Исследование коэффициента поверхностного натяжения воды в зависимости от температуры и наличия примесей
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Северо-Казахстанская область
Направление: Научно-технический прогресс как ключевое звено
экономического роста.
Секция: Физика
Исследование коэффициента поверхностного
натяжения воды в зависимости от температуры и
наличия примесей.
Аманжолов Руслан Хамитович 10 класс
Ленинская средняя школа
Аккайынский район
Руководитель: Аберле Людмила Петровна
учитель физики
Ленинская средняя школа
Аккайынский район
Научные консультанты: Махиня Александр Васильевич
учитель физики высшей категории
Рублёвская средняя школа Аккайынский район
руководитель районной творческой группы учителей физики
Аширбекова Жумабике Бейсенбековна
учитель физики высшей категории
Полтавская средняя школа Аккайынский район
2013 год
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Глава 1. Свойства жидкостей 4
1.1 Смачивание и несмачивание поверхностей
1.2 Капиллярные явления
1.3 Основные свойства жидкостей 5
1.4 Физика поверхностного натяжения жидкости 8
1.5 Значение поверхностного натяжения в явлениях природы,
медицине, полиграфии, технике 9
Глава 2. Практическая часть 10
2.1. Лабораторная №1. «Определение коэффициента
поверхностного натяжения жидкости при наличии примесей,
методом отрыва капель при её разной температуре»
2.2. Лабораторная №2. «Определение коэффициента
поверхностного натяжения жидкости при наличии примесей
с помощью капилляров» 13
Заключение 17
Список литературы 18
Приложения
Абстракт
ЖобаныS максаты: KоспаныS наKтылыCы мен температурасына байланысты судыS аттамалы керіліс еселігіне байланысын зерттеуде болып отыр. Тaрмыста тиімдірек Kолданылатын келесі жуушы Kaрадар тізімі aсынылды.
Жорамал бойынша, егер «FAIRY», «Blik» сияKты жуCыш Kaралдар «Tide», «Лотос», «Миф» кіржуCыш aнтаKтары 72 пайыздыK кір жуCыш сабынын Kолдану барысында, соныS ішінде біреуі даKты ж‰не майды кетіретін еS тиімді Kaрал болуы м_мкін.
Р‰сімдік зерттеуде таKырып бойынша аKпараттыK K™здерін оKытудан тaрады, содан соS, жиналCан м‰ліметтерді талдау э‰не таKылау.
ПрактикалыK ‰діс сапасында лабораториялыK практика мен жалпы Cылыми н‰тижелерді салыстырылып, т‰жірибе ж_ргізілді.
Бaл жaмыстыS Cылыми жаSалыCы, біздіS мектебімізде ешкім жасамаCан еді. Берілген м‰селеніS ™зектілігін байкаймыз жалпылыK физикалыK заSдар ортаKтыKтары – молекулярлыK теорияныS дамуында ‰р т_рлі сaйыKтыKтардыS аттамалы керілісімен Kоса, ерітілмелі металдарда Kатысады.
АлCан н‰тижелерге негізделе келесі KорытындыCа келді: аттамалы керіліске байналысты ж‰не KоспаныS наKтылыCынан. Жуушы KaралдардыS кеS таSдаудыS ортасында, тaрмыста колдану ™те тиімділігі байKалды. Осы жaмыстардыS н‰тижелерінде практикалыK облысы Kолданылды - «Tide», aнтаCы Kолдану ж‰не шаруашылыK сабынымен Kоса атKарып, ал ыдыстарды жуушы «FAIRY» Kaралдары aсынылды.
Абстракт
Цель проекта заключается в исследовании зависимости коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры и наличия в ней в отдельности стиральных порошков «Лотос», «Миф», «Tidе», 72 % хозяйственное мыло и средств для мытья посуды «Blik» и «FAIRY», а так же составление списка моющих средств рекомендуемых, для более эффективного использования в быту. В качестве гипотезы выступает предположение о том, что при условии применения моющих средств «FAIRY» и «Вlik», стиральных порошков «Tide», «Лотос», «Миф» и хозяйственное 72 % мыло, уменьшается коэффициент поверхностного натяжения, что является более эффективным при удалении грязи и жира.
