 67.91 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 60 درجه سانتیگراد - 66.18 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 70 درجه سانتیگراد - 64.42 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 80 درجه سانتیگراد - 62.61 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 90 درجه سانتیگراد - 60.75 σ، 10–3 نیوتن / متر؛
• در دمای 100 درجه سانتیگراد - 58.85 σ، 10 -3 نیوتن / متر.

این درس در مورد مایعات و خواص آنها بحث خواهد کرد. از دیدگاه فیزیک مدرن، مایعات دشوارترین موضوع تحقیق هستند، زیرا در مقایسه با گازها دیگر نمی توان از انرژی ناچیز برهمکنش بین مولکول ها صحبت کرد و در مقایسه با جامدات نمی توان در مورد آن صحبت کرد. آرایش منظم مولکول های مایع (در یک مایع نظم دوربرد وجود ندارد). این منجر به این واقعیت می شود که مایعات دارای تعدادی خواص جالب و تظاهرات آنها هستند. یکی از این ویژگی ها در این درس مورد بحث قرار خواهد گرفت.

برای شروع، اجازه دهید خواص ویژه ای را که مولکول های لایه سطحی مایع در مقایسه با مولکول های واقع در حجم دارند، مورد بحث قرار دهیم.

برنج. 1. تفاوت بین مولکول های لایه سطحی و مولکول های واقع در قسمت عمده مایع

بیایید دو مولکول A و B را در نظر بگیریم. مولکول A در داخل مایع است، مولکول B روی سطح آن است (شکل 1). مولکول A به طور یکنواخت توسط سایر مولکول های مایع احاطه شده است، بنابراین نیروهای وارد بر مولکول A از مولکول هایی که به حوزه برهمکنش بین مولکولی می افتند، جبران می شوند یا نتیجه آنها صفر است.

برای مولکول B که در سطح مایع قرار دارد چه می شود؟ به یاد بیاوریم که غلظت مولکول های گاز واقع در بالای مایع بسیار کمتر از غلظت مولکول های مایع است. مولکول B از یک طرف توسط مولکول های مایع و از طرف دیگر توسط مولکول های گاز بسیار کمیاب احاطه شده است. از آنجایی که مولکول های بیشتری از سمت مایع روی آن اثر می کنند، حاصل تمام نیروهای بین مولکولی به داخل مایع هدایت می شود.

بنابراین، برای اینکه یک مولکول از اعماق مایع وارد لایه سطحی شود، باید در برابر نیروهای بین مولکولی جبران نشده کار کرد.

به یاد بیاورید که کار تغییر در انرژی پتانسیل گرفته شده با علامت منفی است.

این بدان معناست که مولکول های لایه سطحی، در مقایسه با مولکول های داخل مایع، دارای انرژی پتانسیل اضافی هستند.

این انرژی اضافی جزء انرژی درونی مایع است و نامیده می شود انرژی سطحی. آن را به عنوان تعیین می کنند و مانند هر انرژی دیگر با ژول اندازه گیری می شود.

بدیهی است که هر چه مساحت سطح مایع بزرگتر باشد، مولکول های بیشتری دارای انرژی پتانسیل اضافی هستند و در نتیجه انرژی سطحی بیشتر می شود. این واقعیت را می توان به شکل رابطه زیر نوشت:

,

مساحت سطح کجاست و ضریب تناسب است که آن را می نامیم ضریب کشش سطحی، این ضریب این یا آن مایع را مشخص می کند. اجازه دهید تعریف دقیقی از این کمیت بنویسیم.

کشش سطحی یک مایع (ضریب کشش سطحی یک مایع) یک کمیت فیزیکی است که یک مایع معین را مشخص می کند و برابر با نسبت انرژی سطحی به سطح مایع است.

ضریب کشش سطحی بر حسب نیوتن تقسیم بر متر اندازه گیری می شود.

بیایید بحث کنیم که ضریب کشش سطحی یک مایع به چه چیزی بستگی دارد. برای شروع، به یاد داشته باشید که ضریب کشش سطحی انرژی برهمکنش خاص مولکول ها را مشخص می کند، به این معنی که عواملی که این انرژی را تغییر می دهند، ضریب کشش سطحی مایع را نیز تغییر می دهند.

بنابراین، ضریب کشش سطحی به موارد زیر بستگی دارد:

1. ماهیت مایع (مایعات "فرار"، مانند اتر، الکل و بنزین، کشش سطحی کمتری نسبت به مایعات "غیر فرار" - آب، جیوه و فلزات مایع دارند).

2. دماها (هر چه دما بیشتر باشد، کشش سطحی کمتر می شود).

3. وجود سورفکتانت هایی که کشش سطحی را کاهش می دهند (سورفکتانت ها)، مانند صابون یا پودر لباسشویی.

4. خواص مایع حاشیه گاز.

