Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Строение жидкостей: учебно-методическое пособие для учителей и учащихся инженерных классов физико-математического профиля
Обращаем Ваше внимание: Министерство образования и науки рекомендует в 2017/2018 учебном году включать в программы воспитания и социализации образовательные события, приуроченные к году экологии (2017 год объявлен годом экологии и особо охраняемых природных территорий в Российской Федерации).

Учителям 1-11 классов и воспитателям дошкольных ОУ вместе с ребятами рекомендуем принять участие в международном конкурсе «Законы экологии», приуроченном к году экологии. Участники конкурса проверят свои знания правил поведения на природе, узнают интересные факты о животных и растениях, занесённых в Красную книгу России. Все ученики будут награждены красочными наградными материалами, а учителя получат бесплатные свидетельства о подготовке участников и призёров международного конкурса.

ПРИЁМ ЗАЯВОК ТОЛЬКО ДО 21 ОКТЯБРЯ!

Конкурс "Законы экологии"

Строение жидкостей: учебно-методическое пособие для учителей и учащихся инженерных классов физико-математического профиля

библиотека
материалов



Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 3 с углубленным изучением

отдельных предметов» г. Ядрин Чувашской Республики








hello_html_m165e3ab3.gif



hello_html_m2b0f54c1.gif


hello_html_4c2ac4c1.gif



Автор: учитель физики

высшей категории Николаев А.М.

hello_html_4cd05e5d.gif





















2015 г.


Оглавление:


Введение ------------------------------------------------------------------- 2стр.

§ 1 Строение жидкостей, поверхностное натяжение жидкостей. --- 3 – 5стр.

§ 2 Собственная форма жидкости. ---------------------------------------- 6 – 7 стр.

§ 3 Явления смачивания и несмачивания. ------------------------------ 7 – 8 стр.

§ 4 Жидкостные пленки. --------------------------------------------------- 9 – 10 стр.

§ 5 Флотация. ---------------------------------------------------------------- 10 – 11 стр.

§ 6 Капиллярные явления. ------------------------------------------------ 11 – 12 стр.

§ 7 Значение кривизны свободной поверхности жидкости. --------------- 12 – 13 стр.

§ 8 Разность давлений по разные стороны искривленной

поверхности жидкости. Формула Лапласа. ----------------------------- 14 стр.

Лабораторная работа. ----------------------------------------------------- 15 стр.

Практикум по решению задач. ------------------------------------------ 15 – 18 стр.

Материал для дополнительного чтения:

Адсорбция. ------------------------------------------------------------------- 19 стр.

Растворение газов. ------------------------------------------------------- 19 – 21 стр.

Растворение твёрдых тел в жидкости ----------------------------------- 21 – 22 стр.

Список используемой литературы. ------------------------------------- 23 стр.



Введение.

.Учебно-методическое пособие «Строение жидкостей» рекомендуется учителям и учащимся в классах естественно-научного и физико-математического профилей.

Цель работы: способствовать углублению теоретических и практических знаний, формированию умений выдвигать гипотезы, строить логические умозаключения, пользоваться индукцией, дедукцией, методами аналогий и идеализаций.

Данная работа расширяет базовый курс физики, дает учащимся возможность познакомиться с интересными, нестандартными задачами. Вопросы, рассматриваемые в пособии, расширяют содержание основного курса физики средней школы.

В работе подробно рассматриваются темы: строение жидкостей; явления смачивания и несмачивания; капиллярные явления, их применения в быту, технике, промышленности; сделан расчёт кривизны свободной поверхности жидкости, выведена формула Лапласа. Для закрепления материала учащимся предлагается: выполнить лабораторную работу, решить задачи из практикума, сделать несколько занимательных экспериментов.

Задачи, предлагаемые в данном пособии, интересны и часто не просты в решении, что позволяет повысить учебную мотивацию учащихся и проверить свои способности к физике. Вместе с тем, содержание тем курса позволяет ученику любого уровня активно включаться в учебно-познавательный процесс и максимально проявить себя.


Примерное планирование изучения темы «Строение жидкостей».


Название темы

Число часов

примечание

§ 1

Строение жидкостей, поверхностное натяжение жидкостей.

2

Проведение экспериментов, решение задач.

§ 2

Собственная форма жидкостей.

1

Проведение экспериментов

§ 3

Явления смачивания и несмачивания.

1

Проведение экспериментов, решение задач.

§ 4,5

Жидкостные плёнки. Флотация.

1

Доклады учащихся.

§ 6

Капиллярные явления.

2

Проведение экспериментов, решение задач.

§ 7

Значение кривизны свободной поверхности жидкости.

2

Решение задач.

§ 8

Разность давлений по разные стороны искривлённой поверхности. Формула Лапласа.

2

Вывод формулы Лапласа. Решение задач.

§ 9

Лабораторная работа.

1

Выполняется при наличии оборудования.

§ 10

Решение задач.

2



Контрольная работа.

1


§ 1

Строение жидкостей, поверхностное натяжение жидкостей.


Вещества, в зависимости от внешних условий, находятся в твёрдом, жидком или газообразном состоянии (многие из вас назовут ещё одно состояние – плазма и будут правы). Вы имеете представление о строении газов и твердых тел. Гораздо боле сложным представляется строение жидкостей. Каковы свойства жидкостей? Плотность вещества в жидком состоянии в сотни раз больше чем в газообразном состоянии. Но жидкость – это не просто сильно сжатый газ. Если сжать газ при температуре выше критической до плотности газа, то газ в жидкость не превратится. При уменьшении давления молекулы вещества снова разлетятся и будут в газообразном состоянии. Если температура жидкости достигла «критической температуры», то свойства жидкости неотличимы от свойств газа. Вещество переходит в жидкое состояние, если энергия молекулярного притяжения станет больше кинетической энергии хаотического движения частиц.

В жидкости, как и в твёрдом теле, молекулы сильно взаимодействуют друг с другом, удерживая себя около положения «относительного равновесия». Вычислить силы взаимодействия между молекулами – задача сложная и она в общем виде не решена до сих пор. Каждая молекула жидкости в течение некоторого промежутка времени движется то «сюда», то «туда», не удаляясь от своих соседей. Это движение напоминает колебание молекулы твёрдого тела. Но время от времени (порядка 10-8 секунд) молекула совершает скачкообразное движение – вырывается из своего окружения и переходит другое место, где опять совершает движение, подобное колебанию. При увеличении температуры время «скачкообразного движения» уменьшается. Наиболее характерным признаком жидкого состояния вещества является наличие резкой границы, разделяющей жидкость и её пар. Поверхностный слой жидкости, представляющий переход от жидкости к пару, отличается особенными свойствами.

Мы все любовались маленькими капельками росы, все выдували мыльные пузыри. Эти явления кажутся удивительными! Если две капли росы (или любой другой жидкости) привести в соприкосновение, то они сольются в одну большую каплю, форма которой будет близка к шаровой. Если прекратить выдувать мыльный пузырь, то он самопроизвольно сокращается и его поверхность уменьшается. Мы привыкли к тому, что жидкость принимает форму сосуда, в которым она находится, и собственной формы не имеет. Но, оказывается, это не всегда верно. Рассмотрим ещё несколько примеров:

а) Струйка воды постепенно переходит в капли.

