Zona de tensiune superficială. Începe în știință. Coeficientul tensiunii superficiale a apei

Tensiunea superficială a apei este una dintre cele mai interesante proprietăți ale apei.

Iată câteva definiții ale acestui termen din surse competente.

Tensiunea superficială este...

Marea Enciclopedie Medicală

Tensiunea superficială (S.T.) este forța de atracție cu care fiecare secțiune a peliculei de suprafață (suprafața liberă a unui lichid sau orice interfață dintre două faze) acționează asupra părților adiacente ale suprafeței. Presiunea internă și P. n. Stratul de suprafață de lichid se comportă ca o membrană elastică întinsă. Conform ideii dezvoltate de Cap. arr. Laplace, această proprietate a suprafețelor lichide depinde de „forțele moleculare de atracție, care scad rapid cu distanța. În interiorul unui lichid omogen, forțele care acționează asupra fiecărei molecule din moleculele care o înconjoară sunt echilibrate reciproc. Dar aproape de suprafață, forțele rezultante de atracție moleculară sunt îndreptate spre interior; tinde să atragă molecule de suprafață în grosimea lichidului. Ca urmare, întregul strat de suprafață, ca o peliculă elastică întinsă, exercită o presiune foarte semnificativă asupra masei interne a lichidului în direcția normală la suprafață. Conform calculelor, această „presiune internă”, sub care se află întreaga masă de lichid, atinge câteva mii de atmosfere. Crește pe o suprafață convexă și scade pe o suprafață concavă. Datorită tendinței energiei libere la minim, orice lichid tinde să ia o formă în care suprafața sa - locul de acțiune al forțelor de suprafață - are cea mai mică dimensiune posibilă. Cu cât suprafața unui lichid este mai mare, cu atât este mai mare suprafața pe care o ocupă filmul său de suprafață, cu atât este mai mare furnizarea de energie de suprafață liberă eliberată în timpul contracției sale. Tensiunea cu care fiecare secțiune a peliculei suprafeței contractante acționează asupra părților adiacente (în direcție paralelă cu suprafața liberă) se numește tensiune. Spre deosebire de tensiunea elastică a unui corp elastic întins, P. n. nu slăbește pe măsură ce filmul de suprafață se contractă. ... Tensiunea superficială este egală cu munca care trebuie făcută pentru a mări suprafața liberă a unui lichid cu una. P.n. observat la interfața unui lichid cu un gaz (tot cu vapori proprii), cu un alt lichid nemiscibil sau cu un solid. La fel, un corp solid are P. n. la graniţa cu gazele şi lichidele. Spre deosebire de P. n., în care un lichid (sau solid) are pe suprafața sa liberă marginea unui mediu gazos, tensiunea la limita internă a două faze lichide (sau lichide și solide) este desemnată convenabil printr-un termen special adoptat. în literatura germană, termenul „tensiune de frontieră” (Grenzflachenspannung). Dacă o substanță este dizolvată într-un lichid care își reduce P. n., atunci energia liberă scade nu numai prin reducerea mărimii suprafeței limită, ci și prin adsorbție: un surfactant (sau activ capilar) se adună în concentrație crescută în stratul de suprafață...
…

Enciclopedie medicală mare. 1970

Toate cele de mai sus pot fi rezumate în acest fel - moleculele care se află pe suprafața oricărui lichid, inclusiv a apei, sunt atrase de alte molecule din interiorul lichidului, în urma cărora apare tensiunea superficială. Subliniem că aceasta este o înțelegere simplificată a acestei proprietăți.

Tensiunea superficială a apei

Pentru a înțelege mai bine această proprietate, iată câteva manifestări ale tensiunii superficiale a apei în viața reală:

  • Când vedem apa picurând din vârful unui robinet mai degrabă decât curgând, aceasta este tensiunea superficială a apei;
  • Când o picătură de ploaie în zbor capătă o formă rotundă, ușor alungită, aceasta este tensiunea superficială a apei;
  • Când apa de pe o suprafață impermeabilă capătă o formă sferică, aceasta este tensiunea superficială a apei;
  • Ondulurile care apar atunci cand bate vantul pe suprafata rezervoarelor sunt si o manifestare a tensiunii superficiale a apei;
  • Apa din spațiu capătă o formă sferică datorită tensiunii superficiale;
  • Insecta strider de apă plutește la suprafața apei datorită tocmai acestei proprietăți a apei;
  • Dacă puneți cu grijă un ac pe suprafața apei, acesta va pluti;
  • Dacă turnăm alternativ lichide de diferite densități și culori într-un pahar, vom vedea că nu se amestecă;
  • Baloanele de săpun curcubeu sunt, de asemenea, o manifestare minunată a tensiunii superficiale.

Coeficientul de tensiune superficială

Dicționar terminologic explicativ politehnic

Coeficientul de tensiune superficială este densitatea liniară a forței de tensiune superficială la suprafața unui lichid sau la interfața dintre două lichide nemiscibile.

