Virsmas spraiguma zona. Sāciet zinātnē. Ūdens virsmas spraiguma koeficients

Ūdens virsmas spraigums ir viena no interesantākajām ūdens īpašībām.

Šeit ir vairākas šī termina definīcijas no kompetentiem avotiem.

Virsmas spraigums ir...

Lielā medicīnas enciklopēdija

Virsmas spraigums (S.T.) ir pievilkšanās spēks, ar kuru katra virsmas plēves daļa (šķidruma brīvā virsma vai jebkura saskarne starp divām fāzēm) iedarbojas uz blakus esošajām virsmas daļām. Iekšējais spiediens un P. n. Šķidruma virsmas slānis uzvedas kā elastīga izstiepta membrāna. Pēc Čapa izstrādātās idejas. arr. Laplass, šī šķidro virsmu īpašība ir atkarīga no “molekulārajiem pievilkšanās spēkiem, kas strauji samazinās līdz ar attālumu. Viendabīgā šķidrumā spēki, kas iedarbojas uz katru molekulu no apkārtējām molekulām, ir savstarpēji līdzsvaroti. Bet virsmas tuvumā molekulārās pievilkšanās rezultējošie spēki ir vērsti uz iekšu; tai ir tendence ievilkt virsmas molekulas šķidruma biezumā. Rezultātā viss virsmas slānis, tāpat kā elastīga izstiepta plēve, izdara ļoti būtisku spiedienu uz šķidruma iekšējo masu virzienā, kas ir normāls pret virsmu. Saskaņā ar aprēķiniem šis “iekšējais spiediens”, zem kura atrodas visa šķidruma masa, sasniedz vairākus tūkstošus atmosfēru. Tas palielinās uz izliektas virsmas un samazinās uz ieliektas virsmas. Sakarā ar brīvās enerģijas tendenci līdz minimumam jebkuram šķidrumam ir tendence iegūt formu, kurā tā virsmai - virsmas spēku iedarbības vietai - ir mazākais iespējamais izmērs. Jo lielāka ir šķidruma virsma, jo lielāku laukumu aizņem tā virsmas plēve, jo lielāka ir brīvās virsmas enerģijas padeve, kas izdalās tā saraušanās laikā. Spriegojumu, ar kādu katrs saraušanās virsmas plēves posms iedarbojas uz blakus esošajām daļām (virzienā paralēli brīvajai virsmai), sauc par spriegojumu. Atšķirībā no elastīga izstiepta ķermeņa elastīgās spriedzes, P. n. nenovājinās, jo virsmas plēve saraujas. ... Virsmas spraigums ir vienāds ar darbu, kas jāpaveic, lai šķidruma brīvo virsmu palielinātu par vienu. P.n. novērots šķidruma saskarsmē ar gāzi (arī ar saviem tvaikiem), ar citu nesajaucamu šķidrumu vai ar cietu vielu. Tādā pašā veidā cietam ķermenim ir P. n. uz robežas ar gāzēm un šķidrumiem. Atšķirībā no P. n., kurā šķidruma (vai cietas vielas) brīvā virsma robežojas ar gāzveida vidi, spriegumu pie divu šķidro (vai šķidrās un cietās) fāzes iekšējās robežas ērti apzīmē ar īpašu terminu. vācu literatūrā termins "robežas spriedze" (Grenzflachenspannung). Ja viela ir izšķīdināta šķidrumā, kas samazina tās P. n., tad brīvā enerģija samazinās ne tikai samazinot robežvirsmas izmērus, bet arī adsorbējot: virsmas slānī paaugstinātā koncentrācijā sakrājas virsmaktīvā (jeb kapilāri aktīvā) viela...
…

Lielā medicīnas enciklopēdija. 1970. gads

Visu iepriekšminēto var rezumēt šādi – molekulas, kas atrodas uz jebkura šķidruma, arī ūdens, virsmas, pievelk citas šķidruma iekšienē esošās molekulas, kā rezultātā rodas virsmas spraigums. Mēs uzsveram, ka šī ir vienkāršota šī īpašuma izpratne.

Ūdens virsmas spraigums

Lai labāk izprastu šo īpašību, šeit ir vairākas ūdens virsmas spraiguma izpausmes reālajā dzīvē:

  • Kad mēs redzam, ka ūdens pil no jaucējkrāna gala, nevis plūst, tas ir ūdens virsmas spraigums;
  • Kad lietus lāse lidojuma laikā iegūst apaļu, nedaudz iegarenu formu, tas ir ūdens virsmas spraigums;
  • Kad ūdens uz ūdensnecaurlaidīgas virsmas iegūst sfērisku formu, tas ir ūdens virsmas spraigums;
  • Burbuļi, kas parādās, vējam pūšot ūdenskrātuvju virsmā, ir arī ūdens virsmas spraiguma izpausme;
  • Ūdens kosmosā virsmas spraiguma dēļ iegūst sfērisku formu;
  • Pateicoties tieši šai ūdens īpašībai, ūdens stridera kukainis peld pa ūdens virsmu;
  • Ja jūs uzmanīgi novietosiet adatu uz ūdens virsmas, tā peldēs;
  • Ja glāzē pārmaiņus ielejam dažāda blīvuma un krāsas šķidrumus, redzēsim, ka tie nesajaucas;
  • Varavīksnes ziepju burbuļi ir arī brīnišķīga virsmas spraiguma izpausme.

Virsmas spraiguma koeficients

Politehnisko terminu skaidrojošā vārdnīca

Virsmas spraiguma koeficients ir virsmas spraiguma spēka lineārais blīvums šķidruma virsmā vai divu nesajaucamu šķidrumu saskarnē.

