Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

Задача 3. Надвечір на березі річки сухий термометр психрометра показав 20 °С, а вологий 16 °С. За якої температу-

треба визначити точку роси. Знаючи показання сухого і вологого термометрів, можна за таблицею 3 знайти відносну

ра = 11,42 г/м3 . Тепер за таблицею 2 знаходимо, за якої температури ця кількість водяної пари насичуватиме повітря, тобто точку роси. Такою температурою буде приблизно 13 °С. Саме за цієї температури може утворитися туман.

60

Випарник

Конденсатор

«з

й

ю

>>

я

А

Ч

оЗ

М

>>

Ен

Й

О

£

Оч:

• ГЧ

ра

Мал. 35

вання фреону відбирається від стінок випарника, викликаючи охолодження їх. Відкачана пара фреону надходить у кожух компресора, звідки знову в конденсатор і т. д., по замкнутому колу.

Найнижча температура, яку можна дістати у випарнику (морозильній камері), визначається значенням тиску пари фреону, оскільки температура кипіння фреону, як і будь-якої іншої рідини, знижується зі зниженням тиску. У разі постійної швидкості надходження рідкого фреону з конденсатора у випарник через капілярну трубку тиск пари фреону у випарнику буде тим нижчий, чим довше працює компресор. Якщо немає потреби добиватися зниження температури у випарнику до гранично можливого значення, то компресор періодично зупиняється шляхом вимкнення електродвигуна, який приводить його в дію. Компресор вмикається автоматичним пристроєм, який підтримує у холодильній шафі задану температуру.

? 1. На чому ґрунтується дія холодильників? 2. Які гази використовують як робоче тіло для холодильників? 3. Ви, мабуть, звертали

62

тисячі разів. Всі ці відмінності між рідиною і газом мають, в основному, кількісний характер. Однак велика різниця між густиною рідини і газу зумовлює і якісні відмінності між ними.

Найхарактернішою відмінністю рідини від газу є те, що рідина зберігає свій об'єм, а на межі з газом чи парою утворює вільну поверхню. Саме тому ми можемо налити півчашки кави, тримати в колбі воду, яка займає не весь об'єм колби. Гази ж завжди займають весь наданий їм об'єм.

У наступних параграфах розглянемо явища, пов'язані з існуванням в рідини вільної поверхні, так звані поверхневі явища.

§ 20. Властивості поверхні рідини. Поверхневий натяг

Всі ви, напевне, милувалися маленькими краплями роси, які на листках рослин набувають форми майже правильних кульок. Це явище спостерігав ще Г. Галілей, якого дуже дивувало, чому великі краплі води не розпливаються по всьому листку капусти, а набувають форми маленьких кульок. Таку ж форму мають краплі води на парафіні чи жирній поверхні, пролита на стіл ртуть тощо. Якщо ці краплі стикаються, вони зливаються в одну краплю, форма якої також наближається до кулястої. У космічному кораблі, який перебуває в стані невагомості, кулястої форми набувають не тільки окремі краплі, а й великі об'єми рідини.

Ці явища здаються дуже дивними. Адже ми звикли, що рідина набуває форми посудини, в якій вона знаходиться, і власної форми не має. Виявляється, що так буває не завжди.

Галілей спостерігав, як змащена жиром голка може плавати на воді і як легкі комахи-водомірки швидко ковзають по поверхні води, як ковзанярі по льоду. Ці спостереження начебто суперечать існуванню архімедової сили. Але якщо голка прорве поверхню рідини, вона тоне, як і має бути під час дії архімедової сили. Як пояснити ці явища?

Покладемо лезо безпечної бритви, трохи вкрите жиром, на поверхню води. Воно не тоне. Коли лезо «плаває» на воді, то можна помітити невелике прогинання поверхні води. Якщо лезо занурити в глиб води, воно піде на дно. Це означає, що властивості поверхні рідини відрізняються від властивостей решти рідини. Як це можна пояснити?

Вся справа в тому, що молекули на поверхні рідини перебувають в інших умовах, ніж молекули всередині рідини. На кожну молекулу всередині рідини діють сили притягання з боку сусідніх молекул, які оточують її з усіх боків (мал. 36).

64

Результуюча цих сил дорівнює нулю. Над поверхнею рідини знаходиться пара, густина якої в багато разів менша за густину рідини, і взаємодією молекул пари з

лежать нижче. Тому рівнодійна сил притягання, які діють на молекули

поверхневого шару, не дорівнює нулю. Під дією цих сил молекули поверхневого шару втягуються всередину, кількість молекул на поверхні зменшується, і площа скорочується.

Однак усі молекули не можуть втягнутися всередину. На поверхні залишається така кількість молекул, за якої площа поверхні виявляється мінімальною за даного об'єму рідини. Ось чому рідини під дією молекулярних сил набувають сферичної форми, за якої поверхня мінімальна.

Скорочення поверхні рідини під впливом притягання її молекул всередину рідини відбувається так, ніби вздовж її поверхні діяла сила і викликала її скорочення. Цю силу називають силою поверхневого натягу.