توجه داشته باشید که ضریب کشش سطحی به مساحت سطح بستگی ندارد، زیرا برای یک مولکول مجزای نزدیک به سطح کاملاً مهم نیست که چه تعداد مولکول مشابه در اطراف وجود دارد. به جدولی که ضرایب کشش سطحی مواد مختلف در دما را نشان می دهد توجه کنید:

جدول 1. ضرایب کشش سطحی مایعات در سطح مشترک با هوا، در

بنابراین، مولکول‌های لایه سطحی در مقایسه با مولکول‌های بخش عمده مایع، انرژی پتانسیل مازادی دارند. در درس مکانیک نشان داده شد که هر سیستمی به حداقل انرژی پتانسیل تمایل دارد. به عنوان مثال، جسمی که از ارتفاع مشخصی پرتاب می شود، تمایل به سقوط دارد. علاوه بر این، هنگام دراز کشیدن احساس راحتی بیشتری می کنید، زیرا در این حالت مرکز جرم بدن شما تا حد امکان پایین است. میل به کاهش انرژی بالقوه در مورد مایع به چه چیزی منجر می شود؟ از آنجایی که انرژی سطح به مساحت سطح بستگی دارد، از نظر انرژی برای هر مایعی که سطح بالایی داشته باشد، مضر است. به عبارت دیگر، در حالت آزاد، مایع تمایل دارد سطح خود را حداقل کند.

با آزمایش فیلم صابون به راحتی می توانید این موضوع را تأیید کنید. اگر یک قاب سیم خاصی را در محلول صابون فرو کنید، یک لایه صابون روی آن تشکیل می شود و فیلم شکلی به خود می گیرد که سطح آن حداقل باشد (شکل 2).

برنج. 2. ارقام از محلول صابون

با استفاده از یک آزمایش ساده می توانید وجود نیروهای کشش سطحی را تأیید کنید. اگر نخی را در دو جا به حلقه سیمی ببندید، به طوری که طول نخ کمی بیشتر از طول وتر اتصال دهنده نقاط اتصال نخ باشد، حلقه سیمی را در محلول صابون فرو کنید (شکل 2). 3a)، فیلم صابون تمام سطح حلقه را می پوشاند و نخ روی فیلم صابون قرار می گیرد. اگر اکنون فیلم را در یک طرف نخ پاره کنید، لایه صابونی باقی مانده در طرف دیگر نخ منقبض شده و نخ را سفت می کند (شکل 3b).

برنج. 3. آزمایش برای تشخیص نیروهای کشش سطحی

چرا این اتفاق افتاد؟ واقعیت این است که محلول صابون باقی مانده در بالا، یعنی مایع، تمایل به کاهش سطح آن دارد. بنابراین، نخ به سمت بالا کشیده می شود.

بنابراین، ما به وجود کشش سطحی متقاعد شده ایم. حالا بیایید نحوه محاسبه آن را یاد بگیریم. برای انجام این کار، بیایید یک آزمایش فکری انجام دهیم. بیایید یک قاب سیمی را در محلول صابون پایین بیاوریم که یکی از طرفین آن متحرک است (شکل 4). فیلم صابون را با اعمال نیرویی به سمت متحرک قاب کش می دهیم. بنابراین، سه نیرو بر روی میله متقاطع وارد می شوند - یک نیروی خارجی و دو نیروی کشش سطحی که در امتداد هر سطح فیلم عمل می کنند. با استفاده از قانون دوم نیوتن، می توانیم آن را بنویسیم

برنج. 4. محاسبه نیروی کشش سطحی

اگر تحت تأثیر یک نیروی خارجی، میله متقاطع مسافتی را جابجا کند، این نیروی خارجی کار خواهد کرد

به طور طبیعی، به دلیل این کار، سطح فیلم افزایش می یابد، به این معنی که انرژی سطح نیز افزایش می یابد، که می توانیم از طریق ضریب کشش سطحی آن را تعیین کنیم:

تغییر در مساحت، به نوبه خود، می تواند به صورت زیر تعیین شود:

طول قسمت متحرک قاب سیم کجاست. با در نظر گرفتن این موضوع می توان نوشت که کار انجام شده توسط نیروی خارجی برابر است با

با معادل کردن دو طرف راست در (*) و (**)، عبارتی برای نیروی کشش سطحی بدست می آوریم:

بنابراین، ضریب کشش سطحی از نظر عددی برابر با نیروی کشش سطحی است که در واحد طول خطی که سطح را محدود می کند، عمل می کند.

بنابراین، ما یک بار دیگر متقاعد شدیم که مایع تمایل دارد به گونه ای شکل بگیرد که سطح آن حداقل باشد. می توان نشان داد که برای یک حجم معین، سطح یک کره حداقل خواهد بود. بنابراین، اگر هیچ نیروی دیگری روی مایع وارد نشود یا اثر آنها کم باشد، مایع تمایل دارد شکل کروی به خود بگیرد. به عنوان مثال، آب در گرانش صفر (شکل 5) یا حباب های صابون (شکل 6) اینگونه رفتار می کند.