Процедура исследования состояла из теоретической и практической части. В качестве теоретического метода использовал изучение информационных источников по теме, затем анализ и синтез собранной информации. В качестве практического метода исследования на основе анкетирования среди населения, был проведён эксперимент в виде лабораторного практикума различными способами. Сделан анализ и сравнение полученных результатов с общенаучными данными.
Научная новизна этой работы заключается в том, что в нашей школе этого никто не делал.
Актуальность данной проблемы я вижу в умении ориентироваться в многообразии ассортимента стиральных и моющих средств, которые предлагают торговые точки. Какое средство лучше выбрать? Всегда ли более качественно то, что дороже в цене?
На основании полученных результатов пришел к следующим выводам:
поверхностное натяжение воды зависит от сил молекулярных взаимодействий, которые изменяются в зависимости от температуры и наличия примесей в виде стиральных порошков и моющих средств. Поверхностное натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры воды и при использовании различных добавок. Среди широкого выбора моющих средств, есть наиболее эффективные для применения их в быту.
Область практического использования результатов данной работы – рекомендовать для стирки белья применять порошок «Tide», совместно с хозяйственным мылом, а для мытья посуды «FAIRY».
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Вlik», soap powders «Tide», «Lotos», «Myth» and 72% laundry, one of them is the most effective during removal of dirt and fat.
The procedure of research consisted of theoretical, and practical parts. As a theoretical method were used studying, of
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·cluding molten metals. As a basis of received results.
Введение
Для большинства моих сверстников физика воспринимается как набор законов и формул, которые надо запомнить, чтобы правильно ответить на уроке и решать задачи. Знание физических законов помогает разгадать тайны природы, разведать что-то принципиально новое, меняющее наши прежние представления. Работа над проектом помогла мне на практике совместить теоретические знания с их практическим применением.
В своей исследовательской работе в качестве гипотезы я использовал предположение о том, что, применяя в качестве примесей к воде такие моющие средства как «Tide», «FAIRY», изменяется её коэффициент поверхностного натяжения, что приводит к более качественному удалению грязи и жира. Необходимость моего исследования можно обосновать тем, что в настоящее время в продаже имеется огромное количество стиральных порошков, моющих средств, различные пасты. Какое средство из предлагаемого ассортимента лучше выбрать?
Основная цель эксперимента – исследование и выявление, какие средства для стирки белья «Tide», «Лотос», «Миф», хоз.мыло и средства для мытья посуды «FAIRY», «Blik» лучше влияют на качество удаления грязи и жира с поверх- ности тел, и как это зависит от температуры воды.
Задача научной работы – выяснить влияние «Tide», «Лотос», «Миф», хоз.мыло и средства для мытья посуды «FAIRY», «Blik» на изменение коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
Объектом исследования в работе выступает вода.Добавление стиральных порошков «Лотос», «Миф», «Tide», 72 % хозяйственное мыло, и моющих средств «Blik» и «FAIRY», приводит к изменению поверхностного натяжения жидкости, что способствует повышению качества механического удаления грязи, это и является предметом исследования.
В процессе работы мною были использованы следующие методы:
1.Изучение информации о поверхностном натяжении жидкостей.
2.Проведение эксперимента
3.Анализ полученных результатов, составление таблиц и диаграмм.
В качестве практического метода проведён эксперимент по определению коэффициента поверхностного натяжения воды при разной температуре. Чем меньше поверхностное натяжение жидкости, тем лучше качество удаления грязи и жира с поверхности тела. Результаты, полученные во время эксперимента, показали, что для выполнения качественной работы в быту необходимо учитывать качество моющих средств. Теоретические знания можно применять при изучении тем «Давление в жидкостях», « Закон Бернулли», « Капиллярные явления», «Поверхностное натяжение жидкостей».
Научная новизна этой работы заключается в том, что в нашей школе таких исследований никто не проводил, что и побудило меня к действию. Работа над проектом предполагает изучение и сравнительный анализ физических процессов, происходящих в различных объектах природы. Результаты, полученные мною во время эксперимента, хорошо иллюстрируют и доказывают общность физических законов. 3
Глава 1.Теоретическая часть.
Свойства жидкостей.
1.1.Смачивание и несмачивание поверхностей.