Для виявлення дії сили поверхневого натягу скористаємося властивістю деяких рідин, наприклад мильної води, створювати тонкі плівки. Якщо опустити в мильну воду дротяне кільце і вийняти його, то воно затягується мильною плівкою — тонким шаром рідини. Покладемо на цю плівку невелику петельку з шовкової нитки (мал. 37, а) і проткнемо плівку в області, охопленій петелькою. Відразу ж оточуюча петельку мильна плівка, діючи на всі її елементи з однаковою силою, розтягне її і надасть їй форму кола (мал. 37, б).

Візьмемо вертикальний прямокутний дротяний каркас (мал. 38), одна сторона якого (СІ)) рухома, і також утворимо на ньому мильну плівку. Якщо дати змогу рухомій стороні каркаса вільно переміщатися, вона під час скорочення плівки підніматиметься вгору. Щоб утримати її у початковому положенні СіВІУ треба прикласти до неї достатню силу, наприклад підвісити невеликий тягарець.

Це означає, що з боку мильної плівки на горизонтальну частину каркаса СБ діє сила, яка намагається скоротити поверхню плівки. За модулем ця сила дорівнює вазі тягарця, яка зрівноважує її.

Отже, сила поверхневого натягу — це сила, яка діє вздовж

поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, яка обмежує поверхню, і спрямована в бік її скорочення.

Якщо проводити дослід з каркасами різних розмірів, то

Мал. 37 Мал. 38

можна виявити, що абсолютна величина сили поверхневого натягу Р пропорційна довжині І рухомої сторони каркаса, а відношення р /і для плівки з даної рідини завжди одне й те саме. Не залежить воно і від матеріалу каркаса. Отже, відношення сили поверхневого натягу, яка діє на межі поверхні рідини, до довжини цієї межі характеризує вільну поверхню самої рідини.

Відношення сили поверхневого натягу до довжини периметра, який обмежує поверхню рідини, називається поверхневим натягом. Цю величину позначають літерою а:

(20.1)

Зформули (20.1) видно, що поверхневий натяг вимірюють

уньютонах на метр (Н/м).

Задача 1. Вертикальний прямокутний дротяний каркас, одна горизонтальна сторона (перетинка) якого рухома і може ковзати по бічних, опускають у мильну воду, а потім витягують. Мильна плівка, що утворилася на каркасі, скорочуючись, піднімає горизонтальну перетинку завдовжки 75 мм в тому випадку, коли її маса і маса підвішеного до неї тягарця не перевищують 1,14 г. Визначити поверхневий натяг плівки.

Р о з в ' я з а н н я . Оскільки мильна плівка має дві поверхні, то сила поверхневого натягу, яка діє на рухому сторону каркаса, Р = а21. Умову переміщення плівки можна записати так: т§ - 2а/, звідси

а = Щ « 7,4 • 10~2 н/м .

Усі описані явища можуть створити враження, що поверхня рідини являє собою реальну натягнуту плівку, яку можна стягнути з рідини, мов шкірку з персика. Насправді такої натягнутої пружної плівки на поверхні рідини не існує. Будь-які молекули, які опиняються на її поверхні, знаходяться в особливих умовах порівняно з молекулами всередині рідини. І, як ми бачили, саме цим пояснюються властивості поверхневого шару.

66

Щоб переконатися в цьому, повернемося ще раз до досліду з мильними плівками. Дослід показує, що сила поверхневого натягу, незважаючи на збільшення поверхні, залишається сталою. Вага тягарця (див. мал. 38) одна й та сама за будьякого значення переміщення рухомої сторони каркаса. Цим поверхня рідини відрізняється від пружних, наприклад гумових, плівок, в міру розтягнення яких збільшується відстань між молекулами вздовж поверхні, і пружна сила зростає. Поверхневий шар рідини не має пружних властивостей.

Із підвищенням температури рідини збільшується середня нідстань між її частинками, а отже, сили молекулярного притягання зменшуються. Це означає, що поверхневий натяг має залежати також від температури. Досвід свідчить, що з підвищенням температури рідини поверхневий натяг зменшується і за умови критичної точки, коли густини рідини і пари однакові, поверхневий натяг дорівнює нулеві.

Поверхневий натяг істотно залежить від домішок до рідин. Речовини, які послаблюють поверхневий натяг рідини, називають поверхнево-активними. Найвідомішими поверхневоактивними речовинами для води є мило і пральні порошки. Вони сильно знижують її поверхневий натяг (приблизно з 7,5 • 1(Г2 до 4,5 -1СГ2 Н/м). Це полегшує миття і прання білизни, оскільки високий поверхневий натяг чистої води не дає їй проникати між волокнами тканини і в дрібні пори. З молекулярної точки зору вплив поверхнево-активних речовин пояснюється тим, що сили притягання між молекулами самої рідини більші за сили притягання між молекулами рідини і домішок. Тому молекули рідини, розміщені у поверхневому шарі, з більшою силою втягуються всередину рідини, ніж молекули домішок. Внаслідок цього молекули рідини переходять з поверхневого шару в глиб її, а молекули поверхневоактивної речовини витісняються на поверхню.