б) Острый зубец на стекле при нагревании оплавляется – делается округлым.

в) Сокращение поверхности мыльной плёнки.

Вhello_html_m3f0c1cd.gif описанных явлениях мы наблюдали самопроизвольное сокращение поверхности жидкости: жидкость принимала форму, при которой её поверхность оказывалась минимальной. Чем это можно объяснить?

Обратим внимание: из всех тел равного объёма поверхность шара минимальна (при сливании двух капелек поверхность Sоб<S1+S2).Вернёмся к строению жидкости. Молекулы жидкости на глубине и на поверхности находятся в разных условиях. На каждую молекулу жидкости, находящуюся внутри жидкости, действуют силы притяжения со стороны других молекул. Их равнодействующая равна нулю. Над поверхностью жидкости находится пар ρп<< ρв и Fвз.п<вз.ж равнодействующая всех сил, действующая на молекулу на поверхности жидкости, направлена внутрь этой жидкости. Под действием этих сил молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь, число молекул на поверхности уменьшается, и площадь поверхности сокращается. Но все молекулы не могут с поверхности уйти внутрь - этому препятствуют силы отталкивания, которые начинают действовать при уменьшении расстояний между молекулами. Процесс сокращения прекращается и на поверхности остаётся такое число молекул, при котором её площадь минимальна для данного объёма жидкости.

Пhello_html_m2c902e82.gifри увеличении поверхности часть молекул из внутренних слоёв переходит на поверхность – совершается работа против сил взаимодействия между молекулами внутри жидкости и молекулами на её поверхности. Работа сил отрицательна (А<0), а изменение потенциальной энергии молекул положительно (∆Wp>0, Wp2>Wp1). Молекулы, образующие поверхность жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости.

Избыточную потенциальную энергию, которой обладают молекулы на поверхности жидкости, называют поверхностной энергией.

Поверхностную энергию, которой обладают молекулы жидкости, образующие при постоянной температуре поверхность единичной площади, называют удельной поверхностной энергией.

σ= Wp/S (σ сигма)

Удельная поверхностная энергия σ равна отношению работы А по увеличению поверхности жидкости при изотермическом процессе к приращению площади этой поверхности ∆S.

σ=A/∆S [σ]=Дж/м2

Сокращение поверхности – самопроизвольный процесс, ведущий к состоянию устойчивого равновесия (любая система стремится занять состояние равновесия, когда её потенциальная энергия минимальна).

Поверхностная энергия уменьшается при нанесении на жидкость вещества поверхностная энергия которого меньше чем у данной жидкости (например: стиральный порошок, мыло и др. вещества растворимые в данной жидкости).

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит от температуры. В этом можно убедиться при помощи опыта. Насыпав на поверхность воды тальк, поднесем к ней накаленное металлическое тело. От этого прогреется поверхность воды, причем больше всего в непосредственной близости к нагретому телу. Мы увидим, что тальк разбежится от нагретого предмета. Следовательно, силы взаимного притяжения молекул в жидкости уменьшаются при повышении температуры.

C

Поверхностное натяжение H/м

Температура, C

Поверхностное натяжение H/м

0

0,0756

200

0,0378

20

0,0725

250

0,0261

50

0,0679

300

0,0143

100

0,0588

350

0,0036

150

0,0486

374,15

0



Температура, равная 374,15 C – критическая температура. Поверхностное натяжение жидкостей зависит только от природы жидкости и от её температуры. Оно не зависит от того, велика поверхность жидкости или мала, подвергалась она предварительному растягиванию или нет.

Рассмотрим мыльную плёнку, образованную на прямоугольнике с одной подвижной перекладиной d. Если на эту перекладину не действует внешняя сила, поверхность жидкости будет сокращаться и подвижная перекладина притянется к неподвижной. Площадь поверхности сократится до минимума. Значит, со стороны жидкой плёнки действует вдоль её поверхности сила F , касательная к поверхности и перпендикулярная участку периметра, ограничивающего поверхность жидкости.

Силой поверхностного натяжения называют силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить её до минимума.

Еhello_html_m2978534.gifhello_html_m6f6df2e6.gifhello_html_m7cb119fc.gifhello_html_5587e426.gifсли под действием F1 проволочка АВ сместится на ∆x то работа А1 = F1·∆x. За счёт этой работы поверхность плёнки увеличится на ∆S. Сила поверхностного натяжения совершает отрицательную работу A=-F·∆x, так как ∆S=∆x·ℓ, где ℓ=2·d (у пленки две поверхности). Поверхностная энергия Wp увеличивается на Wp= σ·∆S= σ·ℓ·∆x . Так как A=-∆Wp. то ∆W=-A

σ·ℓW·∆x=F·∆x,

то σ=F/ℓ

Отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости σ. [σ]=н/м.

σ имеет не только энергетическую, но и силовую характеристику.

Оhello_html_42fd10ee.gifпределим силу поверхностного натяжения мыльного раствора. Проволочную рамку погрузим в раствор мыла, F1 – сила натяжения спирали динамометра, mg – сила тяжести, F – сила поверхностного натяжения жидкости. При равновесии сил:

hello_html_m365d4c23.gifhello_html_m54da2c5c.gif

для модулей сил F1 -- mg -- 2F = 0 из этого следует

F = (F1 – mg)/2 (сила F действует с обеих сторон плёнки). Конечно, вы правы, динамометр должен быть очень «чувствительным» и измерять силу в mH.

Сила поверхностного натяжения не зависит от увеличения площади поверхности( Сила поверхностного натяжения не является силой упругости!!!). Этим она отличается от резиновых плёнок, где по мере растяжения поверхности расстояние между молекулами увеличивается и сила упругости возрастает. Поверхность жидкости не обладает упругостью. Увеличение поверхности происходит за счёт перехода новых молекул из глубины на поверхность жидкости.






§ 2

Собственная форма жидкости.



Форма капелек росы близка к сферической. Жидкость, находящаяся в невесомости, имеет форму шара. Шаровая форма – это и есть собственная форма жидкости, которую она принимает под действием межмолекулярных сил.

Нhello_html_5e779df5.gifа жидкость действуют Fт и Fупр, с которой деформированная опора действует на прилегающей к ней слой жидкости. Внутри жидкости создаётся гидростатическое давление, максимальное у нижнего слоя и убывающее по направлению к верхнему слою. Силы гидростатического давления F1 и F2 приводят к растеканию капли. Растеканию капли препятствует сила поверхностного натяжения жидкости, которая стремится сократить площадь до минимума. Чем меньше радиус капли, тем меньше «растекание». Каков же этот радиус, чтобы капля не растекалась? Капля на опоре обладает потенциальной энергией W1, зависящей от силы тяжести и поверхностной энергией W2, связанной с молекулярными силами в поверхностном слое.hello_html_m53d4ecad.gif

W1=mgh=ρVшgr

(hello_html_m43e97c8a.gifVш – объём шара, ρ – плотность жидкости, h – высота центра тяжестиhello_html_m6308df98.gif,hello_html_m34375b10.gif),

W1=hello_html_m25f56a79.gifhello_html_m3f13deba.gif W2 = σSш = 4σπr2

Потенциальная энергия W1 ~ r4, W2 ~ r2. Растекание капли прекратится, когда сумма обоих видов энергии будет минимальна. При r→0 вклад W1 ~ r4 будет очень мал и минимум общей энергии будет определятся W2 ~ r2.

