папа Жужа / Конспект лекций

При обработке воды магнитным полем изменяются её свойства: изменяется смачиваемость твердых тел, ускоряется их растворение, изменяется концентрация растворенных газов, пре- дотвращается образование накипи в паровых котлах, ускоряется в 4 раза затвердевание бетона и повышается его прочность на 45%, оказывается биологическое воздействие на человека (магнитные браслеты и серьги, магнитофоры и т.п.) и растения (повышается всхожесть и урожайность сельскохозяйственных культур).

Серебряная вода может долго храниться (около полугода),

так как происходит обезвреживание воды от микробов и бактерий ионами серебра (применяется в космонавтике, для консервирова- ния продуктов, обеззараживания воды в бассейнах, в лечебных целях для профилактики и борьбы с желудочно-кишечными за- болеваниями и воспалительными процессами).

Обеззараживание питьевой воды в городских водопроводах осуществляется хлорированием и озонированием воды. Сущест- вуют и физические методы обеззараживания при помощи ульт- рафиолетового излучения и ультразвука.

Растворимость газов в воде зависит от температуры, дав- ления, минерализации, присутствия в водном растворе других га- зов. В 1 л воды при 0 °С может быть растворено: гелия – 10 мл, углекислого газа – 1713 мл, сероводорода – 4630 мл, аммиака – 1300000 мл (нашатырный спирт). Аквалангисты при погружении на большие глубины используют специальные дыхательные сме- си, чтобы при всплытии не получилась «газированная кровь» из- за растворения в ней азота.

Все живые организмы на 60–80% состоят из воды. Кровь человека и животных по составу солей близка к океанической во- де. Человек и животные могут в своих организмах синтезировать воду, образовывать её при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир, содержащийся в горбу, мо- жет в результате окисления дать 40 л воды.

При электролизе воды можно получить два её вида: 1) кис- лую воду («мертвую»), которая действует как антисептическое средство (аналогично тому, как в кислом желудочном соке поги- бают многие болезнетворные микробы); 2) щелочную воду («жи- вую»), которая активизирует биологические процессы (повышает урожайность, быстрее заживляет раны и т.п.).

60

О других особенностях воды (структурированной, энерго- информационной и др.) можно узнать из Интернета.

ТРИЗ-задание 27. Вода-работница

Чаще всего различные механизмы имеют «твёрдотельные» рабо- чие органы. Приведите примеры технических устройств, в которых рабо- чим органом является вода (жидкость). Каким законам развития техниче- ских систем соответствует такой рабочий орган?

ТРИЗ-задание 28. Вода в решете

В известной задаче «Как носить воду в решете?» имеется явное физическое противоречие: в решете должны быть отверстия, чтобы че- рез него можно было просеивать сыпучие вещества, и не должно быть отверстий, чтобы вода не выливалась. Одно из возможных решений этой задачи можно найти у Я.И. Перельмана в «Занимательной физике», где предложено опустить решето в расплавленный парафин, чтобы сетка решета не смачивалась водой. На основе приёмов устранения техниче-

ских и физических противоречий предложите ещё 10–20 других спосо-

бов решения этой задачи.

18. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

Для рассмотрения поверхностного натяжения необходимо познакомиться с ещё одной функцией состояния, формулу для которой можно вывести из первого начала термодинамики:

T dS = dU + dA.

Отсюда находится работа для изотермического процесса: dA = – dU + T dS = – d (U – TS) = – dF,

где F = U − TS – функция состояния, называемая свободной энергией. Таким образом, работа при изотермическом процессе равна убыли свободной энергии (dA = − dF), аналогично тому,

как работа при адиабатическом процессе равна убыли внутренней энергии (dA = − dU).

При температуре ниже критической потенциальная энергия притяжения молекул превосходит их кинетическую энергию. Си- лы притяжения обеспечивают удержание молекул в объёме жид- кости. У жидкости образуется поверхность, которая ограничивает её объём. Поверхность жидкости соприкасается с другой средой: собственным паром или другим газом, жидкостью или твёрдым

61

телом (в частности, со стенками сосуда). Имея различные сосед- ние молекулы, молекула поверхностного слоя по-разному взаи-

модействует с ними. Сфера сил молекулярного действия имеет радиус, не превышающий несколько эффективных диаметров мо- лекул (≈1 нм), так как силы взаимодействия (притяжения) с рас-