Politehnisko terminu skaidrojošā vārdnīca. Kompilācija: V. Butakovs, I. Fagradjans. 2014. gads

Zemāk mēs piedāvājam virsmas spraiguma koeficienta (K.s.n.) vērtības dažādiem šķidrumiem 20°C temperatūrā:

  • Ph.D. acetons - 0,0233 ņūtons / metrs;
  • Ph.D. benzols - 0,0289 ņūtoni / metrs;
  • Ph.D. destilēts ūdens - 0,0727 ņūtoni / metrs;
  • Ph.D. glicerīns - 0,0657 ņūtons / metrs;
  • Ph.D. petroleja - 0,0289 ņūtoni / metrs;
  • Ph.D. dzīvsudrabs - 0,4650 ņūtoni / metrs;
  • Ph.D. etilspirts - 0,0223 ņūtoni / metrs;
  • Ph.D. ēteris - 0,0171 ņūtons / metrs.

Ūdens virsmas spraiguma koeficients

Virsmas spraiguma koeficients ir atkarīgs no šķidruma temperatūras. Iesniegsim tā vērtības dažādās ūdens temperatūrās.

  • 0°C temperatūrā - 75,64 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 10°C temperatūrā - 74,22 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 20°C temperatūrā - 72,25 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 30°C temperatūrā - 71,18 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 40°C temperatūrā - 69,56 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 50°C temperatūrā - 67,91 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 60°C temperatūrā - 66,18 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 70°C temperatūrā - 64,42 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 80°C temperatūrā - 62,61 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 90°C temperatūrā - 60,75 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs;
  • 100°C temperatūrā - 58,85 σ, 10 -3 ņūtoni / metrs.

Šajā nodarbībā tiks apspriesti šķidrumi un to īpašības. No mūsdienu fizikas viedokļa šķidrumi ir visgrūtākais pētījumu objekts, jo, salīdzinot ar gāzēm, vairs nevar runāt par niecīgu molekulu mijiedarbības enerģiju, un salīdzinājumā ar cietām vielām nav iespējams runāt par sakārtots šķidruma molekulu izvietojums (šķidrumā nav liela attāluma kārtības) . Tas noved pie tā, ka šķidrumiem ir vairākas interesantas īpašības un to izpausmes. Viens šāds īpašums tiks apspriests šajā nodarbībā.

Sākumā apspriedīsim īpašās īpašības, kādas piemīt molekulām šķidruma virsmas slānī, salīdzinot ar molekulām, kas atrodas tilpumā.

Rīsi. 1. Atšķirība starp virsmas slāņa molekulām un molekulām, kas atrodas šķidruma lielākajā daļā

Aplūkosim divas molekulas A un B. Molekula A atrodas šķidruma iekšpusē, molekula B atrodas uz tās virsmas (1. att.). Molekulu A vienmērīgi ieskauj citas šķidruma molekulas, tāpēc spēki, kas iedarbojas uz molekulu A no molekulām, kas nonāk starpmolekulārās mijiedarbības sfērā, tiek kompensēti vai to rezultējošais ir nulle.

Kas notiek ar molekulu B, kas atrodas uz šķidruma virsmas? Atgādiniet, ka gāzes molekulu koncentrācija, kas atrodas virs šķidruma, ir ievērojami mazāka nekā šķidruma molekulu koncentrācija. Molekulu B no vienas puses ieskauj šķidruma molekulas, bet no otras puses - ļoti retas gāzes molekulas. Tā kā no šķidruma puses uz to iedarbojas daudz vairāk molekulu, visu starpmolekulāro spēku rezultāts tiks novirzīts šķidrumā.

Tātad, lai molekula no šķidruma dziļumiem nonāktu virsmas slānī, ir jāstrādā pret nekompensētiem starpmolekulāriem spēkiem.

Atcerieties, ka darbs ir potenciālās enerģijas izmaiņas, kas ņemtas ar mīnusa zīmi.

Tas nozīmē, ka virsmas slāņa molekulām, salīdzinot ar molekulām šķidruma iekšpusē, ir pārmērīga potenciālā enerģija.

Šī liekā enerģija ir šķidruma iekšējās enerģijas sastāvdaļa un tiek saukta virsmas enerģija. To apzīmē kā , un tāpat kā jebkuru citu enerģiju mēra džoulos.

Acīmredzot, jo lielāks ir šķidruma virsmas laukums, jo vairāk molekulu ir potenciālās enerģijas pārpalikums, un tāpēc jo lielāka ir virsmas enerģija. Šo faktu var uzrakstīt šādas attiecības formā:

,

kur ir virsmas laukums un proporcionalitātes koeficients, ko mēs sauksim virsmas spraiguma koeficients, šis koeficients raksturo to vai citu šķidrumu. Pierakstīsim stingru šī daudzuma definīciju.

Šķidruma virsmas spraigums (šķidruma virsmas spraiguma koeficients) ir fizikāls lielums, kas raksturo doto šķidrumu un ir vienāds ar virsmas enerģijas attiecību pret šķidruma virsmas laukumu.

Virsmas spraiguma koeficientu mēra ņūtonos, dalot ar metru.

Apspriedīsim, no kā ir atkarīgs šķidruma virsmas spraiguma koeficients. Iesākumā atcerēsimies, ka virsmas spraiguma koeficients raksturo molekulu īpatnējās mijiedarbības enerģiju, kas nozīmē, ka faktori, kas maina šo enerģiju, mainīs arī šķidruma virsmas spraiguma koeficientu.