? 1. Чим пояснюється текучість рідин? 2. Яка найбільш характерна особливість відрізняє рідину від газу? 3. Чим різняться стани молекул на поверхні і всередині рідини? 4. Чому вільна поверхня рідини скорочується? 5. Що таке поверхневий натяг? 6. Чи змінюється кількість молекул, які припадають на одиницю площі поверхні, у разі збільшення поверхні рідини?

потім відірвали від неї. Для якої з рідин — ртуті, води чи гасу — динамометр покаже в момент відривання найбільшу силу?

2. Краплі рідини відриваються від кінця трубки в момент, коли сила тяжіння, яка діє на краплю, стає рівною силі поверхневого натягу, яка діє на периметр, що обмежує поверхню краплі. Обчисліть поверх-

67

невий натяг спирту, якщо з трубки впало п = 100 крапель, загальна маса яких т - 0,71 г. Діаметр трубки (і = 1 мм.

3.Для визначення поверхневого натягу мильного розчину використали динамометр і дротяне кільце діаметром сі = 12 см і масою т = 20 г. Під час відривання кільця від поверхні рідини динамометр показав силу Р - 0,227 Н. Яке значення дістали для поверхневого натягу в результаті досліду?

4.Хворому приписали приймати певну кількість крапель ліків. Як треба змінити їх число, якщо краплі відлічують у жарко натопленому приміщенні?

§21. Явища змочування і незмочування

Зявищами змочування і незмочування ви вже ознайомилися в 7-му класі і знаєте, що вони є результатом дії молекулярних сил. Пригадаємо деякі з розглянутих тоді прикладів і дослідів.

Вода, потрапивши на покритий жиром чи парафіном папір, утворює сферичні краплі, а на чистому склі розпливається тонким шаром. Ртуть на склі не розпливається подібно до води, а збирається в окремі краплі, на цинковій, мідній чи залізній поверхнях вона розпливається тонким шаром. Отже, різні рідини поводять себе по-різному на одній і тій самій твердій поверхні; і в той же час, поведінка однієї і тієї самої рідини залежить від того, з яким твердим тілом вона стикається.

Про рідину, яка розпливається тонкою плівкою по твердому тілу, кажуть, що вона змочує дане тверде тіло. Про рідину, яка не розпливається, а, навпаки, стягується в краплю, кажуть, що вона не змочує це тіло.

Чим же пояснюються явища змочування і незмочування? Чому одна й та сама рідина змочує поверхні одних твердих тіл і не змочує поверхні інших? Для пояснення цих явищ слід враховувати не лише сили притягання молекул рідини одна до одної, які приводять до стягування її в краплю, а й сили притягання між молекулами рідини і молекулами твердого тіла (опори). Якщо ці сили більші за сили притягання між молекулами самої рідини, то рідина розпливається по поверхні твердого тіла. Якщо ж переважають сили притягання між молекулами самої рідини, то вона стягується в краплю.

У деяких випадках ми зацікавлені в тому, щоб поверхня твердого тіла, наприклад водонепроникної тканини, не змочувалась водою. Це досягається тим, що тканину просочують речовиною, молекули якої взаємодіють з молекулами води слабше, ніж молекули води одна з одною.

І навпаки, коли потрібно, щоб тканина добре змочувалася водою, треба її покрити речовиною (милом, пральним порошком), молекули якої взаємодіють з тканиною сильніше, ніж

68

молекули води одна з одною. Ось чому без мила не можна відмити засмальцьовані поверхні, жирні руки тощо.

Явище змочування має велике практичне значення під час склеювання, паяння, фарбування тіл, змащення тертьових поверхонь тощо. Особливо широко застосовується воно у флотаційних процесах (збагачення руд цінною породою). В основу цих процесів покладені явища зміни сили поверхневого натягу рідини різними домішками і неоднакове змочування нею різних твердих тіл.

Практично флотацію здійснюють так: гірську породу, яка складається з крупинок руди цінного металу і з крупинок пустої породи, подрібнюють у порошок, де розміри частинок становлять 0,1—0,01 мм. Цей порошок змішують з водою, в яку додано трохи масла (мал. 39, а). При цьому утворюється піна; бульбашки повітря, оточені плівкою масла, легко прилипають до змочуваних маслом крупинок металевої руди, піднімаючи їх вгору, в той час як шматочки пустої породи, змочені водою, осідають на дно відстійника (мал. 39, б). В результаті руда металу відокремлюється від пустої породи.

Якщо треба вилучити кілька металів із суміші руд, то, користуючись флотацією, спочатку відокремлюють руди від гірської породи, а потім знову за допомогою флотаційних процесів — РУДУ одного металу від руди іншого, вводячи у ванну поверхнево-активні речовини. Вони змінюють силу поверхневого натягу рідини в ній так, що бульбашки повітря у більшій кількості прилипають до крупинок руди одного металу, ніж іншого: перші з них спливають, а другі — тонуть.

Під час механічної обробки металів, а також під час буріння свердловин у гірських породах їх змочують спеціальними рідинами, що полегшує і прискорює їх обробку.

Мал. 31