برنج. 5. آب در گرانش صفر

برنج. 6. حباب های صابون

وجود نیروهای کشش سطحی همچنین می تواند توضیح دهد که چرا یک سوزن فلزی روی سطح آب قرار می گیرد (شکل 7). سوزنی که با دقت روی یک سطح قرار می گیرد، آن را تغییر شکل می دهد و در نتیجه مساحت این سطح را افزایش می دهد. بنابراین، یک نیروی کشش سطحی ایجاد می شود که تمایل به کاهش چنین تغییری در منطقه دارد. نیروهای حاصل از کشش سطحی به سمت بالا هدایت می شود و نیروی گرانش را جبران می کند.

برنج. 7. سوزن روی سطح آب

اصل عملکرد یک پیپت را می توان به همین ترتیب توضیح داد. قطره ای که تحت تأثیر جاذبه قرار می گیرد، به پایین کشیده می شود و در نتیجه سطح آن افزایش می یابد. به طور طبیعی، نیروهای کشش سطحی به وجود می آیند که حاصل آن مخالف جهت گرانش است و از کشیده شدن قطره جلوگیری می کند (شکل 8). وقتی درپوش لاستیکی پیپت را فشار می دهید، فشار اضافی ایجاد می کنید که به جاذبه کمک می کند و در نتیجه قطره به پایین می افتد.

برنج. 8. نحوه عملکرد پیپت

بیایید مثال دیگری از زندگی روزمره بزنیم. اگر برس رنگ را در یک لیوان آب فرو کنید، موها پف می کنند. اگر اکنون این برس را از آب بیرون بیاورید، متوجه خواهید شد که تمام موها به هم چسبیده اند. این به این دلیل است که سطح آب چسبیده به قلم مو حداقل خواهد بود.

و یک مثال دیگر. اگر می خواهید قلعه ای از ماسه خشک بسازید، بعید است که موفق شوید، زیرا شن و ماسه تحت تأثیر گرانش فرو می ریزد. با این حال، اگر ماسه را مرطوب کنید، به دلیل نیروهای کشش سطحی آب بین دانه های شن، شکل خود را حفظ می کند.

در نهایت یادآور می شویم که نظریه کشش سطحی به یافتن قیاس های زیبا و ساده برای حل مسائل فیزیکی پیچیده تر کمک می کند. به عنوان مثال، هنگامی که شما نیاز به ساخت یک ساختار سبک وزن و در عین حال قوی دارید، فیزیک آنچه در حباب های صابون اتفاق می افتد کمک می کند. و ساخت اولین مدل کافی از هسته اتم با تشبیه این هسته اتمی به یک قطره مایع باردار امکان پذیر شد.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. G. Ya. Myakishev، B. B. Bukhovtsev، N. N. Sotssky. "فیزیک 10". - م.: آموزش و پرورش، 1387.
2. Ya. E. Geguzin "حباب ها"، کتابخانه کوانتومی. - M.: Nauka، 1985.
3. B. M. Yavorsky، A. A. Pinsky "مبانی فیزیک" جلد 1.
4. G. S. Landsberg "کتاب درسی ابتدایی فیزیک" جلد 1.

1. Nkj.ru ().
2. Youtube.com().
3. Youtube.com().
4. Youtube.com().

مشق شب

1. با حل مشکلات این درس، می توانید برای سؤالات 7،8،9 آزمون دولتی و سؤالات A8، A9، A10 آزمون دولتی واحد آماده شوید.
2. Gelfgat I.M.، Nenashev I.Yu. "فیزیک. مجموعه مسائل برای درجه 10" 5.34، 5.43، 5.44، 5.47 ()
3. بر اساس مسئله 5.47، ضریب کشش سطحی محلول آب و صابون را تعیین کنید.

فهرست پرسش و پاسخ

سوال:چرا کشش سطحی با دما تغییر می کند؟

پاسخ:با افزایش دما، مولکول های مایع شروع به حرکت سریع تر می کنند و بنابراین مولکول ها به راحتی بر نیروهای بالقوه جاذبه غلبه می کنند. که منجر به کاهش نیروهای کشش سطحی می شود که نیروهای بالقوه ای هستند که مولکول های لایه سطحی مایع را به هم متصل می کنند.

سوال:آیا ضریب کشش سطحی به چگالی مایع بستگی دارد؟

پاسخ:بله، اینطور است، زیرا انرژی مولکول های لایه سطحی مایع به چگالی مایع بستگی دارد.

سوال:چه روش هایی برای تعیین ضریب کشش سطحی مایع وجود دارد؟

پاسخ:در دوره مدرسه دو روش برای تعیین ضریب کشش سطحی مایع مطالعه می کنند. اولی روش پارگی سیم است، اصل آن در مسئله 5.44 از تکالیف توضیح داده شده است، دوم روش شمارش قطره است که در مسئله 5.47 توضیح داده شده است.