Tātad virsmas spraiguma koeficients ir atkarīgs no:

1. Šķidruma raksturs ("gaistošiem" šķidrumiem, piemēram, ēterim, spirtam un benzīnam, ir mazāks virsmas spraigums nekā "negaistošiem" šķidrumiem - ūdenim, dzīvsudrabam un šķidriem metāliem).

2. Temperatūras (jo augstāka temperatūra, jo zemāks virsmas spraigums).

3. Virsmaktīvās vielas, kas samazina virsmas spraigumu (virsmaktīvās vielas), piemēram, ziepes vai veļas pulveris.

4. Gāzi robežojošā šķidruma īpašības.

Ņemiet vērā, ka virsmas spraiguma koeficients nav atkarīgs no virsmas laukuma, jo vienai atsevišķai virsmas molekulai ir absolūti mazsvarīgi, cik daudz līdzīgu molekulu ir apkārt. Pievērsiet uzmanību tabulai, kurā parādīti dažādu vielu virsmas spraiguma koeficienti temperatūrā:

1. tabula. Šķidrumu virsmas spraiguma koeficienti saskarnē ar gaisu, plkst

Tātad virsmas slāņa molekulām ir pārmērīga potenciālā enerģija, salīdzinot ar molekulām šķidruma lielākajā daļā. Mehānikas kursā tika parādīts, ka jebkura sistēma tiecas uz minimālu potenciālo enerģiju. Piemēram, no noteikta augstuma izmests ķermenis mēdz nokrist. Turklāt jūs jūtaties daudz ērtāk guļus stāvoklī, jo šajā gadījumā jūsu ķermeņa masas centrs ir pēc iespējas zemāks. Pie kā šķidruma gadījumā noved vēlme samazināt savu potenciālo enerģiju? Tā kā virsmas enerģija ir atkarīga no virsmas laukuma, jebkuram šķidrumam ir enerģētiski neizdevīgi liels virsmas laukums. Citiem vārdiem sakot, brīvā stāvoklī šķidrumam ir tendence padarīt savu virsmu minimālu.

To var viegli pārbaudīt, eksperimentējot ar ziepju plēvi. Ja noteiktu stieples rāmi iemērc ziepju šķīdumā, uz tā izveidosies ziepju plēve, un plēve iegūs tādu formu, ka tās virsmas laukums ir minimāls (2. att.).

Rīsi. 2. Figūras no ziepju šķīduma

Jūs varat pārbaudīt virsmas spraiguma spēku esamību, izmantojot vienkāršu eksperimentu. Ja vītne ir piesieta pie stieples gredzena divās vietās, lai vītnes garums būtu nedaudz lielāks par auklas garumu, kas savieno vītnes stiprinājuma punktus, un iemērciet stieples gredzenu ziepju šķīdumā (Zīm. 3a), ziepju plēve noklās visu gredzena virsmu un pavediens gulēs uz ziepju plēves. Ja tagad saplēsiet plēvi vienā vītnes pusē, ziepju plēve, kas palikusi vītnes otrā pusē, sarausies un pievelk diegu (3.b attēls).

Rīsi. 3. Eksperiments, lai noteiktu virsmas spraiguma spēkus

Kāpēc tas notika? Fakts ir tāds, ka ziepju šķīdumam, kas paliek augšpusē, tas ir, šķidrumam, ir tendence samazināt tā virsmas laukumu. Tādējādi pavediens tiek uzvilkts uz augšu.

Tātad, mēs esam pārliecināti par virsmas spraiguma esamību. Tagad uzzināsim, kā to aprēķināt. Lai to izdarītu, veiksim domu eksperimentu. Nolaidīsim ziepju šķīdumā stiepļu rāmi, kura viena no malām ir kustīga (4. att.). Mēs izstiepsim ziepju plēvi, pieliekot spēku rāmja kustīgajai pusei. Tādējādi uz šķērsstieni iedarbojas trīs spēki - ārējais spēks un divi virsmas spraiguma spēki, kas darbojas gar katru plēves virsmu. Izmantojot Ņūtona otro likumu, mēs to varam uzrakstīt

Rīsi. 4. Virsmas spraiguma spēka aprēķins

Ja ārēja spēka ietekmē šķērsstienis pārvietojas uz attālumu, tad šis ārējais spēks darbosies

Protams, šī darba rezultātā palielināsies plēves virsmas laukums, kas nozīmē, ka palielināsies arī virsmas enerģija, ko mēs varam noteikt ar virsmas spraiguma koeficientu:

Savukārt platības izmaiņas var noteikt šādi:

kur ir stieples rāmja kustīgās daļas garums. Ņemot to vērā, mēs varam rakstīt, ka ārējā spēka veiktais darbs ir vienāds ar

Pielīdzinot labās puses (*) un (**), iegūstam virsmas spraiguma spēka izteiksmi:

Tādējādi virsmas spraiguma koeficients ir skaitliski vienāds ar virsmas spraiguma spēku, kas iedarbojas uz virsmu norobežojošās līnijas garuma vienību.

Tātad, mēs atkal esam pārliecināti, ka šķidrumam ir tendence iegūt tādu formu, ka tā virsmas laukums ir minimāls. Var parādīt, ka noteiktam tilpumam sfēras virsmas laukums būs minimāls. Tādējādi, ja uz šķidrumu neiedarbojas citi spēki vai to ietekme ir maza, šķidrumam būs tendence iegūt sfērisku formu. Tā, piemēram, ūdens izturēsies pie nulles gravitācijas (5. att.) vai ziepju burbuļos (6. att.).