Dicționar terminologic explicativ politehnic. Culegere: V. Butakov, I. Fagradyants. 2014

Mai jos prezentăm valorile coeficientului de tensiune superficială (K.s.n.) pentru diferite lichide la o temperatură de 20°C:

  • Ph.D. acetonă - 0,0233 Newton / metru;
  • Ph.D. benzen - 0,0289 Newton / metru;
  • Ph.D. apă distilată - 0,0727 Newton / metru;
  • Ph.D. glicerol - 0,0657 Newton / metru;
  • Ph.D. kerosen - 0,0289 Newton / metru;
  • Ph.D. mercur - 0,4650 Newton / metru;
  • Ph.D. alcool etilic - 0,0223 Newton / metru;
  • Ph.D. eter - 0,0171 Newton / metru.

Coeficientul tensiunii superficiale a apei

Coeficientul de tensiune superficială depinde de temperatura lichidului. Să prezentăm valorile sale la diferite temperaturi ale apei.

  • La o temperatură de 0°C - 75,64 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 10°C - 74,22 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 20°C - 72,25 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 30°C - 71,18 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 40°C - 69,56 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 50°C - 67,91 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 60°C - 66,18 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 70°C - 64,42 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 80°C - 62,61 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 90°C - 60,75 σ, 10 –3 Newton/Metru;
  • La o temperatură de 100°C - 58,85 σ, 10 -3 Newton/Metru.

Această lecție va discuta despre lichide și proprietățile lor. Din punctul de vedere al fizicii moderne, lichidele sunt subiectul cel mai dificil de cercetare, deoarece în comparație cu gaze nu se mai poate vorbi de energie neglijabilă de interacțiune între molecule, iar în comparație cu solide este imposibil să se vorbească despre aranjarea ordonată a moleculelor lichide (nu există o ordine pe distanță lungă într-un lichid) . Acest lucru duce la faptul că lichidele au o serie de proprietăți interesante și manifestările lor. O astfel de proprietate va fi discutată în această lecție.

Pentru început, să discutăm despre proprietățile speciale pe care le au moleculele din stratul de suprafață al unui lichid în comparație cu moleculele situate în volum.

Orez. 1. Diferența dintre moleculele stratului de suprafață și moleculele situate în cea mai mare parte a lichidului

Să luăm în considerare două molecule A și B. Molecula A se află în interiorul lichidului, molecula B se află pe suprafața sa (Fig. 1). Molecula A este înconjurată uniform de alte molecule ale lichidului, prin urmare forțele care acționează asupra moleculei A din moleculele care cad în sfera interacțiunii intermoleculare sunt compensate, sau rezultanta lor este zero.

Ce se întâmplă cu molecula B, care se află la suprafața lichidului? Să ne amintim că concentrația moleculelor de gaz situate deasupra lichidului este mult mai mică decât concentrația moleculelor lichide. Molecula B este înconjurată pe o parte de molecule lichide, iar pe de altă parte de molecule de gaz foarte rarefiate. Deoarece mult mai multe molecule acționează asupra acestuia din partea lichidului, rezultanta tuturor forțelor intermoleculare va fi direcționată în lichid.

Astfel, pentru ca o moleculă din adâncurile lichidului să pătrundă în stratul de suprafață, trebuie să se lucreze împotriva forțelor intermoleculare necompensate.

Amintiți-vă că munca este modificarea energiei potențiale luate cu semnul minus.

Aceasta înseamnă că moleculele stratului de suprafață, în comparație cu moleculele din interiorul lichidului, au energie potențială în exces.

Această energie în exces este o componentă a energiei interne a lichidului și se numește energie de suprafață. Este desemnată ca și se măsoară, ca orice altă energie, în jouli.

Evident, cu cât suprafața lichidului este mai mare, cu atât mai multe molecule care au exces de energie potențială și, prin urmare, cu atât energia de suprafață este mai mare. Acest fapt poate fi scris sub forma următoarei relații:

,

unde este aria suprafeței și este coeficientul de proporționalitate, pe care îl vom numi coeficient de tensiune superficială, acest coeficient caracterizează cutare sau cutare lichid. Să scriem o definiție strictă a acestei cantități.

Tensiunea superficială a unui lichid (coeficientul tensiunii superficiale a unui lichid) este o mărime fizică care caracterizează un lichid dat și este egală cu raportul dintre energia de suprafață și aria suprafeței lichidului

Coeficientul de tensiune superficială se măsoară în newtoni împărțit la metru.

Să discutăm de ce depinde coeficientul de tensiune superficială a unui lichid. Pentru început, să ne amintim că coeficientul de tensiune superficială caracterizează energia specifică de interacțiune a moleculelor, ceea ce înseamnă că factorii care modifică această energie vor modifica și coeficientul de tensiune superficială a lichidului.