Рассчитаем радиус капли при условии W1=W2

hello_html_m25f56a79.gifhello_html_m3f13deba.gif=4σπr2

ρgr2=3σ hello_html_m4855e294.gifhello_html_m3e57be1c.gif , то есть радиус капли зависит от g, ρ.

Пример: для воды ρ=103 кг/м3, g=9,8 м/с2, σ=7,3·10-2 Дж/м2

hello_html_m3e57be1c.gif, hello_html_mefe1603.gif

Таким образом, капли воды, радиусом приблизительно 0,5см. будут немного сплющены, так как вклад обоих видов потенциальной энергии одинаков.

Для практического применения интересен опыт Плато (анилиновая капля в растворе поваренной соли). Если каплю анилина поместить в раствор поваренной соли, плотность которого подогнана к плотности анилина, то капля держится внутри жидкости, не опускаясь на дно и не всплывая. Это значит, что сила тяжести и сила Архимеда, действующие на каплю взаимно уравновешиваются. В этом случае капля принимает форму шара.







§ 3

Явления смачивания и несмачивания.



В повседневной жизни вы замечали, что капля воды на чистой стеклянной поверхности растекается, покрывая её тонкой пленкой. На пластинке парафина и на поверхности листьев многих растений эта же капля принимает форму шарика. Капля расплавленного олова на стеклянной поверхности принимает форму шара, а если разогретым паяльником с каплей олова провести по чистой меди, то олово растечётся по листу тонкой плёнкой.

Жидкость, которая растекается тонкой плёнкой по твёрдому телу, называют смачивающей это твёрдое тело.

Жидкость, которая не растекается, а стягивается в каплю, называется не смачивающей это тело.

Смачивание – явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твёрдого тела и приводящее к искривлению поверхности жидкости у поверхности твёрдого тела. Рассмотрим жидкость, находящуюся на поверхности твёрдого тела. Г – газ, Ж – жидкость, Т – твёрдое тело, Fж.т. – сила поверхностного натяжения жидкости и твёрдого тела, Fж.г. – сила поверхностного натяжения на границе жидкость – газ, Fт..г.. – сила поверхностного натяжения на границе тело – газ. При смачивании угол Θ → 0º, при несмачивании Θ → 180º. Θ – краевой угол, он всегда отсчитывается внутрь жидкости.

Если Fт.г.> Fж.т.+ Fж.г.cosΘ , то жидкость смачивает твёрдое тело.

Пhello_html_m2a21f322.gifhello_html_m31121bf1.gifри условии Fт.г.,< Fж.т.+ Fж.г.cosΘ жидкость не будет смачивать твёрдое тело.При условии равновесия hello_html_105eb38d.gif

Явления смачивания и не смачивания широко применяются в быту и технике.

Примеры применения смачивания и несмачивания:

1. Пайка металлов.

2. Лужение.

3. Моющее действие мыла.

4. Пятновыводители, растворители.

5. Флотационный процесс.

Сделаем опыт. На поверхность чистой горячей воды поместим небольшой кусок парафина (воска, нафталина). Парафин расплавится и растечется тонкой пленкой по поверхности воды. Дадим воде остыть. Парафин затвердеет в виде тонкой пластинки. Осторожно вынем эту пластинку, стараясь не касаться ее поверхности, и, разделив на две части, поместим горизонтально, предварительно перевернув одну из частей. Теперь при помощи пипетки нанесем на поверхности пластинок капли чистой воды. Мы увидим, что капли поведут себя различно. На той поверхности парафина, которая соприкасалась с воздухом, капля воды не растечется и будет иметь такую же форму, как ртуть на стекле; в этом случае вода не смачивает парафин. На поверхности, соприкасавшейся с водой, капля воды немедленно растечется, образуя тонкую пленку; в этом случае вода смачивает парафин.

Почему же одно и то же твердое вещество в одних случаях смачивается жидкостью, а в других не смачивается?

Объяснение в следующем. Молекулы многих веществ довольно сложны; благодаря этому различные части такой молекулы могут обнаруживать различные силы сцепления при взаимодействии с другими молекулами. Если каким-либо образом расположить подобные молекулы так, что в одну сторону будут обращены концы, сильно взаимодействующие с водой, а в другую — слабо взаимодействующие, то получится пластинка, одна поверхность которой будет смачиваться водой, а другая не будет.

Парафин на горячей воде плавится, и молекулы жидкого парафина поворачиваются, притягиваясь своими сильно взаимодействующими с водой концами к поверхности воды. В таком положении они и застывают, когда вода охлаждается, и в результате получается та двусторонняя пластинка, свойства которой мы обнаружили в описанном опыте.

Наиболее сильно влияние определенного расположения молекул в поверхностном слое у маслянистых веществ, обладающих смазочным действием. На основании химических исследований этим молекулам приписывают удлиненную форму, причем на одном ее конце находится группа атомов СООН (так называемая карбоксильная группа). Эта группа и обусловливает сцепление молекул маслянистых веществ с поверхностями твердых тел (активные концы). Другие концы тех же молекул дают очень малые силы сцепления (инертные концы).

Тhello_html_me3649c3.pngакое представление дает возможность объяснить смазочное действие очень тонких слоев масел. Слой смазки между двумя твердыми (например, металлическими) поверхностями разделяется на слои, обращенные друг к другу попеременно активными и инертными концами. К твердым телам примыкает слой молекул, прикрепившихся к нему своими активными концами. Эти молекулы располагаются подобно щетине на щетке. При движении происходит скольжение между инертными концами молекул смачивающего вещества. При этом скольжении силы взаимодействия малы. Поэтому и трение получается весьма малым.

Отметим, что у жидкостей, не обладающих смазочным действием в тонких слоях, молекулярная картина течения жидкости вблизи твердого тела имеет иной характер.

Расположение молекул масляной смазки вблизи твердого тела А - активные концы молекул обозначены черным, инертные — белым. Скольжение происходит в местах В и D. В месте С скольжения нет.





§ 4

Жидкостные пленки.



Разберём поподробнее моющее действие мыла. Почему мыльный раствор помогает отмыть загрязнения?

Мы можем легко получить пену из мыльной воды. Выдувать красивые мыльные пузыри, получать различной формы жидкостные плёнки. Из чистой же воды пена получается очень неустойчивой.

Пhello_html_4751526a.pngена — это множество пузырьков воздуха, ограниченных тончайшей пленкой жидкости. Из жидкости, образующей пену, легко можно получить и отдельную пленку. Эти пленки очень интересны. Они могут быть чрезвычайно тонки: в наиболее тонких частях их толщина не превосходит стотысячной доли миллиметра. Несмотря на свою тонкость, они иногда очень устойчивы. Мыльную пленку можно растягивать и деформировать. Сквозь мыльную пленку может протекать струя воды, не разрушая ее. Смоченный мыльной водой стальной шарик пролетает сквозь мыльную пленку, оставляя ее целой. В момент пролета шарик, очевидно, обволакивается пленкой с обеих сторон и затем отрывается, причем поврежденное место поверхности немедленно восстанавливается.