Rīsi. 5. Ūdens nulles gravitācijā

Rīsi. 6. Ziepju burbuļi

Virsmas spraiguma spēku klātbūtne var izskaidrot arī to, kāpēc uz ūdens virsmas “guļ” metāla adata (7. att.). Adata, kas rūpīgi novietota uz virsmas, to deformē, tādējādi palielinot šīs virsmas laukumu. Tādējādi rodas virsmas spraiguma spēks, kam ir tendence samazināt šādas platības izmaiņas. Rezultējošie virsmas spraiguma spēki tiks vērsti uz augšu, un tas kompensēs gravitācijas spēku.


Rīsi. 7. Adata uz ūdens virsmas

Tādā pašā veidā var izskaidrot pipetes darbības principu. Piliens, kuru ietekmē gravitācija, tiek novilkts uz leju, tādējādi palielinot tā virsmas laukumu. Dabiski rodas virsmas spraiguma spēki, kuru rezultātais ir pretējs gravitācijas virzienam un kas neļauj pilienam izstiepties (8. att.). Nospiežot pipetes gumijas vāciņu, tiek radīts papildu spiediens, kas palīdz gravitācijai, un rezultātā piliens nokrīt.

Rīsi. 8. Kā darbojas pipete

Sniegsim vēl vienu piemēru no ikdienas. Iemērcot otu ūdens glāzē, matiņi sapūtīsies. Ja jūs tagad izņemat šo otu no ūdens, jūs pamanīsit, ka visi matiņi ir pielipuši viens pie otra. Tas ir saistīts ar faktu, ka ūdens virsmas laukums, kas pielīp pie otas, būs minimāls.

Un vēl viens piemērs. Ja vēlaties uzcelt pili no sausām smiltīm, jums diez vai tas izdosies, jo smiltis gravitācijas ietekmē sabruks. Tomēr, ja jūs slapināsiet smiltis, tās saglabās savu formu, pateicoties ūdens virsmas spraiguma spēkiem starp smilšu graudiem.

Visbeidzot, mēs atzīmējam, ka virsmas spraiguma teorija palīdz atrast skaistas un vienkāršas analoģijas sarežģītāku fizisko problēmu risināšanai. Piemēram, ja nepieciešams uzbūvēt vieglu un tajā pašā laikā spēcīgu konstrukciju, palīgā nāk fizika, kas notiek ziepju burbuļos. Un bija iespējams izveidot pirmo adekvāto atoma kodola modeli, pielīdzinot šo atoma kodolu uzlādēta šķidruma pilienam.

Bibliogrāfija

  1. G. Ja. Mjakiševs, B. B. Buhovcevs, N. N. Sotskis. "Fizika 10". - M.: Izglītība, 2008.
  2. Ya. E. Geguzin “Burbuļi”, Kvantu bibliotēka. - M.: Nauka, 1985. gads.
  3. B. M. Javorskis, A. A. Pinskis “Fizikas pamati” 1. sēj.
  4. G. S. Landsbergs “Elementāra fizikas mācību grāmata” 1. sēj.
  1. Nkj.ru ().
  2. Youtube.com().
  3. Youtube.com().
  4. Youtube.com().

Mājasdarbs

  1. Atrisinot šīs nodarbības uzdevumus, varat sagatavoties valsts pārbaudījuma 7., 8., 9. jautājumiem un vienotā valsts eksāmena jautājumiem A8, A9, A10.
  2. Gelfgats I.M., Nenaševs I.Ju. "Fizika. Problēmu kolekcija 10. klasei" 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
  3. Pamatojoties uz 5.47. uzdevumu, nosakiet ūdens un ziepju šķīduma virsmas spraiguma koeficientu.

Jautājumu un atbilžu saraksts

Jautājums: Kāpēc virsmas spraigums mainās līdz ar temperatūru?

Atbilde: Paaugstinoties temperatūrai, šķidruma molekulas sāk kustēties ātrāk, un tāpēc molekulas vieglāk pārvar potenciālos pievilkšanas spēkus. Kas noved pie virsmas spraiguma spēku samazināšanās, kas ir potenciālie spēki, kas saista šķidruma virsmas slāņa molekulas.

Jautājums: Vai virsmas spraiguma koeficients ir atkarīgs no šķidruma blīvuma?

Atbilde: Jā, tā ir, jo šķidruma virsmas slāņa molekulu enerģija ir atkarīga no šķidruma blīvuma.

Jautājums: Kādas metodes pastāv šķidruma virsmas spraiguma koeficienta noteikšanai?

Atbilde: Skolas kursā viņi pēta divus veidus, kā noteikt šķidruma virsmas spraiguma koeficientu. Pirmā ir stieples plēsšanas metode, tās princips aprakstīts 5.44. uzdevumā no mājasdarba, otrā ir pilienu skaitīšanas metode, kas aprakstīta 5.47. uzdevumā.

Jautājums: Kāpēc ziepju burbuļi pēc kāda laika sabrūk?

Atbilde: Fakts ir tāds, ka pēc kāda laika gravitācijas ietekmē burbulis apakšā kļūst biezāks nekā augšpusē, un pēc tam iztvaikošanas ietekmē tas kādā brīdī sabrūk. Tas noved pie tā, ka viss burbulis, tāpat kā balons, sabrūk nekompensētu virsmas spraiguma spēku ietekmē.

Virsmas spraigums raksturo šķidruma spēju pretoties gravitācijai. Piemēram, ūdens uz galda virsmas veido pilienus, jo ūdens molekulas tiek piesaistītas viena otrai, kas neitralizē gravitācijas spēku. Pateicoties virsmas spraigumam, uz ūdens virsmas var noturēt smagākus priekšmetus, piemēram, kukaiņus. Virsmas spraigumu mēra spēkā (N), kas dalīts ar garuma vienību (m) vai enerģijas daudzumu uz laukuma vienību. Spēks, ar kādu mijiedarbojas ūdens molekulas (kohēzijas spēks), izraisa spriedzi, kā rezultātā veidojas ūdens (vai citu šķidrumu) pilieni. Virsmas spraigumu var izmērīt, izmantojot dažus vienkāršus priekšmetus, kas atrodami gandrīz katrā mājā, un kalkulatoru.