Deci, coeficientul de tensiune superficială depinde de:

1. Natura lichidului (lichidele „volatile”, cum ar fi eterul, alcoolul și benzina, au o tensiune superficială mai mică decât lichidele „nevolatile” - apă, mercur și metale lichide).

2. Temperaturi (cu cât temperatura este mai mare, cu atât tensiunea superficială este mai mică).

3. Prezența agenților tensioactivi care reduc tensiunea superficială (agenții tensioactivi), precum săpunul sau praful de spălat.

4. Proprietățile gazului lichid marginal.

Rețineți că coeficientul de tensiune superficială nu depinde de suprafața, deoarece pentru o moleculă individuală aproape de suprafață este absolut neimportant câte molecule similare există în jur. Acordați atenție tabelului, care arată coeficienții de tensiune superficială a diferitelor substanțe la temperatură:

Tabelul 1. Coeficienții de tensiune superficială a lichidelor la interfața cu aerul, la

Deci, moleculele stratului de suprafață au energie potențială în exces în comparație cu moleculele din cea mai mare parte a lichidului. La cursul de mecanică s-a demonstrat că orice sistem tinde spre un minim de energie potențială. De exemplu, un corp aruncat de la o anumită înălțime va tinde să cadă. În plus, te simți mult mai confortabil întins, deoarece în acest caz centrul de masă al corpului tău este cât mai jos posibil. La ce duce dorința de a-și reduce energia potențială în cazul unui lichid? Deoarece energia de suprafață depinde de suprafața, este dezavantajos energetic ca orice lichid să aibă o suprafață mare. Cu alte cuvinte, în stare liberă, lichidul va tinde să-și facă suprafața minimă.

Puteți verifica cu ușurință acest lucru experimentând cu folie de săpun. Dacă scufundați un anumit cadru de sârmă într-o soluție de săpun, se va forma o peliculă de săpun pe ea, iar filmul va lua o formă astfel încât suprafața sa este minimă (Fig. 2).

Orez. 2. Cifre din soluție de săpun

Puteți verifica existența forțelor de tensiune superficială folosind un experiment simplu. Dacă un fir este legat de un inel de sârmă în două locuri, astfel încât lungimea firului să fie puțin mai mare decât lungimea coardei care conectează punctele de atașare ale firului și scufundați inelul de sârmă într-o soluție de săpun (Fig. 3a), folia de săpun va acoperi întreaga suprafață a inelului, iar firul se va întinde pe folie de săpun. Dacă acum rupeți folia de pe o parte a firului, folia de săpun rămasă pe cealaltă parte a firului se va contracta și strânge firul (Fig. 3b).

Orez. 3. Experimentați pentru a detecta forțele de tensiune superficială

De ce s-a întâmplat asta? Cert este că soluția de săpun rămasă deasupra, adică lichidul, tinde să-și reducă suprafața. Astfel, firul este tras în sus.

Deci, suntem convinși de existența tensiunii superficiale. Acum să învățăm cum să o calculăm. Pentru a face acest lucru, să realizăm un experiment de gândire. Să coborâm un cadru de sârmă în soluția de săpun, una dintre părțile căreia este mobilă (Fig. 4). Vom întinde folia de săpun aplicând o forță pe partea în mișcare a cadrului. Astfel, asupra barei transversale acționează trei forțe - o forță externă și două forțe de tensiune superficială care acționează de-a lungul fiecărei suprafețe a filmului. Folosind a doua lege a lui Newton, putem scrie asta

Orez. 4. Calculul forței de tensiune superficială

Dacă, sub influența unei forțe externe, bara transversală se mișcă la o distanță, atunci această forță externă va funcționa

Desigur, datorită acestei lucrări, suprafața filmului va crește, ceea ce înseamnă că va crește și energia de suprafață, ceea ce o putem determina prin coeficientul de tensiune superficială:

La rândul său, modificarea zonei poate fi determinată după cum urmează:

unde este lungimea părții mobile a cadrului de sârmă. Ținând cont de acest lucru, putem scrie că munca efectuată de forța externă este egală cu

Echivalând părțile din dreapta în (*) și (**), obținem o expresie pentru forța de tensiune superficială:

Astfel, coeficientul de tensiune superficială este numeric egal cu forța de tensiune superficială, care acționează pe unitatea de lungime a liniei care delimitează suprafața

Deci, suntem din nou convinși că lichidul tinde să ia o astfel de formă încât suprafața sa este minimă. Se poate demonstra că pentru un volum dat aria suprafeței unei sfere va fi minimă. Astfel, dacă nu acționează alte forțe asupra lichidului sau efectul lor este mic, lichidul va tinde să capete o formă sferică. Așa se va comporta, de exemplu, apa în gravitate zero (Fig. 5) sau cu bule de săpun (Fig. 6).