Чем же объяснить устойчивость пленок? Прежде всего, заметим, что устойчивые пленки и пена не могут образовываться в химически чистых жидкостях. Непременным условием образования пены является прибавление к чистой жидкости (вода, спирт и т. п.) растворяющихся в ней веществ и притом таких, которые сильно понижают поверхностное натяжение (мыло, стиральные порошки). Как показывает опыт, молекулы такого растворенного вещества собираются в поверхностном слое жидкости (адсорбируются).

Какое это имеет значение для прочности пленки, например мыльной? Мыльная пленка представляет собой тройной слой. В двух наружных слоях мы имеем воду, насыщенную молекулами веществ, входящих в состав мыла, в среднем слое — почти чистую воду. Аhello_html_6decd31d.png и В – поверхностные слои богатые молекулами мыла.С – слой почти чистой воды.

Поверхностное натяжение слоёв А и В меньше поверхностного натяжения слоя С. Поэтому, если вдруг где обнаружится слой воды, то Fв.п.>Fм.п. и слой мыла с водой заполнит это место.

Молекулы мыла обладают особым строением: они состоят из «активной» части, сильно взаимодействующей с водой и углеродного «хвоста», который с водой взаимодействует слабо. При отмывании загрязненной поверхности мыльным раствором молекулы мыла концентрируются (адсорбируются) на отмываемой поверхности и оказываются ориентированными активными концами к воде. В этом случае поверхность тела лучше смачивается водой. Вода растекается по поверхности тела, вытесняя с неё частицы грязи.

Теперь представим себе, что пленка по какой-нибудь причине в одном месте утончилась. Это поведет к тому, что здесь обнажится внутренний слой почти чистой воды. Поверхностное натяжение этого слоя, как мы видели, больше. Вследствие большого поверхностного натяжения утончившееся место плёнки потянет в свою сторону жидкость из других, более толстых частей. Этим снова достигается одинаковая толщина плёнки на всём протяжении и опасность разрыва плёнки исчезает.

Все же через некоторое время лопается и мыльная пленка. Причины этого разнообразны. Во-первых, пленка никогда не бывает вполне горизонтальной. Вследствие этого жидкость из верхней части пленки постепенно перетекает вниз. Во-вторых, пленка все время немного испаряется, а потому и утончается до такого состояния, при котором внутренний слой пленки, обусловливающий, как мы видели, ее устойчивость, истощается. В-третьих, на поверхности пленки могут происходить реакции окисления, ведущие к образованию новых веществ.

Чтобы сохранить мыльную пленку дольше, ее помещают под стеклянный сосуд, задерживающий испарение жидкости, и прибавляют в мыльный раствор вещества, увеличивающие его вязкость (сахар, глицерин). В таких условиях мыльные пузыри могут «жить и радовать нас своими красками» довольно продолжительное время (до двух и более недель). Природу происхождения различных цветов, переливания красок мы узнаем попозже при изучении «Оптических явлений».

В природе и технике мы обычно встречаемся не с отдельными пленками, а с собранием плёнок в виде пены. В строительной технике используются материалы, имеющие ячеистую структуру, вроде пены (например, пенобетон, пенополиуретан, пенопропилен пенопласт и т.д.). Такие материалы дешевы, легки, плохо проводят тепло и звуки и достаточно прочны. Для их изготовления добавляют в растворы, из которых образуются строительные материалы, вещества, способствующие ценообразованию. В огнетушителе также используются вещества образующие устойчивую пенную структуру.


§ 5

Флотация.


Среди разнообразных способов обогащения руды большое значение приобрел способ, основанный на явлениях смачивания — флотация (всплывание). Наибольшее значение она имеет для руд цветных металлов.

Чистая руда почти никогда не встречается в природе. Почти всегда полезное ископаемое перемешано с «пустой», т. е. ненужной горной породой. Руда, в которой мало полезного ископаемого, называется бедной. Процесс отделения пустой породы от полезного ископаемого называется обогащением руды.

Сущность флотации состоит в следующем. Раздробленная в мелкий порошок руда взбалтывается в воде. Туда же добавляется небольшое количество вещества, обладающего способностью смачивать одну из подлежащих разделению частей (например, крупицы полезного ископаемого) и не смачивающего другую часть (крупицы пустой породы). Кроме того, добавляемое вещество не должно растворяться в воде, так что вода не будет смачивать поверхность крупицы, покрытую тонкой пленкой добавки. Обычно применяют какое-нибудь дешевое масло.

В результате перемешивания крупицы полезной руды обволакиваются тонкой пленкой масла, а крупицы пустой породы остаются свободными. В то же время в получившуюся кашеобразную смесь вдувается очень мелкими пузырьками воздух.

hello_html_m405bf41d.pngФлотация: а) пузырек воздуха приближается к крупинке породы, покрытой пленкой масла; б) тонкая пленка воды между воздухом и крупинкой стягивается, обнажая поверхность крупинки.



Пузырьки воздуха, пришедшие в соприкосновение с крупицей полезной породы, покрытой слоем масла и потому не смачиваемой водой, прилипают к ней. Это происходит потому, что тонкая пленка воды между пузырьками воздуха и не смачиваемой ею поверхностью крупицы, стремясь уменьшить свою поверхность, обнажает поверхность крупицы (подобно тому, как вода на жирной поверхности собирается в капли, обнажая этим поверхность).

Уhello_html_m22a15f73.png крупиц полезной руды вместе с прилипшими к ним пузырьками воздуха средняя плотность меньше плотности воды, и они постепенно поднимаются кверху, а крупицы пустой породы опускаются вниз. Таким образом, происходит более или менее полное отделение пустой породы и получается так называемый концентрат, настолько богатый полезной рудой, что дальнейшая обработка его становится возможной и выгодной.

На рисунке показана схема флотационной установки: 1 – труба, по которой поступает взвесь измельченной руды в воде, 2 - сосуд, из которого капает флотационный реагент (масло), 3 - поступление воздуха, засасываемого винтом, 4 - место, где всплывшая полезная порода отделяется от оседающей пустой породы, 5 - сток пены с полезной породой (концентрат).



§ 6

Капиллярные явления.



Рассмотрим свойства жидкости в тонких трубках – капиллярах. Опустим в воду капиллярную трубку. Что мы видим? Вода поднимается по трубке! Вода, которая смачивает стенки трубки, поднимается в ней на некоторую высоту h над её уровнем в широком сосуде. Поподробнее изучим это явление.

Вhello_html_3f901bd5.gif узких трубках смачивающая стенки трубки жидкость образует вогнутые кривые поверхности – мениск (поднимаясь на высоту h). В трубках, где жидкость не смачивает стенки трубки, мениск имеет выпуклую форму (жидкость опускается ниже уровня в широком сосуде на h).

Под капиллярными явлениями понимают подъём или опускание жидкости в узких трубках – капиллярах, по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.

В случае θ < 90º, жидкость смачивает твёрдое тело, если θ > 90º, то жидкость не смачивает твёрдое тело.