Soļi

Izmantojot rokeri

    Pierakstiet virsmas spraiguma vienādojumu.Šajā eksperimentā virsmas spraiguma noteikšanas vienādojums ir šāds: F = 2Sd, Kur F- spēks ņūtonos (N), S- virsmas spraigums ņūtonos uz metru (N/m), d- eksperimentā izmantotās adatas garums. Izteiksim virsmas spraigumu no šī vienādojuma: S = F/2d.

    • Spēks tiks aprēķināts eksperimenta beigās.
    • Pirms eksperimenta sākšanas izmantojiet lineālu, lai izmērītu adatas garumu metros.

  1. Izveidojiet nelielu šūpuļsviru.Šajā eksperimentā virsmas spraiguma noteikšanai tiek izmantots šūpuļkrēsls un neliela adata, kas peld pa ūdens virsmu. Ir rūpīgi jāapsver šūpuļa konstrukcija, jo no tā ir atkarīga rezultāta precizitāte. Var izmantot dažādus materiālus, galvenais ir izveidot horizontālu šķērsstieni no kaut kā cieta: koka, plastmasas vai bieza kartona.

    • Atrodiet stieņa centru (piemēram, salmu vai plastmasas lineālu), ko plānojat izmantot kā šķērsstieni, un izurbiet vai ieduriet caurumu šajā vietā; tas būs šķērsstieņa atbalsta punkts, uz kura tas brīvi griezīsies. Ja izmantojat plastmasas salmiņu, vienkārši ieduriet to ar tapu vai naglu.
    • Urbt vai izdurt caurumus šķērsstieņa galos tā, lai tie būtu vienādā attālumā no centra. Izvelciet diegu caurumiem, lai pakarinātu svaru kausu un adatu.
    • Ja nepieciešams, atbalstiet šūpuļsviru ar grāmatām vai citiem pietiekami cietiem priekšmetiem, lai šķērsstienis būtu horizontāls. Ir nepieciešams, lai šķērsstienis brīvi grieztos ap naglu vai stieni, kas ievietots tā vidū.

  2. Paņemiet alumīnija folijas gabalu un izrullējiet to kastes vai apakštasītes formā. Nav obligāti, lai šai apakštasītei būtu pareizā kvadrātveida vai apaļa forma. Jūs to piepildīsit ar ūdeni vai citu svaru, tāpēc pārliecinieties, ka tas var izturēt svaru.

    • Vienā stieņa galā pakariet folijas kastīti vai apakštasīti. Gar apakštasītes malām izveidojiet mazus caurumus un izvelciet caur tiem diegu, lai apakštase karātos uz šķērsstieņa.

  3. Pakariet adatu vai saspraudi no stieņa otrā gala tā, lai tas būtu horizontāli. Horizontāli piesiet adatu vai saspraudi pie vītnes, kas karājas no šķērsstieņa otrā gala. Lai eksperiments būtu veiksmīgs, adata vai saspraude jānovieto precīzi horizontāli.

  4. Novietojiet kaut ko, piemēram, rotaļu mīklu, uz stieņa, lai līdzsvarotu alumīnija folijas trauku. Pirms eksperimenta uzsākšanas ir jānodrošina, lai šķērsstienis būtu horizontāls. Folijas apakštase ir smagāka par adatu, tāpēc tās pusē šķērsstienis nolaidīsies uz leju. Piestipriniet pietiekami daudz plastilīna šķērsstieņa pretējā pusē, lai tā būtu horizontāla.

    • To sauc par līdzsvarošanu.

  5. Ievietojiet adatu vai saspraudi, kas karājas no diega ūdens traukā.Šis solis prasīs papildu pūles, lai novietotu adatu uz ūdens virsmas. Pārliecinieties, ka adata nav iegremdēta ūdenī. Piepildiet trauku ar ūdeni (vai citu šķidrumu ar nezināmu virsmas spraigumu) un novietojiet to zem piekārtās adatas tā, lai adata būtu tieši uz šķidruma virsmas.

    • Pārliecinieties, vai virve, kas tur adatu, paliek vietā un ir pietiekami nospriegota.

  6. Nosveriet dažas tapas vai nelielu daudzumu izmērītu ūdens pilienu mazā mērogā. Jūs pievienosiet vienu tapu vai ūdens pilienu alumīnija apakštasītei uz šūpuļsviras. Šajā gadījumā ir jāzina precīzs svars, kādā adata atkāpsies no ūdens virsmas.

    • Saskaitiet ķegļu vai ūdens pilienu skaitu un nosveriet tos.
    • Nosakiet vienas tapas vai ūdens piliena svaru. Lai to izdarītu, sadaliet kopējo svaru ar tapu vai pilienu skaitu.
    • Pieņemsim, ka 30 tapas sver 15 gramus, tad 15/30 = 0,5, tas ir, viena tapa sver 0,5 gramus.

  7. Alumīnija folijas apakštasītei pa vienai pievienojiet tapas vai ūdens pilienus, līdz tapa paceļas no ūdens virsmas. Pakāpeniski pievienojiet vienu kniebieni vai pilienu ūdens. Uzmanīgi vērojiet adatu, lai nepalaistu garām brīdi, kad pēc nākamās slodzes palielināšanas tā nokļūst no ūdens. Kad adata atstāj šķidruma virsmu, pārtrauciet pievienot tapas vai ūdens pilienus.