سوال:چرا حباب های صابون پس از مدتی فرو می ریزند؟

پاسخ:واقعیت این است که پس از مدتی، تحت تأثیر گرانش، حباب در پایین ضخیم تر از بالا می شود و سپس تحت تأثیر تبخیر، در نقطه ای فرو می ریزد. این منجر به این واقعیت می شود که کل حباب، مانند یک بالون، تحت تأثیر نیروهای کشش سطحی جبران نشده فرو می ریزد.

کشش سطحی توانایی یک مایع برای مقاومت در برابر جاذبه را توصیف می کند. به عنوان مثال، آب روی سطح میز، قطرات تشکیل می دهد، زیرا مولکول های آب به یکدیگر جذب می شوند، که نیروی گرانش را خنثی می کند. به لطف کشش سطحی است که می توان اجسام سنگین تر مانند حشرات را روی سطح آب نگه داشت. کشش سطحی بر حسب نیرو (N) تقسیم بر واحد طول (m) یا مقدار انرژی در واحد سطح اندازه گیری می شود. نیرویی که مولکول های آب با آن برهمکنش می کنند (نیروی منسجم) باعث ایجاد کشش و در نتیجه تشکیل قطرات آب (یا مایعات دیگر) می شود. تنش سطحی را می توان با استفاده از چند مورد ساده که تقریباً در هر خانه و ماشین حساب یافت می شود اندازه گیری کرد.

مراحل

با استفاده از راکر

معادله کشش سطحی را بنویسید.در این آزمایش معادله تعیین کشش سطحی به صورت زیر است: F = 2Sd، جایی که اف- نیرو بر حسب نیوتن (N) اس- کشش سطحی بر حسب نیوتن بر متر (N/m) د- طول سوزن مورد استفاده در آزمایش. اجازه دهید کشش سطحی را از این معادله بیان کنیم: S = F/2d.

• نیرو در پایان آزمایش محاسبه می شود.
• قبل از شروع آزمایش، از یک خط کش برای اندازه گیری طول سوزن بر حسب متر استفاده کنید.

1. یک بازوی تکان دهنده کوچک بسازید.در این آزمایش از یک راکر و یک سوزن کوچک که روی سطح آب شناور است برای تعیین کشش سطحی استفاده می شود. لازم است که ساخت راکر را با دقت در نظر بگیرید، زیرا دقت نتیجه به این بستگی دارد. شما می توانید از مواد مختلفی استفاده کنید، نکته اصلی این است که یک نوار افقی از چیزی سخت بسازید: چوب، پلاستیک یا مقوا ضخیم.

   • مرکز میله (مانند نی یا خط کش پلاستیکی) را که می خواهید به عنوان میله متقاطع استفاده کنید، پیدا کنید و در آن محل سوراخ کنید یا سوراخ کنید. این نقطه تکیه گاه تیر عرضی خواهد بود که روی آن آزادانه می چرخد. اگر از نی پلاستیکی استفاده می کنید، به سادگی آن را با یک سنجاق یا میخ بکوبید.
   • در انتهای میله متقاطع سوراخ هایی دریل یا سوراخ کنید به طوری که فاصله آنها از مرکز یکسان باشد. برای آویزان کردن فنجان وزنه و سوزن، از سوراخ ها رد کنید.
   • در صورت لزوم، بازوی راکر را با کتاب ها یا سایر اجسام به اندازه کافی سخت نگه دارید تا میله متقاطع را افقی نگه دارید. لازم است که میله متقاطع آزادانه در اطراف میخ یا میله ای که در وسط آن قرار داده شده است بچرخد.

2. یک تکه فویل آلومینیومی بردارید و آن را به شکل جعبه یا نعلبکی بغلتانید.اصلا لازم نیست این نعلبکی شکل مربع یا گرد درست داشته باشد. آن را با آب یا وزن دیگری پر خواهید کرد، بنابراین مطمئن شوید که بتواند وزن را تحمل کند.

   • یک جعبه فویل یا نعلبکی را از یک سر میله آویزان کنید. سوراخ های کوچکی در لبه های نعلبکی ایجاد کنید و یک نخ از آن ها بگذرانید تا نعلبکی روی میله متقاطع آویزان شود.

3. یک سوزن یا گیره کاغذ را از انتهای دیگر میله آویزان کنید تا افقی باشد.یک سوزن یا گیره کاغذ را به صورت افقی به نخی که از انتهای دیگر میله آویزان است ببندید. برای موفقیت آمیز بودن آزمایش، لازم است سوزن یا گیره کاغذ را دقیقاً به صورت افقی قرار دهید.