Еhello_html_6fa0c75b.gifсли жидкость полностью смачивает тело (θ = 0º), то со стороны жидкости на линию её соприкосновения с твёрдым телом. ℓ=2πr действует сила F направленная вниз. Со стороны твёрдого тела на жидкость действует такая же по модулю сила F1 направленная вверх. Она вызывает подъём (опускание) жидкости в капилляре, при которой сила тяжести Fт , действующая на весь поднятый столбик жидкости равна F1.

Fн=Fт.

Fн=σ ℓ=σ2πr

Fт=mg=ρgV=ρghπr2

σ2πr = ρghπr2hello_html_m4855e294.gifhello_html_m34683892.gif.

Мы видим, что высота поднятия жидкости в капилляре тем больше, чем меньше радиус трубки r. Кроме того, h зависит от σ и ρ.

Примеры проявления явления смачивания:

а) Полотенце впитывает влагу.

б) Фитиль спиртовки, керосинки.

в) Поднятие воды по капиллярам из почвы к корням растений.

г) Адсорбция (явление прилипания молекул газа к твёрдым телам).

д) Поднятие влаги по капиллярам растений.

е) Флотация.

§ 7

Значение кривизны свободной поверхности жидкости.

Мhello_html_421f381b.gifы постоянно встречаемся с «кривыми» поверхностями жидкости: капля, мыльный пузырь, пузырёк воздуха в жидкости.

Силы, связанные с наличием поверхностного натяжения и направленные по касательной к поверхности жидкости, в случае выпуклой поверхности, дают результирующую силу направленную внутрь жидкости.

Если поверхность жидкости вогнутая, то результирующая сил поверхностного натяжения направлена в сторону газа, граничащего с жидкостью.

Дhello_html_m7cdf6732.gifавление жидкости, ограниченной выпуклой поверхностью, больше давления окружающего газа, а давление жидкости, ограниченной вогнутой поверхностью, меньше давления окружающего газа.

Рассмотрим пузырек воздуха радиуса R.

p2 – давление воздуха в пузырьке,

p1 – давление жидкости вокруг пузырька.

Пусть по какой-либо причине радиус пузырька увеличился на малую по сравнению с радиусом R величину ∆x.

Работа, совершённая по увеличению поверхности на ∆S можно вычислить по формуле

A=(p2-p1)∙4πR2∙∆x.

Но площадь поверхности увеличится на

S = 4π(R+∆x)2 – 4πR2 = 4πx(2R+∆x),

так как ∆x<

S ≈ 8πR∆x

(выражением 4π∆x2 пренебрегаем так как ∆x очень мало). Тогда увеличение поверхностной энергии ∆W= ∆S σ

W=σ8πR∆x,

то есть изменение поверхностной энергии равно работе сил по увеличению площади поверхности данного пузырька.

W = А

hello_html_f1f5339.gif

hello_html_4573c004.gif =∆p – добавочное давление (учитывается при R→10-6м).

Как видно, добавочное давление зависит от радиуса сферической поверхности. При малых радиусах пузырьков оно может достигать больших значений.

Рассмотрим явление на примере капиллярных трубок. Опустим в воду капилляр радиуса r.

Пhello_html_1157ab43.gifод вогнутым мениском атмосферное давление pат меньше на добавочное давление hello_html_766ed6af.gif. На глубине h к нему добавляется гидростатическое давление

pг=ρgh.

В широком сосуде давление равно pат. Так как жидкость находится в равновесии, то

pат = pатhello_html_766ed6af.gif + ρgh

ρgh=hello_html_766ed6af.gif

из этого следует, что

h=hello_html_1f8908ef.gif.

Высота поднятия жидкости в капилляре пропорциональна её поверхностному натяжению и обратно пропорциональна радиусу капилляра и плотности жидкости.

Обратите внимание, что hello_html_4573c004.gif=∆p = ρgh. (ρgh – гидростатическое давление столба жидкости высотой h).

Пример:

а)Закупорка сосудов крови при попадании пузырьков радиусом R~10-6м.

hello_html_ma306f6f.gifПа.

б) Возникновение Кессоновой болезни у водолазов при быстром всплытии на поверхность. При этом происходит закипание азота в крови человека (воздух подаётся под большим давлением, кислород усваивается организмом, а азот остаётся в крови).

§ 8

Разность давлений по разные стороны искривленной поверхности жидкости. Формула Лапласа.


Проведём более детальный анализ явлений, происходящих на поверхности жидкости. По обе стороны плоской поверхности жидкости давление одинаково (если площадь изучаемой жидкости hello_html_m53d4ecad.gifбольшая). По обе стороны от искривленной поверхности жидкости давление разное, т.к. поверхностный слой жидкости стремится сократиться из-за сил поверхностного натяжения. Это аналогично тому, как растянутая упругая оболочка воздушного шарика оказывает давление на заключенный внутри нее газ.

Найдем разность давлений Δp по обе стороны от поверхности жидкости вблизи некоторой точки А этой поверхности. Проведем через точку А два нормальных и взаимно перпендикулярных сечения М1АN1 и M2AN2 (нормальным сечением в т.А называется кривая, получающаяся в результате пересечения поверхности с плоскостью, проходящей через нормаль к поверхности в этой точке).

Пhello_html_11b76e6a.gifусть радиус кривизны этих сечений R1 R2 . Рассмотрим небольшой элемент этой поверхности ВСКЕ с длиной стороны ВС = ЕК = hello_html_m46befc3a.gif и ВЕ = СК =hello_html_m6f73c7e9.gif. На него действуют со стороны остальной поверхности жидкости силы поверхностного натяжения, причем hello_html_m6f9ac593.gif. Здесь σ - коэффициент поверхностного натяжения. Если по одну сторону поверхности жидкости давление p1 (на рисунке над поверхностью), а по другую p2, то на выделенный элемент поверхности площадью S=hello_html_m46befc3a.gifhello_html_m6f73c7e9.gif по нормали к ней действуют еще силы Q1 = p1hello_html_390b4793.gif и Q2= p2hello_html_390b4793.gif. Условие равновесия элемента поверхности ВСКЕ:

hello_html_5efc74e6.gif

Вывод формулы многим может показаться сложным, но, разобравшись в выше приведённых рассуждениях, попробуйте всё повторить. Напомним, что R1 и R2 радиусы кривизны двух любых взаимно перпендикулярных сечений поверхности жидкости для произвольной точки поверхности, вблизи которой разница давлений равна Δp. Если центры кривизны О1, и О2 сечений лежат по разные стороны от поверхности, то один из радиусов берется отрицательным. Если сечение представляет собой прямую линию, то соответствующий радиус кривизны R=∞ и 1/R =0. В частном случае сферической поверхности радиуса R имеем R 1 = R 2= R и hello_html_4bb2bda7.gif. Вспомните, что hello_html_4bb2bda7.gif= ρgh.

Лабораторная работа.



Определение коэффициента поверхностного натяжения воды.



Цель работы: Определить коэффициент поверхностного натяжения воды.



Приборы: Весы с разновесом, клин измерительный, штангельциркуль, воронка (соединяется с трубкой, имеющей кран и наконечник), колба, стакан, штатив.

Порядок выполнения работы:

1. С помощью измерительного клина и штангельциркуля измерить диаметр наконечника d.

2. Укрепить воронку в штативе и заполнить её водой.

3. Взвесить стакан.

4. Подставить колбу под наконечник трубки, отрегулировать кран так, чтобы образовывались капли и не отрывались очень часто.