    • Saskaitiet tapiņu vai ūdens pilienu skaitu, pirms adata stieņa pretējā galā atraujas no ūdens virsmas.
    • Pierakstiet rezultātu.
    • Atkārtojiet eksperimentu vairākas (5 vai 6) reizes, lai iegūtu precīzākus rezultātus.
    • Aprēķiniet iegūto rezultātu vidējo vērtību. Lai to izdarītu, saskaitiet tapu vai pilienu skaitu visos eksperimentos un izdaliet summu ar eksperimentu skaitu.

  8. Pārvērtiet tapu skaitu stiprumā. Lai to izdarītu, reiziniet gramu skaitu ar 0,00981 N/g. Lai aprēķinātu virsmas spraigumu, jums jāzina spēks, kas bija nepieciešams, lai paceltu adatu no ūdens virsmas. Tā kā iepriekšējā darbībā aprēķinājāt tapu svaru, lai noteiktu spēku, vienkārši reiziniet šo svaru ar 0,00981 N/g.

    • Reiziniet apakštasītē ievietoto ķegļu skaitu ar vienas tapas svaru. Piemēram, ja jūs ievietojat 5 tapas, kas sver 0,5 gramus, to kopējais svars būs 0,5 g/kniepadata = 5 x 0,5 = 2,5 grami.
    • Reiziniet gramu skaitu ar koeficientu 0,00981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

  9. Aizvietojiet iegūtās vērtības vienādojumā un atrodiet vajadzīgo vērtību. Izmantojot eksperimenta laikā iegūtos rezultātus, var noteikt virsmas spraigumu. Vienkārši pievienojiet atrastās vērtības un aprēķiniet rezultātu.

    • Pieņemsim, ka iepriekš minētajā piemērā adatas garums ir 0,025 metri. Mēs aizstājam vērtības vienādojumā un iegūstam: S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Tādējādi šķidruma virsmas spraigums ir 0,05 N/m.

Šķidrums–viela šķidrā agregācijas stāvoklī, kas ieņem starpstāvokli starp cieto un gāzveida stāvokli. Šķidruma galvenā īpašība, kas to atšķir no vielām citos agregācijas stāvokļos, ir spēja neierobežoti mainīt formu tangenciālu mehānisko spriegumu, pat patvaļīgi mazu, ietekmē, praktiski saglabājot tilpumu.

Vispārīga informācija par šķidruma stāvokli

Šķidrais stāvoklis parasti tiek uzskatīts par starpposmu starp cietu un gāzi: gāze nesaglabā ne tilpumu, ne formu, bet cieta viela saglabā abus.

Šķidrumu ķermeņu formu pilnībā vai daļēji var noteikt tas, ka to virsma uzvedas kā elastīga membrāna. Tātad ūdens var savākties pilienos. Bet šķidrums spēj plūst pat zem tā nekustīgās virsmas, un tas arī nozīmē, ka forma (šķidruma ķermeņa iekšējās daļas) netiek saglabāta.

Šķidruma molekulām nav noteiktas pozīcijas, bet tajā pašā laikā tām nav pilnīgas kustības brīvības. Starp viņiem ir pievilcība, kas ir pietiekami spēcīga, lai saglabātu tos tuvu.

Viela šķidrā stāvoklī eksistē noteiktā temperatūras diapazonā, zem kura tā pārvēršas cietā stāvoklī (notiek kristalizācija vai pārveidošanās cietā amorfā stāvoklī - stiklā), virs kura tā pārvēršas gāzveida stāvoklī (notiek iztvaikošana). Šī intervāla robežas ir atkarīgas no spiediena.

Šķidrā stāvoklī vielai parasti ir tikai viena modifikācija. (Svarīgākie izņēmumi ir kvantu šķidrumi un šķidrie kristāli.) Tāpēc vairumā gadījumu šķidrums ir ne tikai agregācijas stāvoklis, bet arī termodinamiskā fāze (šķidro fāze).

Visus šķidrumus parasti iedala tīros šķidrumos un maisījumos. Daži šķidrumu maisījumi ir ļoti svarīgi dzīvībai: asinis, jūras ūdens uc Šķidrumi var darboties kā šķīdinātāji.

Fizikālās īpašībasšķidrumi

1 ).Šķidrums

Šķidruma galvenā īpašība ir plūstamība. Ja šķidruma daļai, kas atrodas līdzsvarā, tiek pielikts ārējs spēks, tad šķidruma daļiņu plūsma rodas virzienā, kurā šis spēks tiek pielikts: šķidrums plūst. Tādējādi nelīdzsvarotu iespaidā ārējie spēkišķidrums nesaglabā savu formu un detaļu relatīvo izvietojumu, un tāpēc iegūst tā trauka formu, kurā tas atrodas.

Atšķirībā no plastmasas cietām vielām, šķidrumam nav izplūdes robežas: pietiek ar patvaļīgi mazu ārēju spēku, lai šķidrums plūst.

2).Tilpuma saglabāšana

Viena no šķidruma raksturīgajām īpašībām ir tā, ka tam ir noteikts tilpums (nemainīgos ārējos apstākļos). Šķidrumu ir ārkārtīgi grūti mehāniski saspiest, jo atšķirībā no gāzes starp molekulām ir ļoti maz brīva vieta. Spiediens, kas iedarbojas uz šķidrumu, kas atrodas traukā, tiek pārnests bez izmaiņām katrā šī šķidruma tilpuma punktā (Paskāla likums attiecas arī uz gāzēm). Šī funkcija kopā ar ļoti zemu saspiežamību tiek izmantota hidrauliskajās iekārtās.