Orez. 5. Apa în gravitate zero

Orez. 6. Baloane de săpun

Prezența forțelor de tensiune superficială poate explica, de asemenea, de ce un ac metalic „se întinde” pe suprafața apei (Fig. 7). Un ac, care este așezat cu grijă pe o suprafață, o deformează, crescând astfel suprafața acestei suprafețe. Astfel, apare o forță de tensiune superficială, care tinde să reducă o astfel de modificare a zonei. Forțele rezultate ale tensiunii superficiale vor fi îndreptate în sus și vor compensa forța gravitațională.


Orez. 7. Ac pe suprafața apei

Principiul de funcționare a unei pipete poate fi explicat în același mod. Picătura, care este afectată de gravitație, este trasă în jos, crescând astfel suprafața sa. În mod firesc, apar forțe de tensiune superficială, a căror rezultată este opusă direcției gravitației și care împiedică întinderea picăturii (Fig. 8). Când apăsați pe capacul de cauciuc al pipetei, creați o presiune suplimentară, care ajută gravitația și, ca urmare, picătura cade.

Orez. 8. Cum funcționează pipeta

Să dăm un alt exemplu din viața de zi cu zi. Dacă scufundați o pensulă într-un pahar cu apă, firele de păr se vor umfla. Dacă scoți acum această perie din apă, vei observa că toate firele de păr sunt lipite unul de celălalt. Acest lucru se datorează faptului că suprafața apei care aderă la perie va fi atunci minimă.

Și încă un exemplu. Dacă doriți să construiți un castel din nisip uscat, este puțin probabil să reușiți, deoarece nisipul se va prăbuși sub influența gravitației. Cu toate acestea, dacă udați nisipul, acesta își va menține forma datorită forțelor de tensiune superficială a apei între boabele de nisip.

În sfârșit, observăm că teoria tensiunii superficiale ajută la găsirea unor analogii frumoase și simple pentru rezolvarea unor probleme fizice mai complexe. De exemplu, atunci când trebuie să construiți o structură ușoară și în același timp puternică, fizica a ceea ce se întâmplă în bulele de săpun vine în ajutor. Și a fost posibil să se construiască primul model adecvat al nucleului atomic prin compararea acestui nucleu atomic cu o picătură de lichid încărcat.

Bibliografie

  1. G. Ya. Myakishev, B. B. Buhovtsev, N. N. Sotsky. „Fizica 10”. - M.: Educație, 2008.
  2. Ya. E. Geguzin „Bubbles”, Biblioteca cuantică. - M.: Nauka, 1985.
  3. B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky „Fundamentals of Physics” vol. 1.
  4. G. S. Landsberg „Manual elementar de fizică” vol. 1.
  1. Nkj.ru ().
  2. Youtube.com().
  3. Youtube.com().
  4. Youtube.com().

Teme pentru acasă

  1. După ce ați rezolvat problemele pentru această lecție, vă puteți pregăti pentru întrebările 7,8,9 ale examenului de stat și întrebările A8, A9, A10 ale examenului de stat unificat.
  2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Fizică. Culegere de probleme pentru nota 10" 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
  3. Pe baza problemei 5.47, determinați coeficientul de tensiune superficială a soluției de apă și săpun.

Lista de întrebări și răspunsuri

Întrebare: De ce se modifică tensiunea superficială odată cu temperatura?

Răspuns: Pe măsură ce temperatura crește, moleculele lichidului încep să se miște mai repede și, prin urmare, moleculele înving mai ușor forțele potențiale de atracție. Ceea ce duce la o scădere a forțelor de tensiune superficială, care sunt forțe potențiale care leagă moleculele stratului de suprafață al unui lichid.

Întrebare: Coeficientul de tensiune superficială depinde de densitatea lichidului?

Răspuns: Da, da, deoarece energia moleculelor din stratul de suprafață al lichidului depinde de densitatea lichidului.

Întrebare: Ce metode există pentru determinarea coeficientului de tensiune superficială a unui lichid?

Răspuns:În cursul școlar, ei studiază două moduri de a determina coeficientul de tensiune superficială al unui lichid. Prima este metoda de rupere a firului, principiul ei este descris în problema 5.44 de la teme, a doua este metoda de numărare a picăturilor, descrisă în problema 5.47.

Întrebare: De ce se prăbușesc bulele de săpun după un timp?

Răspuns: Cert este că după ceva timp, sub influența gravitației, bula devine mai groasă în partea de jos decât în ​​partea de sus și apoi, sub influența evaporării, se prăbușește la un moment dat. Acest lucru duce la faptul că întreaga bulă, ca un balon, se prăbușește sub influența forțelor de tensiune superficială necompensate.

Tensiunea superficială descrie capacitatea unui lichid de a rezista gravitației. De exemplu, apa de pe suprafața unei mese formează picături, deoarece moleculele de apă sunt atrase unele de altele, ceea ce contracarează forța gravitațională. Datorită tensiunii superficiale, obiectele mai grele, cum ar fi insectele, pot fi ținute pe suprafața apei. Tensiunea superficială se măsoară în forță (N) împărțită la unitatea de lungime (m) sau la cantitatea de energie pe unitatea de suprafață. Forța cu care interacționează moleculele de apă (forța de coeziune) provoacă tensiune, ducând la formarea de picături de apă (sau alte lichide). Tensiunea de suprafață poate fi măsurată folosind câteva elemente simple găsite în aproape fiecare casă și un calculator.