5. Заменить колбу стаканом и отсчитать 50 – 60 капель воды.

6. Взвесить стакан с водой и определить массу одной капли.

7. Вычислить коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

8. Результат записать в виде hello_html_m6b31692d.gif

Формулы для расчёта: σ=F/ℓ F=mg ℓ=πd mg=πσd.

Для расчёта погрешности hello_html_m7360e7ca.gif

hello_html_414bd004.gif для массы жидкости 1г. и hello_html_5bd2c05d.gif

hello_html_m5661cc9e.gif

Практикум по решению задач.



1. Налейте в тарелку воды, бросьте на поверхность мелкие древесные опилки. Коснитесь поверхности воды кусочком мыла. Почему опилки разбегаются к краям тарелки?

2. Опустите в воду край промокательной бумаги и определите высоту, на которую поднимается вода (время намокания – 5 минут). Оцените диаметр капиллярных каналов волокон бумаги.

3. Сферическую каплю ртути радиусом R=3 мм разделили пополам. Какая работа совершена для увеличения энергии поверхностного слоя?

4. Глицерин поднялся в капиллярной трубке на 20 мм. Определите σ глицерина, если диаметр трубки 1 мм. (ρ глицерина 1260 кг/м3)

5. В стеклянной капиллярной трубке на Земле вода поднимается на 1 см. На какую высоту поднимется вода в той же трубке на Луне (gл = 1,6 м/с2)?



6. Смачиваемый водой кубик массой m= 0,2 кг плавает на поверхности воды. Ребро кубика имеет длину а = 0,03 м. На каком расстоянии x от поверхности будет находится нижняя грань кубика?

7. При каких условиях можно переносить воду в решете, не проливая её по дороге? Какой высоты h должен быть уровень воды в решете, если диаметр нитей d (d = 1 мм, σ = 0,07 Н/м, ρ= 103 кг/м3)?

Решение. Вода не будет выливаться из решета, если равнодействующая сил поверхностного натяжения компенсирует силу тяжести. Рассмотрим столб воды, в основании которого — квадратик, образованный нитями решета. При максимально возможной высоте h слоя воды силы поверхностного натяжения направлены вверх, и их равнодействующая равна 4σd. Она уравновешивает силу тяжести столба воды hello_html_6bce05d7.gif

8. Капиллярная трубка радиусом 0,5 мм запаяна сверху. Трубка открытым концом опускается в воду. Какой длины нужно взять трубку, чтобы при этих условиях вода поднялась на h = 1 см? (σ= 0,07 Н/м, pо = 760 мм. рт. ст., ρв = 103 кг/м3)

9. Конец капиллярной трубки опущен в воду. Какое количество теплоты Q выделится при поднятии жидкости по капилляру при полном смачивании?

10. Длинную стеклянную трубку, радиус канала которой r = 1 мм, закрыли снизу и наполнили водой. Трубку поставили вертикально и открыли нижний конец, при этом часть воды вылилась. Какова высота столба оставшейся в капилляре воды?

11. Конец стеклянной капиллярной трубки радиусом r = 0,05 см опущен в воду на глубину h =2 см. Какое давление необходимо, чтобы выдуть пузырёк воздуха через нижний конец трубки?

12. Смачивающая жидкость плотностью ρ поднялась в капиллярной трубке на высоту h. Каково давление в жидкости внутри капилляра на высоте h/4? Атмосферное давление принять pо.

13. С какой силой надо прижимать друг к другу параллельные стеклянные пластинки, чтобы капля ртути, помещенная между ними, представляла собой лепешку радиусом R=4 см и толщиной Н=1 мм? Считать, что ртуть полностью не смачивает стекло, и ее коэффициент поверхностного натяжения σ = 0,465 Н/м.

hello_html_30f81780.png


Решение: Проведем через т. А два взаимно перпендикулярных нормальных сечения. Радиусы их кривизны R1 = R и R2 = r = H/2 = 0,5мм.Здесь мы пользуемся тем, что Н значительно меньше R. Добавочное

давление внутри ртути hello_html_m631ab05d.gif. К пластинке надо приложить силу

hello_html_mf031c34.gif


14. Между двумя параллельными стеклянными пластинками находится 0,07 г воды. Какую силу надо приложить к каждой пластинке, чтобы вода имела форму лепешки радиуса R= З см, не доходящей до краев пластинок? Коэффициент поверхностного натяжения воды σ = 0,073 Н/м, плотность воды ρ = 1 г/см3. Смачивание считать полным.

Рhello_html_mef95132.pngешение: Сечение лепёшки плоскостью, перпендикулярной пластинкам и проходящей через центр лепёшки показано на рисунке. hello_html_m74c9eb6e.gif

15. Два мыльных пузыря с различными диаметрами соединили трубкой. Как будут изменяться размеры этих пузырей?



Решение: Согласно формуле Лапласа добавочное давление под сферической поверхностью радиусом R равно 2σ/R. У пленки мыльного пузыря две поверхности и добавочное давление внутри пузыря 4σ/R. У пузыря меньшего радиуса добавочное давление больше, чем у пузыря с большим радиусом. Поэтому воздух будет перетекать из меньшего пузыря в больший. Меньший пузырь будет уменьшаться, а больший -расти.



16. Как изменится высота (вдоль вертикали) поднятия жидкости в капиллярной трубке, если её наклонить? Дать поясняющий рисунок.

Рhello_html_680b998b.pngешение: Для капиллярной трубки можно считать, что форма мениска для поверхности жидкости в капилляре и сила F поверхностного натяжения, действующая на жидкость вдоль трубки, не зависят от наклона трубки. Пусть ρ - плотность жидкости, S - площадь поперечного сечения капилляра. Запишем условия равновесия столба жидкости в вертикально расположенной и наклонной трубках: hello_html_28663877.gif

Из записанных равенств получаем, что H1=H2, т.е. высоты поднятия жидкости в капилляре в обоих случаях одинаковы.

17 Прямоугольная проволочная рамка массы m, стороны которой равны a и b, касается поверхности воды всеми своими сторонами. Какую вертикальную силу F необходимо приложить, чтобы оторвать рамку от поверхности воды? Рамка смачивается водой.


18 Какой радиус должна иметь алюминиевая проволока, чтобы ее кусок длиной l = 2 см, натертый парафином, мог «плавать» в воде вертикально, погрузившись ровно наполовину?


19 Оцените максимальный размер капель воды, которые могут висеть на потолке.

Решение. Для грубой оценки можно принять, что висящая на потолке капля имеет форму полушара радиуса r . Тогда удерживающая каплю сила поверхностного натяжения равна

2hello_html_6db02a11.gif
0 Куда будет двигаться в горизонтальном коническом капилляре капля смачивающей жидкости? Капля несмачивающей жидкости?

Решение. В сторону сужения капилляра; в сторону расширения капилляра.

.

21 В длинном открытом с обеих сторон вертикальном капилляре находится столбик воды высотой 2,0 см. Каков радиус г кривизны нижнего мениска, если внутренний радиус капилляра R = 0,50 мм? Как изменится ответ, если высота столбика воды удвоится?


22 Найдите давление воздуха p внутри мыльного пузыря радиуса R. Давление воздуха вне пузыря равно атмосферному, поверхностное натяжение мыльной пленки σ.