Молекулы поверхностного слоя обладают дополнитель-

ной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внут- ри жидкости. Это связано с тем, что для перехода молекулы из-

нутри жидкости к поверхности необходимо совершить работу по преодолению сил внутреннего давления. На величину этой рабо- ты и увеличивается потенциальная энергия молекул на поверхно- сти. Если жидкость уменьшает свою поверхность, то жидкостью совершается положительная работа, так как молекулы переме- щаются внутрь жидкости в направлении сил внутреннего давле- ния. И наоборот, если под действием внешних сил жидкость уве- личивает свою поверхность, то совершается отрицательная ра- бота, так как молекулы перемещаются к поверхности против сил внутреннего давления (см. механику, работа равна A = f x cos α).

Если процесс увеличения поверхности происходил изотер- мически, то потенциальная поверхностная энергия равна с обрат- ным знаком работе, затраченной на её образование. При изотер- мических процессах роль потенциальной энергии играет свобод- ная энергия F (иногда ее еще обозначают US или Ψ). Таким обра- зом, справедливо соотношение dA = – dF. Очевидно, что свобод- ная поверхностная энергия пропорциональна площади поверхно- сти S. Поэтому можно записать:

62

Из формулы (83) можно дать определение коэффициенту пропорциональности σ, который называют коэффициентом по- верхностного натяжения (или поверхностным натяжением).

σ = AS [Дж/м2] – коэффициент поверхностного натя-

жения численно равен работе, которую необходимо совершить

для увеличения площади поверхности на единицу при постоянной температуре.

σ = FS – коэффициент поверхностного натяжения

численно равен дополнительной свободной (потенциальной) энер- гии, которой обладает единица площади поверхностного слоя.

В состоянии устойчивого равновесия потенциальная энер- гия системы должна быть минимальной. Поэтому в отсутствие внешних сил жидкость принимает форму с минимальной поверх- ностью, т.е. форму шара. Сила тяжести мешает жидкости полу- чить шаровую форму. В этом случае жидкость принимает форму,

соответствующую минимуму суммарной потенциальной энергии (например, форму сплюснутой капли). Потенциальная энергия силы тяжести пропорциональна массе (объёму), т.е. кубу линей- ных размеров (м3), тогда как энергия поверхностного натяжения пропорциональна площади поверхности, т.е. квадрату линейных размеров (м2). Поэтому, чем больше объём жидкости, тем больше влияние силы тяжести и наоборот. (Например, капли росы даже в

взять и другие жидкости, например, растительное (оливковое) масло в водо-спиртовом растворе.

63

энергии). Относительно одной поверхности жидкости можно за- писать, что работа, совершенная по преодолению силы поверхно- стного натяжения, равна: dA = – f dx.

Эту же работу можно выразить через свободную энергию и коэффициент поверхностного натяжения следующим образом:

dA = – dF = – σ dS = – σL dx.

Приравняем обе формулы для работы и получим: f = σL. Таким образом, можно дать еще одно определение коэффи-

циенту поверхностного натяжения:

σ = f L [H/м] – коэффициент поверхностного натяже-

ния численно равен силе поверхностного натяжения, действую- щей на единицу длины линии контура, ограничивающего поверх- ность (периметра смачивания).

Поверхностное натяжение зависит от ряда параметров.

1.При увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается и обращается в нуль при критической температуре (так как исчезает сама поверхность).

2.Поверхностное натяжение сильно зависит от примесей в растворе. Принцип минимума свободной поверхностной энергии требует от жидкости не только сокращать свою поверхность, но и укомплектовывать свой поверхностный слой такими молекулами, которые уменьшают свободную поверхностную энергию (и ко- эффициент поверхностного натяжения). Такие вещества называ- ются поверхностно-активными (ПАВ). Например, добавление мыла в воду уменьшает поверхностное натяжение в 1,5 раза. Дру- гие вещества (соль, сахар) повышают поверхностное натяжение раствора. Благодаря этому подсаливание мыльного раствора вы-

талкивает в поверхностный слой жидкости ещё больше молекул мыла, чем в пресной воде. Это используется в технологии мыло- варения для выделения мыла из раствора пу- тем его «высаливания».