4. چیزی مانند خمیر بازی را روی میله قرار دهید تا ظرف فویل آلومینیومی را متعادل کند. قبل از شروع آزمایش، لازم است از افقی بودن میله متقاطع اطمینان حاصل شود. نعلبکی فویلی سنگین تر از سوزن است، بنابراین میله متقاطع در سمت آن پایین می رود. به اندازه کافی پلاستیک به طرف مقابل میله عرضی وصل کنید تا افقی باشد.

   • به این می گویند تعادل.

5. یک سوزن یا گیره کاغذ که از نخ آویزان شده است را در ظرف آب قرار دهید.این مرحله به تلاش بیشتری برای قرار دادن سوزن روی سطح آب نیاز دارد. اطمینان حاصل کنید که سوزن در آب فرو نرود. ظرفی را با آب (یا مایع دیگری با کشش سطحی نامشخص) پر کنید و آن را زیر سوزن آویزان قرار دهید تا سوزن مستقیماً روی سطح مایع قرار گیرد.

   • اطمینان حاصل کنید که طناب نگهدارنده سوزن در جای خود باقی مانده و به اندازه کافی کشیده شده باشد.

6. چند پین یا مقدار کمی قطره آب اندازه گیری شده را در مقیاس کوچک وزن کنید.یک پین یا قطره آب به نعلبکی آلومینیومی روی بازوی راکر اضافه می کنید. در این صورت باید بدانید که سوزن با چه وزنی از سطح آب جدا می شود.

   • تعداد پین یا قطرات آب را بشمارید و وزن کنید.
   • وزن یک پین یا قطره آب را تعیین کنید. برای انجام این کار، وزن کل را بر تعداد پین ها یا قطره ها تقسیم کنید.
   • فرض کنید وزن 30 پین 15 گرم است، سپس 15/30 = 0.5، یعنی وزن یک پین 0.5 گرم است.

7. پین یا قطره آب را یکی یکی به نعلبکی فویل آلومینیومی اضافه کنید تا زمانی که پین ​​از سطح آب بلند شود. به تدریج هر بار یک پین یا قطره آب اضافه کنید. سوزن را با دقت تماشا کنید تا لحظه ای را از دست ندهید که پس از افزایش بار بعدی از آب خارج می شود. هنگامی که سوزن از سطح مایع خارج شد، اضافه کردن پین یا قطرات آب را متوقف کنید.

   • تعداد پین ها یا قطرات آب را قبل از جدا شدن سوزن در انتهای مقابل میله از سطح آب بشمارید.
   • نتیجه را یادداشت کنید.
   • آزمایش را چندین بار (5 یا 6) تکرار کنید تا نتایج دقیق تری به دست آورید.
   • میانگین نتایج بدست آمده را محاسبه کنید. برای این کار، تعداد پین ها یا قطره ها را در تمام آزمایش ها جمع کنید و مجموع را بر تعداد آزمایش ها تقسیم کنید.

8. تعداد پین ها را به قدرت تبدیل کنید.برای این کار، تعداد گرم را در 0.00981 N/g ضرب کنید. برای محاسبه کشش سطحی، باید نیرویی را که برای برداشتن سوزن از سطح آب لازم است، بدانید. از آنجایی که در مرحله قبل وزن پین ها را محاسبه کردید، برای تعیین نیرو کافی است آن وزن را در 0.00981 نیوتن بر گرم ضرب کنید.

   • تعداد سنجاق های قرار داده شده در نعلبکی را در وزن یک پین ضرب کنید. به عنوان مثال، اگر 5 پین به وزن 0.5 گرم قرار دهید، وزن کل آنها 0.5 گرم در پین = 5 x 0.5 = 2.5 گرم خواهد بود.
   • تعداد گرم را در ضریب 0.00981 N/g ضرب کنید: 2.5 x 0.00981 = 0.025 نیوتن.

9. مقادیر به دست آمده را جایگزین معادله کنید و مقدار مورد نظر را پیدا کنید.با استفاده از نتایج به دست آمده در طول آزمایش می توان کشش سطحی را تعیین کرد. به سادگی مقادیر یافت شده را وصل کرده و نتیجه را محاسبه کنید.

   • فرض کنید در مثال بالا، طول سوزن 0.025 متر است. مقادیر را در معادله جایگزین می کنیم و به دست می آوریم: S = F/2d = 0.025 N/(2 x 0.025) = 0.05 N/m. بنابراین کشش سطحی مایع 0.05 نیوتن بر متر است.

مایع–ماده ای در حالت تجمع مایع، که موقعیت میانی بین حالت های جامد و گازی را اشغال می کند. ویژگی اصلی یک مایع، که آن را از مواد موجود در سایر حالت های تجمع متمایز می کند، توانایی تغییر شکل آن به طور نامحدود تحت تأثیر تنش های مکانیکی مماسی، حتی به طور دلخواه کوچک است، در حالی که عملاً حجم خود را حفظ می کند.

اطلاعات کلی در مورد حالت مایع

حالت مایع معمولاً حد واسط بین جامد و گاز در نظر گرفته می شود: گاز نه حجم و نه شکل را حفظ می کند، اما جامد هر دو را حفظ می کند.