Контрольная работа.

1. Почему острые края стекла при нагревании до плавления становятся закруглёнными?

2. В капиллярной трубке радиусом 0,5 мм жидкость поднялась на 11 мм. Найдите плотность данной жидкости, если её коэффициент поверхностного натяжения 22 мН/м.

3 ..Найдите массу воды, поднявшейся по капиллярной трубке диаметром 0,5 мм.

4. Давление воздуха внутри мыльного пузыря на 1/760 больше наружного давления, равного нормальному атмосферному давлению. Чему равен диаметр пузыря? Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора принять равным 0,043 Н/м.

5. Как и во сколько раз изменится высота поднятия некоторой жидкости в капилляре, если диаметр капилляра, изготовленного из прежнего материала, увеличить в два раза?

6. Между двумя параллельными стеклянными пластинками находится

0,01 г воды. Какую силу надо приложить к каждой пластинке, чтобы

вода имела форму лепешки радиусом R = 3 см, не доходящей до краев

пластинок? Коэффициент поверхностного натяжения воды

σ = 0,073 Н/м, плотность воды ρ = 1г/см3. Смачивание считать полным.




Материал для дополнительного чтения.



Адсорбция.

Явление смачивания твердых тел жидкостями убеждает нас в том, что молекулы жидкости в некоторых случаях как бы прилипают к твердому телу и более или менее длительно удерживаются на нем. То же может происходить и с молекулами газа. Твердое тело, находящееся в газе, всегда покрыто слоем молекул газа, некоторое время удерживающихся на нем молекулярными силами. Это явление носит название адсорбции. Количество адсорбированного газа в разных случаях разное. Прежде всего, оно зависит от площади поверхности, на которой могут адсорбироваться молекулы: чем больше эта поверхность, тем больше адсорбируется газа.

Адсорбирующая поверхность особенно велика у пористых веществ, т. е. веществ, пронизанных множеством мелких каналов, иногда невидимых даже при помощи микроскопа с большим увеличением. Количество адсорбированного газа зависит от природы газа и от свойств твердого тела.

Одним из примеров веществ, способных адсорбировать громадные количества газа, является активированный уголь, т. е. уголь, освобожденный от смолистых примесей прокаливанием. Свойства активированного угля можно легко наблюдать. Поместим немного угольного порошка в пустую пробирку и будем нагревать ее .на пламени. Уголь будет сильно выделять поглощенные газы. Выделение газов обнаруживается бурным, похожим на кипение жидкости, движением угольного порошка.

Нальем в колбу несколько капель эфира и дадим ему испариться. Затем насыпем в колбу немного активированного угля и быстро закупорим колбу пробкой с трубкой, присоединенной к манометру. Пары эфира будут поглощаться углем, и манометр покажет резкое уменьшение давления.

Аhello_html_6ce7d1bc.pngдсорбция на активированном угле и на других твердых телах широко применяется в технике. Она применяется, например, для улавливания ценных газообразных веществ, получающихся при химических производствах; в медицине — для извлечения вредных газов, получающихся внутри организма при разнообразных отравлениях. Большое значение имеет адсорбция газов на поверхности твердых тел для ускорения некоторых химических реакций между газами (катализ).

Одно из важных применений адсорбции — улавливание отравляющих газов посредством противогазов. Улавливание производится слоем активированного угля, помещенным внутри респираторной коробки противогаза. Кроме угля, в коробке находятся еще химические поглотители и фильтр для задержания отравляющих дымов, не задерживаемых углем. Отметим, что твердые тела могут адсорбировать не толь­ко газы, но и различные растворенные вещества из жидкостей. Этим тоже широко пользуются в технике.

Разрез респираторной коробки противогаза: 1 — фильтр для дымов, 2 — слой активированного угля, 3 — химические поглотители






Растворение газов.

Кроме адсорбции на поверхности при соприкосновении тел (например, двух жидкос­тей или газа и жидкости) молекулы каждого из них могут проникать в объем, занимаемый другим телом. Это проникновение носит название растворения. В результате растворения растворенное тело равномерно распределяется по объему растворителя и только в поверхностном слое в силу адсорбции концентрация проникшего вещества может быть повышенной. Явление растворения есть результат диффузии по всему объему вещества, адсорбированного в поверхностном слое.

Рассмотрим сначала растворение газов в жидкостях. Нальем в стакан воды из водопровода. Мы увидим, что из воды выделится множество мельчайших пузырьков, которые поднимутся вверх или удержатся около стенок стакана. Откуда взялись эти пузырьки и что в них находится? Это — газы, которые при повышенном давлении, всегда существующем в водопроводных трубах, были растворены в воде в значительном количестве. При вытекании воды из крана давление в ней резко уменьшается. Кроме того, вода из водопровода в комнате обычно начинает нагреваться, так как воздух в комнате теплее. Эти изменения ведут к тому, что равновесие между газами, растворенными в воде, и газами вне ее нарушается и газы начинают выделяться из воды в виде пузырьков. Обычно это те же газы, которые составляют воздух: кислород, азот, углекислый газ и т. д.

При нагревании воды и особенно при кипячении ее растворенные в ней газы удаляются почти полностью. Присутствие газов в сырой воде и отсутствие их в кипяченой воде являются причиной того, что кипяченая и сырая вода отличаются по вкусу.

Наблюдать растворение воздуха в воде можно при помощи опыта, похожего на опыт с адсорбцией газов углем. Прокипятим в течение некоторого времени воду в колбе и дадим ей остыть. Осторожно, не встряхивая колбы, присоединим к ней жидкостный манометр. Теперь встряхнем колбу так, чтобы большая поверхность воды сразу пришла в соприкосновение с воздухом в колбе. Мы увидим, что манометр покажет заметное уменьшение давления воздуха в колбе. Следовательно, часть воздуха поглотилась водой. Однако, после того как мы хорошо взболтаем воду, дальнейшее растворение прекратится. Получится, как говорят, насыщенный раствор.

Как происходит растворение газа в воде? Пусть над водой находится воздух. Тепловое движение молекул приводит к тому, что сквозь границу вода — воздух проходят и молекулы воды и молекулы воздуха. Проникновение молекул воды в воздух есть не что иное, как испарение. Проникновение молекул газов, составляющих воздух, в воду и дальнейшая диффузия их по всему объему воды — это растворение воздуха в воде. Конечно, часть молекул газа, уже проникших в воду, выходит из нее в силу того же теплового движения. Но пока число молекул газа (например, кислорода) в воде незначительно, за единицу времени выходит из воды меньше молекул газа, чем входит в нее из окружающей атмосферы.

Таким образом, число молекул газа в воде продолжает увеличиваться, т. е. продолжается растворение газа в жидкости. Когда, наконец, число молекул газа в жидкости станет так велико, что за единицу времени столько же молекул газа успевает выйти из воды, сколько в нее проникает, дальнейшее увеличение числа молекул газа в воде (дальнейшее растворение) прекратится. Полученный раствор носит название насыщенного. В таком случае говорят, что жидкость находится в равновесии с газом.