Pași

Folosind un balansoar

    Scrieți ecuația pentru tensiunea superficială.În acest experiment, ecuația pentru determinarea tensiunii superficiale este următoarea: F = 2Sd, Unde F- forta in newtoni (N), S- tensiunea superficială în newtoni pe metru (N/m), d- lungimea acului folosit în experiment. Să exprimăm tensiunea superficială din această ecuație: S = F/2d.

    • Forța va fi calculată la sfârșitul experimentului.
    • Înainte de a începe experimentul, utilizați o riglă pentru a măsura lungimea acului în metri.

  1. Construiți un culbutor mic.În acest experiment, un balansoar și un mic ac care plutește pe suprafața apei sunt folosite pentru a determina tensiunea superficială. Este necesar să luați în considerare cu atenție construcția balansoarului, deoarece precizia rezultatului depinde de aceasta. Puteți folosi diverse materiale, principalul lucru este să faceți o bară transversală orizontală din ceva dur: lemn, plastic sau carton gros.

    • Localizați centrul tijei (cum ar fi o riglă de paie sau de plastic) pe care intenționați să îl utilizați ca bară transversală și găuriți sau faceți o gaură în acea locație; acesta va fi punctul de sprijin al barei transversale pe care se va roti liber. Dacă utilizați un pai de plastic, pur și simplu împingeți-l cu un ac sau un cui.
    • Găuriți sau faceți găuri la capetele barei transversale, astfel încât acestea să fie la aceeași distanță de centru. Treceți fire prin găuri pentru a atârna paharul și acul.
    • Dacă este necesar, sprijiniți culbutorul cu cărți sau alte obiecte suficient de dure pentru a menține bara transversală orizontală. Este necesar ca bara transversală să se rotească liber în jurul unui cui sau tijă introdusă în mijlocul acesteia.

  2. Luați o bucată de folie de aluminiu și rulați-o în formă de cutie sau farfurie. Nu este deloc necesar ca această farfurie să aibă forma corectă pătrată sau rotundă. Îl vei umple cu apă sau cu altă greutate, așa că asigură-te că poate suporta greutatea.

    • Atârnă o cutie de folie sau o farfurie de la un capăt al barului. Faceți găuri mici de-a lungul marginilor farfurii și treceți un fir prin ele, astfel încât farfuria să atârne de bara transversală.

  3. Agățați un ac sau o agrafă de celălalt capăt al barei, astfel încât să fie orizontală. Legați un ac sau o agrafă orizontal de firul care atârnă de celălalt capăt al barei transversale. Pentru ca experimentul să aibă succes, este necesar să poziționați acul sau agrafa exact pe orizontală.

  4. Puneți ceva, cum ar fi aluatul, pe bară pentru a echilibra recipientul din folie de aluminiu. Înainte de a începe experimentul, este necesar să vă asigurați că bara transversală este orizontală. Farfuria de folie este mai grea decât acul, așa că pe partea ei bara transversală va coborî. Atașați suficientă plastilină pe partea opusă a barei transversale, astfel încât să fie orizontală.

    • Aceasta se numește echilibrare.

  5. Puneți un ac sau o agrafă de hârtie atârnată de un fir într-un recipient cu apă. Acest pas va necesita un efort suplimentar pentru a poziționa acul pe suprafața apei. Asigurați-vă că acul nu se scufundă în apă. Umpleți un recipient cu apă (sau alt lichid cu o tensiune superficială necunoscută) și puneți-l sub acul suspendat, astfel încât acul să fie direct pe suprafața lichidului.

    • Asigurați-vă că frânghia care ține acul rămâne pe loc și este suficient de întinsă.

  6. Cântăriți câțiva ace sau o cantitate mică de picături măsurate de apă la scară mică. Veți adăuga un ac sau o picătură de apă în farfuria de aluminiu de pe culbutorul. În acest caz, este necesar să se cunoască greutatea exactă la care acul se va desprinde de pe suprafața apei.

    • Numărați numărul de ace sau picături de apă și cântăriți-le.
    • Determinați greutatea unui știft sau a unei picături de apă. Pentru a face acest lucru, împărțiți greutatea totală la numărul de ace sau picături.
    • Să presupunem că 30 de ace cântăresc 15 grame, apoi 15/30 = 0,5, adică un ace cântărește 0,5 grame.

  7. Adăugați ace sau picături de apă, pe rând, în farfuria din folie de aluminiu până când știftul se ridică de pe suprafața apei. Adăugați treptat câte un ac sau picătură de apă la un moment dat. Urmăriți acul cu atenție pentru a nu rata momentul în care, după următoarea creștere a încărcăturii, acesta iese din apă. Odată ce acul părăsește suprafața lichidului, nu mai adăugați ace sau picături de apă.