شکل اجسام مایع را می توان به طور کامل یا جزئی با این واقعیت تعیین کرد که سطح آنها مانند یک غشاء الاستیک عمل می کند. بنابراین، آب می تواند به صورت قطره ای جمع شود. اما یک مایع حتی در زیر سطح ثابت خود نیز می تواند جریان داشته باشد و این نیز به این معنی است که شکل (قطعات داخلی بدن مایع) حفظ نمی شود.

مولکول های مایع موقعیت مشخصی ندارند، اما در عین حال آزادی حرکت کامل ندارند. بین آنها جاذبه ای وجود دارد که آنقدر قوی است که آنها را نزدیک نگه دارد.

ماده ای در حالت مایع در محدوده دمایی خاصی وجود دارد که در زیر آن به حالت جامد تبدیل می شود (تبلور یا تبدیل به حالت آمورف جامد - شیشه) ، در بالای آن به حالت گاز تبدیل می شود (تبخیر رخ می دهد). مرزهای این بازه به فشار بستگی دارد.

به عنوان یک قاعده، یک ماده در حالت مایع تنها یک اصلاح دارد. (مهمترین استثناها مایعات کوانتومی و کریستالهای مایع هستند.) بنابراین، در اکثر موارد، یک مایع نه تنها حالت تجمع، بلکه یک فاز ترمودینامیکی (فاز مایع) است.

همه مایعات معمولاً به مایعات خالص و مخلوط تقسیم می شوند. برخی از مخلوط مایعات برای زندگی اهمیت زیادی دارند: خون، آب دریاو غیره مایعات می توانند به عنوان حلال عمل کنند.

مشخصات فیزیکیمایعات

1 ).سیالیت

خاصیت اصلی مایعات سیالیت است. اگر نیروی خارجی به قسمتی از مایع که در حالت تعادل است وارد شود، جریانی از ذرات مایع در جهتی که این نیرو اعمال می شود ایجاد می شود: مایع جریان می یابد. بنابراین، تحت تأثیر نامتعادل نیروهای خارجیمایع شکل و آرایش نسبی قطعات خود را حفظ نمی کند و بنابراین شکل ظرفی را می گیرد که در آن قرار دارد.

برخلاف جامدات پلاستیکی، مایع محدودیتی برای خروجی ندارد: کافی است یک نیروی خارجی خودسرانه کوچک برای جریان مایع اعمال شود.

2).حفظ حجم

یکی از خصوصیات بارز مایع این است که حجم معینی دارد (در شرایط خارجی ثابت). فشرده سازی مکانیکی مایع بسیار دشوار است، زیرا برخلاف گاز، بین مولکول ها بسیار کم است. فضای خالی. فشار وارد شده به مایع محصور در ظرف بدون تغییر به هر نقطه از حجم این مایع منتقل می شود (قانون پاسکال برای گازها نیز معتبر است). این ویژگی در کنار تراکم پذیری بسیار کم در ماشین های هیدرولیک کاربرد دارد.

مایعات به طور کلی با گرم شدن حجم خود را افزایش می دهند (منبسط می شوند) و وقتی سرد می شوند حجم آنها کاهش می یابد (انقباض). با این حال، استثنائاتی وجود دارد، به عنوان مثال، آب در هنگام گرم شدن، در فشار و دمای معمولی از تا حدودی منقبض می شود.

3).ویسکوزیته

علاوه بر این، مایعات (مانند گازها) با ویسکوزیته مشخص می شوند. این به عنوان توانایی مقاومت در برابر حرکت یک قسمت نسبت به قسمت دیگر - یعنی به عنوان اصطکاک داخلی - تعریف می شود.

هنگامی که لایه‌های مجاور مایع نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند، برخورد مولکول‌ها علاوه بر برخورد ناشی از حرکت حرارتی، ناگزیر رخ می‌دهد. نیروهایی بوجود می آیند که حرکت منظم را مهار می کنند. در این حالت، انرژی جنبشی حرکت منظم به انرژی حرارتی حرکت آشفته مولکول ها تبدیل می شود.

مایع موجود در ظرف که به حرکت در می آید و به حال خود رها می شود، به تدریج متوقف می شود، اما دمای آن افزایش می یابد.

4).امتزاج پذیری

امتزاج پذیری توانایی مایعات برای حل شدن در یکدیگر است. نمونه ای از مایعات امتزاج پذیر: آب و الکل اتیلیک، نمونه ای از مایعات غیرقابل اختلاط: آب و روغن مایع.

5).تشکیل سطح آزاد و کشش سطحی

به دلیل حفظ حجم، مایع قادر به تشکیل یک سطح آزاد است. چنین سطحی رابط بین فازهای یک ماده است: در یک طرف یک فاز مایع، در طرف دیگر یک فاز گازی (بخار) و احتمالاً گازهای دیگر، به عنوان مثال، هوا وجود دارد.