Здесь слово «равновесие» употребляется в более общем смысле, чем в механике. Мы говорим, что система «вода, воздух, растворенный в ней, и воздух над поверхностью воды» находится в равновесии, если количество растворенного воздуха с течением времени не меняется, хотя отдельные молекулы то входят, то выходят из раствора. Такое равновесие называют подвижным или динамическим. Иногда вместо слова «равновесие» применяют выражение «стационарное состояние».

Масса газа, которая может раствориться в единице объема жидкости, называется растворимостью. Она зависит от температуры и от парциального давления данного газа над жидкостью. Опыт показывает, что при насыщении масса растворенного в жидкости газа пропорциональна парциальному давлению этого газа над жидкостью (закон Генри). Этим пользуются, например, при газировании воды. При газировании вода приводится в длительное соприкосновение с углекислым газом, имеющим большое давление; поэтому в воде растворяется большое количество углекислого газа. Когда газированную воду наливают в стакан, газ выделяется обильными пузырьками.

Явление растворения газов в жидкости имеет большое значение в водолазном деле. Водолазов, пробывших длительное время на большой глубине, нельзя быстро поднимать на поверхность воды. Кровь водолаза, дышащего воздухом под большим давлением, насыщена азотом (кислород не следует принимать во внимание, так как он быстро связывается с кровью химически). При быстром подъеме азот может выделиться из крови внутри кровеносных сосудов в виде пузырьков и закупорить их, что крайне опасно.

Масса газа, растворенного в жидкости, зависит также, от температуры. Мы уже говорили, что, нагревая воду, заставляем выделиться растворенный в ней воздух. Растворимость газа в жидкости при повышении-температуры почти всегда уменьшается. В таблице указаны растворимости в воде некоторых газов при различных температурах. Наконец, растворимость газа зависит от природы жидкости и газа. Например, кислород растворяется в воде в количестве примерно вдвое большем, чем азот. Это обстоятельство имеет большое значение для жизни живых организмов в воде.

Отметим, что газы могут растворяться также и в твердых телах. Например, некоторые металлы способны растворять определенное количество газов (в особенности водорода), причем скорость диффузии, а, следовательно, и растворения увеличивается при ровышении температуры.

Таблица. Растворимость в воде некоторых газов при различных температурах (в г/л)

Растворение твёрдого вещества в жидкости мало чем отличается от растворимости жидкости в жидкости. В этом случае молекулы растворенного вещества постепенно распределяются среди молекул жидкости. Масса растворённого вещества, приходящаяся на единицу объёма растворителя, называется концентрацией раствора. Вещество растворяется в жидкости до некоторой определённой концентрации, которая зависит от природы растворителя и растворяемого вещества, а также от температуры.

Растворы, концентрация которых имеет предельное значение, называют насыщенными. Чем выше концентрация насыщенного раствора, тем больше растворимость вещества в данном растворителе. Особенно хорошим растворителем является вода, в которой очень многие вещества растворяются до значительных концентраций. В спирте растворимость, вообще говоря, хуже, в бензоле — еще хуже, хотя встречаются вещества, которые лучше растворяются в бензоле или спирте, чем в воде.

Растворимость различных веществ в одном и том же растворителе может быть различной. Кроме того, растворимость может сильно зависеть от температуры.

Таблица. Растворимость в воде некоторых веществ при различных температурах (в граммах на 100 мл)

Температура, °С

0

18

100

Хлористое серебро

0,00006

0,00013

0,8

Углекислый литий

1,5

1,3


Азотнокислый калий

13

29

250

Хлористый натрий

35,5

36,0

39,6

» литий

64

79

130

» кальций

50

71

155

» цинк

210

360

610


В большинстве случаев при повышении температуры растворимость повышается, причем нередко очень значительно (например, азотнокислый калий). Иногда изменение растворимости при нагревании невелико (хлористый натрий), а в редких случаях наблюдается даже уменьшение растворимости при нагревании (углекислый литий). Если насыщенный раствор азотнокислого калия или другого вещества, растворимость которого возрастает с температурой, охладить, то часть растворенного вещества выделится в виде твердого осадка.

При некоторых условиях (чистота раствора и посуды, осторожное охлаждение) иногда удатся получить растворы с концентрацией, превышающей предельную (пересыщенные растворы). Если в такой раствор бросить крупицу растворенного вещества, то сейчас же произойдет кристаллизация и концентрация раствора уменьшится до концентрации, соответствующей насыщению.











Список используемой литературы:


  1. Физика: Учебное пособие для 10 классов с углубленным изучением физики. /Ю.И.Дик, О.Ф.Кабардин, В.А.Орлов и др. – Москва. Просвещение 1996г.

  2. Физика: Молекулярная физика. Термодинамика. 10 класс./Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Учебник для углубленного изучения физики. Москва: Дрофа, 1998г.

  3. Пособие по физике. /С.Н.,Борисов, Корнеева Л.А. Москва. ВАКО, 2003г.

  4. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. 3-х т./Под редакцией Г.С.Ландсберга. - 10 издание. Москва. Главная редакция физико-математической литературы. 1985 г.

  5. Физика 10. Учебник. /А.К.Кикоин, И.К.Кикоин, С.Я.Шамаш, Э.Е.Эвенчик. Москва. Просвещение 1995 г.

  6. Задачи по физике. /Под редакцией В.Г.Зубова, В.П.Шальнов. Москва. Главная редакция физ-мат. литературы 1992г.

  7. Сборник задач по физике. /под редакцией А.П.Рымкевича, П.А.Рымкевича. Москва. Просвещение. 1996г.

  8. 1001 задача по физике /И.М.Гельфгат, Л.Э.Генденштейн, Л.А.Кирик. Илекса, гимназия. Москва-Харьков. 1997г.




Самые низкие цены на курсы переподготовки

Специально для учителей, воспитателей и других работников системы образования действуют 50% скидки при обучении на курсах профессиональной переподготовки.

После окончания обучения выдаётся диплом о профессиональной переподготовке установленного образца с присвоением квалификации (признаётся при прохождении аттестации по всей России).

Обучение проходит заочно прямо на сайте проекта "Инфоурок", но в дипломе форма обучения не указывается.

Начало обучения ближайшей группы: 18 октября. Оплата возможна в беспроцентную рассрочку (10% в начале обучения и 90% в конце обучения)!

Подайте заявку на интересующий Вас курс сейчас: https://infourok.ru

Краткое описание документа:

Учебно-методическое пособие «Строение жидкостей» рекомендуется учителям и учащимся в классах естественно-научного и физико-математического профилей. Материал данного курса также адресован учащимся предпрофильных классов, однако может быть использован и в общеобразовательных классах при организации дифференцированной работы на уроках и факультативных занятиях.

Данная работа расширяет базовый курс физики, дает учащимся возможность познакомиться с интересными, нестандартными задачами. Вопросы, рассматриваемые в пособии, расширяют содержание основного курса физики средней школы.

В работе подробно рассматриваются темы: строение жидкостей; явления смачивания и несмачивания; капиллярные явления, их применения в быту, технике, промышленности; сделан расчёт кривизны свободной поверхности жидкости, выведена формула Лапласа. Для закрепления материала учащимся предлагается: выполнить лабораторную работу, решить задачи из практикума, сделать несколько занимательных экспериментов.

Общая информация

Номер материала: ДБ-019608

Похожие материалы