Šķidrumi parasti palielina tilpumu (paplašinās), kad tiek uzkarsēti, un samazinās (kontrakta) kad atdzesē. Tomēr ir izņēmumi, piemēram, ūdens saraujas sildot normālā spiedienā un temperatūrā no līdz aptuveni .

3).Viskozitāte

Turklāt šķidrumiem (piemēram, gāzēm) ir raksturīga viskozitāte. To definē kā spēju pretoties vienas daļas kustībai attiecībā pret otru - tas ir, kā iekšējai berzei.

Kad blakus esošie šķidruma slāņi pārvietojas viens pret otru, neizbēgami notiek molekulu sadursmes papildus termiskās kustības izraisītajām sadursmēm. Rodas spēki, kas kavē sakārtotu kustību. Šajā gadījumā sakārtotas kustības kinētiskā enerģija pārvēršas molekulu haotiskas kustības siltumenerģijā.

Šķidrums traukā, iekustināts un atstāts pašplūsmā, pakāpeniski apstāsies, bet tā temperatūra paaugstināsies.

4).Sajaukšanās

Sajaukšanās ir šķidrumu spēja izšķīst vienam otrā. Sajaucamu šķidrumu piemērs: ūdens un etilspirts, nesajaucamu šķidrumu piemērs: ūdens un šķidrā eļļa.

5).Brīva virsmas veidošanās un virsmas spraigums

Pateicoties tilpuma saglabāšanai, šķidrums spēj veidot brīvu virsmu. Šāda virsma ir saskarne starp dotās vielas fāzēm: vienā pusē ir šķidrā fāze, otrā - gāzveida fāze (tvaiks) un, iespējams, citas gāzes, piemēram, gaiss.

Ja vienas un tās pašas vielas šķidrā un gāzveida fāze saskaras, rodas spēki, kuriem ir tendence samazināt saskarnes laukumu - virsmas spraiguma spēki. Interfeiss darbojas kā elastīga membrāna, kurai ir tendence sarauties.

6).Blīvuma viļņi

Lai gan šķidrumu ir ārkārtīgi grūti saspiest, tā tilpums un blīvums joprojām mainās, mainoties spiedienam. Tas nenotiek uzreiz; Tātad, ja viena zona ir saspiesta, tad šāda saspiešana tiek pārraidīta uz citām zonām ar kavēšanos. Tas nozīmē, ka šķidrumā var izplatīties elastīgie viļņi, precīzāk blīvuma viļņi. Līdz ar blīvumu mainās arī citi fizikālie lielumi, piemēram, temperatūra.

Ja, vilnim izplatoties, blīvums diezgan nedaudz mainās, šādu vilni sauc par skaņas vilni jeb skaņu.

Ja blīvums mainās pietiekami spēcīgi, tad šādu vilni sauc par triecienvilni. Trieciena vilnis ir aprakstīts ar citiem vienādojumiem.

Blīvuma viļņi šķidrumā ir gareniski, tas ir, blīvums mainās viļņa izplatīšanās virzienā. Šķidrumā nav šķērsvirziena elastīgu viļņu formas nesaglabāšanās dēļ.

Elastīgie viļņi šķidrumā laika gaitā izgaist, to enerģija pakāpeniski pārvēršas siltumenerģijā. Vājināšanās iemesli ir viskozitāte, “klasiskā absorbcija”, molekulārā relaksācija un citi. Šajā gadījumā darbojas tā sauktā otrā jeb tilpuma viskozitāte - iekšējā berze, mainoties blīvumam. Trieciena vilnis vājināšanās rezultātā pēc kāda laika pārvēršas skaņas vilnī.

Elastīgie viļņi šķidrumā ir pakļauti arī neviendabīgumu izkliedei, kas rodas molekulu haotiskās termiskās kustības rezultātā.

Šķidrumu struktūra


Eksperimentālie pētījumi par vielas šķidro stāvokli, pamatojoties uz rentgenstaru difrakcijas un neitronu plūsmu novērošanu, kad tie iet caur šķidru vidi, ir atklājuši īstermiņa pasūtījums, t.i. kaut kādas kārtības klātbūtne daļiņu izkārtojumā tikai nelielā attālumā no jebkuras izvēlētās pozīcijas (140. att.).

Blakus esošo daļiņu savstarpējais izvietojums šķidrumos ir līdzīgs blakus esošo daļiņu sakārtotajam izvietojumam kristālos. Tomēr šī sakārtotība šķidrumos tiek novērota tikai nelielos daudzumos. Attālumos: no kādas izvēlētas “centrālās” molekulas tiek traucēta sakārtotība (ir molekulas efektīvais diametrs). Šādu sakārtotību daļiņu izkārtojumā šķidrumos sauc par maza attāluma kārtību. .

Tā kā nav liela attāluma sakārtotības, šķidrumiem, ar dažiem izņēmumiem, nav kristāliem raksturīgās anizotropijas. Šī iemesla dēļ šķidruma struktūru dažreiz sauc par kvazikristālisku vai kristālisku .

Pirmo reizi ideja par dažu šķidrumu (īpaši metālu kausējumu) un kristālisku cietvielu īpašību līdzību tika izteikta un pēc tam attīstīta padomju fiziķa Ja.I. Frenkela darbos pagājušā gadsimta 30.–40. Saskaņā ar Frenkela uzskatiem, kas tagad ir saņēmuši vispārēju atzinību, atomu un molekulu termiskā kustība šķidrumā sastāv no neregulārām vibrācijām, kuru vidējā frekvence ir tuvu atomu vibrāciju frekvencei kristāliskajos ķermeņos. Svārstību centru nosaka blakus esošo daļiņu spēka lauks un mainās līdz ar šo daļiņu pārvietojumiem.