    • Numărați numărul de ace sau picături de apă înainte ca acul de la capătul opus al barei să se desprindă de suprafața apei.
    • Notează rezultatul.
    • Repetați experimentul de câteva (5 sau 6) ori pentru a obține rezultate mai precise.
    • Calculați media rezultatelor obținute. Pentru a face acest lucru, adunați numărul de pini sau picături din toate experimentele și împărțiți suma la numărul de experimente.

  8. Convertiți numărul de pini în putere. Pentru a face acest lucru, înmulțiți numărul de grame cu 0,00981 N/g. Pentru a calcula tensiunea superficială, trebuie să cunoașteți forța care a fost necesară pentru a ridica acul de la suprafața apei. Deoarece ați calculat greutatea știfturilor în pasul anterior, pentru a determina forța, pur și simplu înmulțiți greutatea respectivă cu 0,00981 N/g.

    • Înmulțiți numărul de ace introduse în farfurie cu greutatea unui știft. De exemplu, dacă puneți 5 ace care cântăresc 0,5 grame, greutatea lor totală va fi de 0,5 g/pin = 5 x 0,5 = 2,5 grame.
    • Înmulțiți numărul de grame cu factorul de 0,00981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

  9. Înlocuiți valorile rezultate în ecuație și găsiți valoarea dorită. Folosind rezultatele obținute în timpul experimentului, se poate determina tensiunea superficială. Pur și simplu introduceți valorile găsite și calculați rezultatul.

    • Să presupunem că în exemplul de mai sus, lungimea acului este de 0,025 metri. Inlocuim valorile in ecuatie si obtinem: S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Astfel, tensiunea superficială a lichidului este de 0,05 N/m.

Lichid–o substanță în stare lichidă de agregare, ocupând o poziție intermediară între starea solidă și starea gazoasă. Principala proprietate a unui lichid, care îl deosebește de substanțele aflate în alte stări de agregare, este capacitatea de a-și schimba nelimitat forma sub influența tensiunilor mecanice tangenţiale, chiar arbitrar de mici, păstrându-și practic volumul.

Informații generale despre starea lichidă

Starea lichidă este de obicei considerată intermediară între un solid și un gaz: un gaz nu păstrează nici volum, nici formă, dar un solid le păstrează pe ambele.

Forma corpurilor lichide poate fi determinată în întregime sau parțial de faptul că suprafața lor se comportă ca o membrană elastică. Deci, apa se poate acumula în picături. Dar un lichid este capabil să curgă chiar și sub suprafața sa staționară și asta înseamnă, de asemenea, că forma (părțile interne ale corpului lichid) nu este păstrată.

Moleculele lichide nu au o poziție definită, dar în același timp nu au libertate totală de mișcare. Există o atracție între ei, suficient de puternică încât să-i țină aproape.

O substanță în stare lichidă există într-un anumit interval de temperatură, sub care se transformă în stare solidă (se produce cristalizarea sau transformarea în stare solidă amorfă - sticlă), deasupra căreia se transformă în stare gazoasă (se produce evaporarea). Limitele acestui interval depind de presiune.

De regulă, o substanță în stare lichidă are o singură modificare. (Cele mai importante excepții sunt lichidele cuantice și cristalele lichide.) Prin urmare, în majoritatea cazurilor, un lichid nu este doar o stare de agregare, ci și o fază termodinamică (fază lichidă).

Toate lichidele sunt de obicei împărțite în lichide pure și amestecuri. Unele amestecuri de fluide sunt de mare importanță pentru viață: sânge, apa de mare etc. Lichidele pot acţiona ca solvenţi.

Proprietăți fizice lichide

1 ).Fluiditate

Principala proprietate a lichidelor este fluiditatea. Dacă se aplică o forță externă unei secțiuni a unui lichid care este în echilibru, atunci apare un flux de particule lichide în direcția în care se aplică această forță: lichidul curge. Astfel, sub influența dezechilibratelor forțe externe lichidul nu își păstrează forma și dispunerea relativă a părților și, prin urmare, ia forma vasului în care se află.

Spre deosebire de solidele din plastic, un lichid nu are o limită de randament: este suficient să aplicați o forță externă arbitrar mică pentru ca lichidul să curgă.

2).Conservarea volumului

Una dintre proprietățile caracteristice ale unui lichid este că are un anumit volum (în condiții externe constante). Un lichid este extrem de greu de comprimat mecanic deoarece, spre deosebire de un gaz, există foarte puțin între molecule spatiu liber. Presiunea exercitată asupra unui lichid închis într-un vas este transmisă fără modificare în fiecare punct al volumului acestui lichid (legea lui Pascal este valabilă și pentru gaze). Această caracteristică, împreună cu compresibilitatea foarte scăzută, este utilizată în mașinile hidraulice.