اگر فازهای مایع و گاز یک ماده با هم تماس پیدا کنند، نیروهایی بوجود می آیند که باعث کاهش سطح مشترک می شوند - نیروهای کشش سطحی. رابط مانند یک غشای الاستیک رفتار می کند که تمایل به انقباض دارد.

6).امواج چگالی

اگرچه فشرده کردن مایع بسیار دشوار است، اما حجم و چگالی آن با تغییر فشار همچنان تغییر می کند. این فورا اتفاق نمی افتد. بنابراین، اگر یک ناحیه فشرده شود، آنگاه چنین فشرده سازی با تاخیر به مناطق دیگر منتقل می شود. این بدان معنی است که امواج الاستیک، به ویژه امواج چگالی، می توانند در داخل مایع منتشر شوند. همراه با چگالی، سایر کمیت های فیزیکی مانند دما نیز تغییر می کنند.

اگر با انتشار موج، چگالی کمی تغییر کند، به چنین موجی، موج صوتی یا صدا می گویند.

اگر چگالی به اندازه کافی تغییر کند، چنین موجی موج ضربه نامیده می شود. موج ضربه ای با معادلات دیگر توصیف می شود.

امواج چگالی در یک مایع طولی هستند، یعنی چگالی در جهت انتشار موج تغییر می کند. به دلیل عدم حفظ شکل، امواج الاستیک عرضی در مایع وجود ندارد.

امواج الاستیک در یک مایع با گذشت زمان محو می شوند، انرژی آنها به تدریج به انرژی حرارتی تبدیل می شود. دلایل تضعیف ویسکوزیته، "جذب کلاسیک"، آرامش مولکولی و موارد دیگر است. در این مورد، به اصطلاح ویسکوزیته دوم یا حجمی کار می کند - اصطکاک داخلی زمانی که چگالی تغییر می کند. موج ضربه ای در اثر تضعیف پس از مدتی به موج صوتی تبدیل می شود.

امواج الاستیک در یک مایع نیز در معرض پراکندگی ناهمگنی های ناشی از حرکت حرارتی آشفته مولکول ها هستند.

ساختار مایعات

مطالعات تجربی حالت مایع ماده، بر اساس مشاهده پراش پرتو ایکس و شار نوترون در حین عبور از محیط مایع، وجود سفارش کوتاه برد، یعنی وجود نظمی در آرایش ذرات فقط در فاصله کمی از هر موقعیت انتخاب شده (شکل 140).

آرایش متقابل ذرات همسایه در مایعات مشابه آرایش منظم ذرات همسایه در بلورها است. با این حال، این نظم در مایعات تنها در حجم های کوچک مشاهده می شود. در فواصل: از برخی از مولکول های "مرکزی" انتخاب شده، نظم دهی مختل می شود (قطر موثر مولکول است). به چنین ترتیبی در آرایش ذرات در مایعات، ترتیب کوتاه برد می گویند. .

به دلیل عدم وجود نظم دوربرد، مایعات، به استثنای اندک، ویژگی ناهمسانگردی کریستال ها را نشان نمی دهند. به همین دلیل، گاهی اوقات ساختار مایع را شبه بلوری یا کریستال مانند می نامند .

برای اولین بار، ایده شباهت برخی از خواص مایعات (به ویژه مذاب فلزات) و جامدات کریستالی بیان شد و سپس در آثار فیزیکدان شوروی Ya.I. Frenkel در دهه 1930-1940 توسعه یافت. بر اساس دیدگاه فرنکل، که اکنون به رسمیت شناخته شده است، حرکت حرارتی اتم ها و مولکول ها در یک مایع شامل ارتعاشات نامنظم با فرکانس متوسط ​​نزدیک به فرکانس ارتعاشات اتم ها در اجسام کریستالی است. مرکز نوسانات توسط میدان نیروی ذرات همسایه تعیین می شود و همراه با جابجایی این ذرات جابجا می شود.

به روشی ساده شده، می توان چنین حرکت حرارتی را مانند برهم نهی پرش های نسبتاً نادر ذرات از یک موقعیت تعادل موقت به موقعیت دیگر و نوسانات حرارتی در فواصل بین پرش ها تصور کرد. میانگین زمان ته نشین شدن یک مولکول مایع در نزدیکی یک موقعیت تعادلی معین نامیده می شود. زمان استراحتپس از گذشت زمان، مولکول محل تعادل خود را تغییر می‌دهد و ناگهان به موقعیت جدیدی می‌رود که با فاصله‌ای به ترتیب اندازه خود مولکول‌ها از موقعیت قبلی جدا می‌شود. بنابراین، مولکول به آرامی در داخل مایع حرکت می کند. با افزایش دما، زمان کاهش می یابد، تحرک مولکول ها افزایش می یابد که منجر به کاهش ویسکوزیته مایعات می شود (سیالیت افزایش می یابد). با توجه به بیان مجازی Ya.I. Frenkel، مولکول ها در کل حجم مایع سرگردان هستند و سبک زندگی عشایری را هدایت می کنند، که در آن حرکات کوتاه مدت با دوره های نسبتا طولانی زندگی بی تحرک جایگزین می شوند.