Vienkāršotā veidā var iedomāties tādu termisko kustību kā salīdzinoši retu daļiņu lēcienu superpozīcija no viena pagaidu līdzsvara stāvokļa uz citu un termiskās svārstības intervālos starp lēcieniem. Tiek saukts šķidruma molekulas vidējais “nosēdinātās” uzturēšanās laiks noteiktā līdzsvara stāvoklī relaksācijas laiks. Pēc laika molekula maina savu līdzsvara vietu, pēkšņi pārejot uz jaunu pozīciju, ko no iepriekšējās atdala attālums, kas atbilst pašu molekulu izmēram. Tādējādi molekula lēnām pārvietojas šķidruma iekšpusē. Palielinoties temperatūrai, laiks samazinās, palielinās molekulu mobilitāte, kas izraisa šķidrumu viskozitātes samazināšanos (palielinās plūstamība). Saskaņā ar Ya.I. Frenkel figurālo izteicienu molekulas klīst pa visu šķidruma tilpumu, vadot nomadu dzīvesveidu, kurā īslaicīgas kustības tiek aizstātas ar salīdzinoši ilgiem mazkustīgas dzīves periodiem.

Amorfās cietās vielas (stikls, sveķi, bitumens u.c.) var uzskatīt par pārdzesētiem šķidrumiem, kuru daļiņām ir ierobežota mobilitāte to ievērojami palielinātās viskozitātes dēļ.

Šķidruma stāvokļa zemās kārtas dēļ šķidrumu teorija izrādās mazāk attīstīta nekā gāzu un kristālisku cietvielu teorija. Pilnīgas šķidruma teorijas vēl nav.

Īpašs šķidrumu veids ir noteikti organiski savienojumi, kas sastāv no iegarenām vai diskveida molekulām jeb tā sauktajiem šķidrajiem kristāliem. Mijiedarbība starp molekulām šādos šķidrumos mēdz saskaņot molekulu garās asis noteiktā secībā. Plkst augstas temperatūras termiskā kustība to novērš, un viela ir parasts šķidrums. Temperatūrā, kas zemāka par kritisko, šķidrumā parādās vēlamais virziens un rodas liela attāluma orientācijas secība. Saglabājot šķidruma pamatīpašības, piemēram, plūstamību, šķidrajiem kristāliem piemīt cietajiem kristāliem raksturīgās īpašības - magnētisko, elektrisko un elektrisko anizotropija. optiskās īpašības. Šīs īpašības (kopā ar plūstamību) ir atrodamas daudzās tehniskajiem lietojumiem, piemēram, elektroniskajos pulksteņos, kalkulatoros, mobilajos tālruņos, kā arī personālo datoru monitoros, televizoros, kā indikatoros, tablo un ekrānos digitālās, alfabētiskās un analogās informācijas attēlošanai.

Virsmas spraigums

Šķidrumu interesantākā iezīme ir klātbūtne brīva virsma. Savienots ar šķidruma virsmu bezmaksas enerģija, proporcionāls šķidruma brīvajai virsmas laukumam: . Tā kā izolētas sistēmas brīvajai enerģijai ir tendence līdz minimumam, šķidrumam (ja nav ārējo lauku) ir tendence iegūt formu, kurai ir minimālais virsmas laukums. Tādējādi šķidruma formas problēma tiek reducēta uz izoperimetrisku problēmu noteiktos papildu apstākļos (sākotnējais sadalījums, tilpums utt.). Brīvs piliens iegūst sfēras formu, bet sarežģītākos apstākļos šķidruma virsmas formas problēma kļūst ārkārtīgi sarežģīta.

Šķidrums, atšķirībā no gāzēm, neaizpilda visu tvertnes tilpumu, kurā tas tiek ielejams. Starp šķidrumu un gāzi (vai tvaiku) veidojas saskarne, kas atrodas īpašos apstākļos salīdzinājumā ar pārējo šķidrumu. Šķidruma robežslāņa molekulas, atšķirībā no molekulām tā dziļumā, no visām pusēm neapņem citas viena un tā paša šķidruma molekulas. Starpmolekulārās mijiedarbības spēki, kas iedarbojas uz vienu no šķidruma iekšpusē esošajām molekulām no blakus esošajām molekulām, vidēji tiek savstarpēji kompensēti (141. att.).

Bet visām molekulām, ieskaitot robežslāņa molekulas, jābūt līdzsvara stāvoklī. Šis līdzsvars tiek panākts, nedaudz samazinot attālumu starp virsmas slāņa molekulām un to tuvākajiem kaimiņiem šķidruma iekšpusē. Samazinoties attālumam starp molekulām, rodas atgrūšanas spēki. Virsmas slāņa molekulas ir iepakotas nedaudz blīvāk, un tāpēc tām ir papildu potenciālās enerģijas padeve salīdzinājumā ar iekšējām molekulām. Tāpēc Šķidruma virsmas slāņa molekulām ir pārmērīga potenciālā enerģija, salīdzinot ar molekulām šķidruma iekšpusē, vienāds ar brīvo enerģiju. .Tādējādi šķidruma virsmas potenciālā enerģija ir proporcionāla tās laukumam: .

No mehānikas ir zināms, ka sistēmas līdzsvara stāvokļi atbilst tās potenciālās enerģijas minimālajai vērtībai, t.i. šķidruma brīvā virsma mēdz samazināt tā laukumu. Šķidrums uzvedas tā, it kā spēki, kas iedarbojas tangenciāli uz tā virsmu, sarauj (velk) šo virsmu. Šos spēkus sauc virsmas spraiguma spēki .