65

ТРИЗ-задание 30. «Свёртывание» лабораторной установки

Используя учебники и Интернет, рассмотрите разные методы изме- рения коэффициента поверхностного натяжения. Так, например, в одной из учебных лабораторных работ для измерения поверхностного натяже- ния методом отрыва проволочной петли используется проволочная рам- ка (в виде буквы «П»), которую из воды вытаскивают миллидинамомет-

ром. В ТРИЗ существует закон развёртывания-свёртывания техниче-

ской системы. Используя этот закон, упростите эту измерительную ла- бораторную установку, а точнее – сверните установку в рабочий орган (в элемент, выполняющий основную функцию при измерении поверхностно- го натяжения). При этом упростится как само оборудование, так и изме- рительные приборы.

66

19. УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ НА ГРАНИЦАХ РАЗЛИЧНЫХ СРЕД

На поверхность одной жидкости нанесем каплю другой жидкости, не смешивающейся с первой и плотность которой

натяжения (рис. 47).

Если F13 > F12 + F23 , то жидкость 2 растекается по поверхно- сти жидкости 1 в виде тонкого молекулярного слоя. В этом слу- чае говорят о полной смачиваемости двух жидкостей.

Если F13 < F12 + F23 , то жидкость 2 будет стягиваться в каплю

до тех пор, пока не установится равновесие F13 = F12 + F23 . Это

векторное равенство в проекциях на оси X и Y распадается на два скалярных уравнения:

Сложим два последних уравнения и упростим получившееся выражение при помощи тригонометрических формул:

67

Выражение (84) определяет условие равновесия плавающей капли. Углы Θ1 и Θ2 называются краевыми углами.

При Θ = 0 наступает полное смачивание, например, бензин или керосин на воде растекаются тонким слоем с радужной окра- ской, что объясняется интерференцией света.

Кроме сил поверхностного натяжения на каплю действуют сила гидростатического давления на поверхность S12, сила тяже- сти, сила Архимеда. Однако на границе раздела нескольких ве- ществ этими силами можно пренебречь, так как силы поверхно- стного натяжения значительно сильнее.

Аналогично ведет себя капля жидкости на поверхности твёрдого тела (рис. 48). Форма капли определяется силой тяжести и силой поверхностного натяжения. Условие равновесия капли в проекции на ось Х можно записать следующим образом:

Если (σ13 – σ12)/σ23 > 1 или σ13 > σ12 + σ23, то это означает, что сила F13 больше суммы двух других сил, и жидкость тонким

слоем растекается по твёрдому телу (Θ = 0). Это полное смачива- ние. Примеры: 1) вода на чистом стекле (проверка чистоты лабо- раторной посуды); 2) керосин на поверхности жести или стекла; 3) ртуть на химически чистой поверхности металла.

Если (σ13 – σ12)/σ23 < – 1 или σ12 > σ13 + σ23, то жидкость стягивается в каплю, несколько приплюснутую силой тяжести

(рис. 49). Это полное несмачивание. Примеры: 1) вода на парафи- не; 2) ртуть на стекле.

В большинстве случаев имеет место частичное смачивание, когда краевой угол Θ – острый (рис. 50), или частичное несмачи-

68

ТРИЗ-задание 31. Поверхностное натяжение твёрдых тел

Наличие силы F13 на рис. 48 говорит о том, что поверхностным на- тяжением обладают не только жидкости, но и твёрдые тела. Действи- тельно, если на рис. 41 слово «жидкость» заменить на слова «твёрдое тело», то ничего не изменится ни в рисунке, ни в рассуждениях, поскольку и в жидкости, и в твёрдом теле молекулы расположены близко друг к дру- гу. Поверхностное напряжение твёрдого тела в своё время стало причи- ной брака при производстве полупроводниковых пластин (толщиной 100 мкм и диаметром 40 мм и выше). В.В. Митрофановым было обнару- жено следующее явление: кремниевая пластина, стороны которой были обработаны различно – одна сторона полированная, а другая шлифован- ная (грубо обработанная), изгибается, причем всегда полированная по- верхность вогнутая, а шлифованная – выпуклая. Пластинки даже само- произвольно ломались. Как этого избежать?

Описанный эффект – это эффект Тваймана. Попробуйте сделать несколько изобретений, применив эффект Тваймана для выдвижения идей принципа действия различных измерительных приборов.

В.В. Митрофанов на основе этого и других эффектов сформулиро-

вал постулат о диссиметрии (какой?). Диссиметрия – причина любого явления или эффекта и ключ к решению всех загадок природы.

Найдите диссиметрию в явлениях молекулярной физики.

69