جامدات آمورف (شیشه، رزین، قیر و غیره) را می توان مایعات فوق سرد در نظر گرفت که ذرات آنها به دلیل ویسکوزیته بسیار افزایش یافته، تحرک محدودی دارند.

به دلیل پایین بودن مرتبه حالت مایع، نظریه مایعات نسبت به نظریه گازها و جامدات کریستالی کمتر توسعه یافته است. هنوز تئوری کاملی در مورد مایع وجود ندارد.

نوع خاصی از مایعات، ترکیبات آلی خاصی هستند که از مولکول های دراز یا دیسکی شکل یا به اصطلاح کریستال های مایع تشکیل شده اند. برهمکنش بین مولکول‌ها در چنین مایعاتی باعث می‌شود که محورهای بلند مولکول‌ها در یک نظم خاص قرار بگیرند. در دماهای بالا حرکت حرارتی از این امر جلوگیری می کند و این ماده یک مایع معمولی است. در دماهای زیر بحرانی، یک جهت ترجیحی در مایع ظاهر می شود و ترتیب جهت گیری دوربرد ایجاد می شود. کریستال های مایع در حالی که ویژگی های اساسی یک مایع را حفظ می کنند، به عنوان مثال، سیال بودن، ویژگی های مشخصه کریستال های جامد را دارند - ناهمسانگردی مغناطیسی، الکتریکی و خواص نوری. این خواص (همراه با سیالیت) در موارد متعددی یافت می شود کاربردهای فنیبه عنوان مثال، در ساعت های الکترونیکی، ماشین حساب، تلفن های همراه، و همچنین در مانیتورهای رایانه شخصی، تلویزیون ها، به عنوان نشانگر، تابلوی امتیاز و صفحه نمایش برای نمایش اطلاعات دیجیتال، حروف الفبا و آنالوگ.

کشش سطحی

جالب ترین ویژگی مایعات وجود آن است سطح آزاد. به سطح مایع متصل می شود انرژی آزادمتناسب با سطح آزاد مایع: . از آنجایی که انرژی آزاد یک سیستم ایزوله به حداقل می رسد، مایع (در غیاب میدان های خارجی) تمایل دارد شکلی به خود بگیرد که دارای حداقل سطح باشد. بنابراین، مشکل شکل یک مایع تحت شرایط اضافی داده شده (توزیع اولیه، حجم، و غیره) به یک مسئله ایزوپریمتری کاهش می یابد. یک قطره آزاد شکل یک کره را به خود می گیرد، اما در شرایط پیچیده تر، مشکل شکل سطح مایع به شدت دشوار می شود.

مایع بر خلاف گازها کل حجم ظرفی را که در آن ریخته می شود پر نمی کند. یک رابط بین مایع و گاز (یا بخار) تشکیل می شود که در شرایط خاص نسبت به بقیه مایع قرار دارد. مولکول‌های لایه مرزی مایع، بر خلاف مولکول‌های موجود در عمق آن، از هر طرف توسط مولکول‌های دیگر همان مایع احاطه نشده‌اند. نیروهای برهمکنش بین مولکولی که بر روی یکی از مولکول‌های داخل مایع از مولکول‌های همسایه وارد می‌شوند، به طور متوسط ​​به طور متقابل جبران می‌شوند (شکل 141).

اما همه مولکول ها، از جمله مولکول های لایه مرزی، باید در حالت تعادل باشند. این تعادل با کاهش کمی فاصله بین مولکول های لایه سطحی و نزدیکترین همسایگان آنها در داخل مایع حاصل می شود. با کاهش فاصله بین مولکول ها، نیروهای دافعه ایجاد می شوند. مولکول های لایه سطحی تا حدودی متراکم تر بسته بندی می شوند و بنابراین در مقایسه با مولکول های داخلی منبع انرژی بالقوه بیشتری دارند. از این رو، مولکول های لایه سطحی مایع در مقایسه با مولکول های داخل مایع دارای انرژی پتانسیل اضافی هستندبرابر با انرژی آزاد است. .بنابراین انرژی پتانسیل سطح یک مایع با مساحت آن متناسب است: .

از مکانیک مشخص است که حالت های تعادل یک سیستم با حداقل مقدار انرژی پتانسیل آن مطابقت دارد، یعنی. سطح آزاد مایع تمایل به کاهش مساحت آن دارد. مایع به گونه ای رفتار می کند که گویی نیروهایی که به طور مماس بر سطح آن عمل می کنند، این سطح را منقبض می کنند (کشش). این نیروها نامیده می شوند نیروهای کشش سطحی .