Lichidele în general cresc în volum (se extind) când sunt încălzite și scad în volum (se contractă) când sunt răcite. Cu toate acestea, există excepții, de exemplu, apa se contractă atunci când este încălzită, la presiune și temperatură normale de la aproximativ .

3).Viscozitate

În plus, lichidele (cum ar fi gazele) se caracterizează prin vâscozitate. Este definită ca abilitatea de a rezista mișcării unei părți față de alta - adică ca frecare internă.

Când straturile adiacente de lichid se mișcă unul față de celălalt, inevitabil apar ciocniri de molecule în plus față de cea cauzată de mișcarea termică. Apar forțe care inhibă mișcarea ordonată. În acest caz, energia cinetică a mișcării ordonate se transformă în energie termică a mișcării haotice a moleculelor.

Lichidul din vas, pus în mișcare și lăsat la dispoziție, se va opri treptat, dar temperatura îi va crește.

4).Miscibilitatea

Miscibilitatea este capacitatea lichidelor de a se dizolva unele în altele. Un exemplu de lichide miscibile: apă și alcool etilic, un exemplu de lichide nemiscibile: apă și ulei lichid.

5).Formarea liberă a suprafeței și tensiunea superficială

Datorită conservării volumului, lichidul este capabil să formeze o suprafață liberă. O astfel de suprafață este interfața dintre fazele unei substanțe date: pe de o parte există o fază lichidă, pe de altă parte există o fază gazoasă (abur) și, eventual, alte gaze, de exemplu, aer.

Dacă fazele lichide și gazoase ale aceleiași substanțe intră în contact, apar forțe care tind să reducă aria interfeței - forțe de tensiune superficială. Interfața se comportă ca o membrană elastică care tinde să se contracte.

6).Unde de densitate

Deși un lichid este extrem de greu de comprimat, volumul și densitatea acestuia se schimbă în continuare atunci când presiunea se schimbă. Acest lucru nu se întâmplă instantaneu; Deci, dacă o zonă este comprimată, atunci o astfel de compresie este transmisă altor zone cu o întârziere. Aceasta înseamnă că undele elastice, mai precis undele de densitate, se pot propaga în interiorul lichidului. Odată cu densitatea, se modifică și alte mărimi fizice, cum ar fi temperatura.

Dacă, pe măsură ce unda se propagă, densitatea se modifică destul de ușor, o astfel de undă se numește undă sonoră sau sunet.

Dacă densitatea se modifică suficient de puternic, atunci o astfel de undă se numește undă de șoc. Unda de șoc este descrisă de alte ecuații.

Undele de densitate dintr-un lichid sunt longitudinale, adică densitatea se modifică de-a lungul direcției de propagare a undei. Nu există unde elastice transversale în lichid din cauza neconservării formei.

Undele elastice dintr-un lichid se estompează în timp, energia lor se transformă treptat în energie termică. Motivele atenuării sunt vâscozitatea, „absorbția clasică”, relaxarea moleculară și altele. În acest caz, așa-numita viscozitate secundă sau volumetrică funcționează - frecare internă atunci când densitatea se modifică. Unda de șoc, ca urmare a atenuării, după un timp se transformă într-o undă sonoră.

Undele elastice dintr-un lichid sunt, de asemenea, supuse împrăștierii prin neomogenități rezultate din mișcarea termică haotică a moleculelor.

Structura lichidelor


Studiile experimentale ale stării lichide a materiei, bazate pe observarea difracției de raze X și a fluxurilor de neutroni pe măsură ce acestea trec prin medii lichide, au descoperit prezența comanda pe raza scurta, adică prezența unei anumite ordini în aranjarea particulelor doar la o distanță mică de orice poziție selectată (Fig. 140).

Dispunerea reciprocă a particulelor învecinate în lichide este similară cu aranjarea ordonată a particulelor învecinate în cristale. Totuși, această ordonare în lichide se observă doar în volume mici. La distanțe: de la o moleculă „centrală” selectată, ordonarea este perturbată (este diametrul efectiv al moleculei). O astfel de ordonare în aranjarea particulelor în lichide se numește ordine pe distanță scurtă. .

Din cauza lipsei de ordine pe distanță lungă, lichidele, cu puține excepții, nu prezintă anizotropia caracteristică cristalelor. Din acest motiv, structura lichidului este uneori numită cvasicristalină sau asemănătoare cristalului .

Pentru prima dată, ideea asemănării unor proprietăți ale lichidelor (în special ale metalelor topite) și solidelor cristaline a fost exprimată și apoi dezvoltată în lucrările fizicianului sovietic Ya.I. Frenkel în anii 1930-1940. Potrivit opiniilor lui Frenkel, care au primit acum recunoaștere universală, mișcarea termică a atomilor și moleculelor dintr-un lichid constă în vibrații neregulate cu o frecvență medie apropiată de frecvența vibrațiilor atomilor din corpurile cristaline. Centrul de oscilații este determinat de câmpul de forță al particulelor învecinate și se deplasează odată cu deplasările acestor particule.

Într-un mod simplificat, se poate imagina o astfel de mișcare termică ca suprapunerea unor salturi relativ rare de particule de la o poziție de echilibru temporară la alta și oscilații termice în intervalele dintre salturi. Se numește timpul mediu de „așezare” a unei molecule lichide în apropierea unei anumite poziții de echilibru timp de relaxare. După timp, molecula își schimbă locul de echilibru, deplasându-se brusc într-o nouă poziție, separată de cea anterioară printr-o distanță de ordinul mărimii moleculelor înseși. Astfel, molecula se deplasează încet în interiorul lichidului. Odată cu creșterea temperaturii, timpul scade, mobilitatea moleculelor crește, ceea ce presupune o scădere a vâscozității lichidelor (crește fluiditatea). Conform expresiei figurative a lui Ya.I. Frenkel, moleculele rătăcesc în întregul volum de lichid, ducând un stil de viață nomad, în care mișcările de scurtă durată sunt înlocuite cu perioade relativ lungi de viață sedentară.

Solidele amorfe (sticlă, rășini, bitum etc.) pot fi considerate lichide suprarăcite, ale căror particule au o mobilitate limitată datorită vâscozității lor mult crescute.

Datorită ordinului scăzut al stării lichide, teoria lichidelor se dovedește a fi mai puțin dezvoltată decât teoria gazelor și a solidelor cristaline. Nu există încă o teorie completă a lichidului.

Un tip special de lichide sunt anumiți compuși organici constând din molecule alungite sau în formă de disc, sau așa-numitele cristale lichide. Interacțiunea dintre moleculele din astfel de lichide tinde să alinieze axele lungi ale moleculelor într-o anumită ordine. La temperaturi ridicate, mișcarea termică împiedică acest lucru, iar substanța este un lichid obișnuit. La temperaturi sub critice, apare o direcție preferată în lichid și apare ordinea de orientare pe distanță lungă. Deși păstrează caracteristicile de bază ale unui lichid, de exemplu, fluiditatea, cristalele lichide au proprietățile caracteristice cristalelor solide - anizotropia magnetică, electrică și proprietati optice. Aceste proprietăți (împreună cu fluiditatea) se găsesc în numeroase aplicatii tehnice, de exemplu, în ceasuri electronice, calculatoare, telefoane mobile, precum și în monitoarele computerelor personale, televizoare, ca indicatori, tablouri de bord și ecrane pentru afișarea informațiilor digitale, alfabetice și analogice.

Tensiune de suprafata

Cea mai interesantă caracteristică a lichidelor este prezența suprafata libera. Conectat la suprafața lichidului energie gratis, proporțional cu suprafața liberă a lichidului: . Deoarece energia liberă a unui sistem izolat tinde la minim, lichidul (în absența câmpurilor externe) tinde să ia o formă care are o suprafață minimă. Astfel, problema formei unui lichid se reduce la o problemă izoperimetrică în condiții suplimentare date (distribuție inițială, volum etc.). O picătură liberă ia forma unei sfere, dar în condiții mai complexe problema formei suprafeței lichidului devine extrem de dificilă.

Lichidul, spre deosebire de gaze, nu umple întregul volum al recipientului în care este turnat. Se formează o interfață între lichid și gaz (sau vapori), care se află în condiții speciale față de restul lichidului. Moleculele din stratul limită al unui lichid, spre deosebire de moleculele din adâncimea acestuia, nu sunt înconjurate de alte molecule ale aceluiași lichid pe toate părțile. Forțele de interacțiune intermoleculară care acționează asupra uneia dintre moleculele din interiorul unui lichid din moleculele învecinate sunt, în medie, compensate reciproc (Fig. 141).

Dar toate moleculele, inclusiv moleculele stratului limită, trebuie să fie într-o stare de echilibru. Acest echilibru se realizează prin reducerea ușor a distanței dintre moleculele stratului de suprafață și vecinii lor cei mai apropiați din interiorul lichidului. Pe măsură ce distanța dintre molecule scade, apar forțe de respingere. Moleculele stratului de suprafață sunt împachetate ceva mai dens și, prin urmare, au o sursă suplimentară de energie potențială în comparație cu moleculele interne. Prin urmare, moleculele stratului de suprafață al unui lichid au un exces de energie potențială în comparație cu moleculele din interiorul lichidului, egal cu energia liberă. .Astfel, energia potenţială a suprafeţei unui lichid este proporţională cu aria sa: .

Din mecanică se știe că stările de echilibru ale unui sistem corespund valorii minime a energiei sale potențiale, adică. suprafața liberă a lichidului tinde să-și reducă aria. Lichidul se comportă ca și cum forțele care acționează tangențial la suprafața sa ar contracta (trag) această suprafață. Aceste forțe sunt numite forțele de tensiune superficială .