При соприкосновении жидкости с твердым телом поверхность жидкости искривляется. Это происходит из-за явлений смачивания и несмачивания. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами жидкости, то жидкость растекается по поверхности твердого тела, т.е. смачивает и наоборот, если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость собирается в каплю и не смачивает поверхность жидкости. Если жидкость смачивающая, то угол между поверхностью жидкости и стенкой острый (жидкость прилипает к стенке). Если жидкость не смачивает твёрдую поверхность угол между поверхностью жидкости и стенкой тупой (жидкость отходит от стенки).[ 2]
1.2. Капиллярные явления.
Термин «капилляр» происходит от латинского слова capillus – волос. В природе часто встречаются тела, имеющие пористое строение (пронизаны множеством мелких каналов). Такую структуру имеют бумага, кожа, дерево, почва, многие строительные материалы. Вода или другая жидкость, попадая на такое твердое тело, может впитываться в него, поднимаясь вверх на большую высоту. Так поднимается влага в стеблях растений, керосин поднимается по фитилю, ткань впитывает влагу. Такие явления называются капиллярными.[4]
В узкой цилиндрической трубке смачивающая жидкость за счет сил молекулярного взаимодействия поднимается вверх, принимая вогнутую форму. Под вогнутой поверхностью появляется дополнительное давление, направленное вверх, в связи, с чем уровень жидкости в капилляре выше уровня свободной поверхности. Несмачивающая же жидкость принимает выпуклую поверхность. Под выпуклой поверхностью жидкости возникает обратное дополнительное давление, направленное вниз, так что уровень жидкости с выпуклым мениском ниже, чем уровень свободной поверхности.[5]
Жидкость в капилляре поднимается на такую высоту, чтобы давление столба жидкости уравновесило избыточное давление. Высота подъема жидкости в капилляре равна:
h = Q /
·R2
·g = Fs /
·R2
·g = 2
·R
· /
·R2
·g = 2
· /
·Rg
Явление смачивания применяют при обогащении руд. Суть обогащения состоит в отделении пустой породы от полезных ископаемых. Этот способ носит название флотации (флотация – всплывание). Раздробленную в мелкий порошок руду взбалтывают в воде, в которую добавлено небольшое количество
4
жидкости, смачивающей полезную руду, например масло. Вдувая в эту смесь воздух, можно отделить обе составляющие. Покрытые пленкой кусочки полезной руды, прилипая к пузырькам воздуха, поднимутся вверх, а порода осядет на дно.
Адсорбция- явление аналогичное смачиванию, наблюдается при соприкосновении твердой и газообразной фаз. Если силы взаимодействия между молекулами твердого тела и газа велики, то тело покрывается слоем молекул газа. Большой адсорбционной способностью обладают пористые вещества. Свойство активированного угля адсорбировать большое количество газа используют в противогазах, в химической промышленности, в медицине.
В природе наряду с силами тяготения, трения, упругости есть менее заметные, но не менее важные: это силы поверхностного натяжения. Они бывают у жидкостей и твердых тел.[8]
1.3. Физика поверхностного натяжения жидкости.
Поверхностный слой жидкости обладает особыми свойствами. Молекулы жидкости в этом слое находятся в непосредственной близости от другой фазы – газа. Молекула, расположенная вблизи гра ницы раздела, жидкость – газ, имеет ближайших соседей только с одной стороны, поэтому сложение всех сил, действующих на эту молекулу, дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Следовательно, любая молекула жидкости, находящаяся вблизи свободной поверхности, имеет избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами, находящимися внутри.
Для того чтобы перевести молекулу из объема жидкости на поверхность, необходимо совершить работу. При увеличении поверхности определенного объема жидкости внутренняя энергия жидкости увеличивается. Эта составляющая внутренней энергии пропорциональна площади поверхности жидкости и называется поверхностной энергией. Величина поверхностной энергии зависит от сил молекулярного взаимодействия и количества ближайших соседних молекул. Для различных веществ поверхностная энергия принимает разные значения. Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади S: Е=
·
· S
Величина силы F, действующей на единицу длины границы поверхности, определяет поверхностное натяжение жидкости:
·- коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.
Выясним, чем обусловлено свойство поверхности жидкости, сокращаться.
Две молекулы и сферы их действия. Молекулярные силы, действующие на молекулу 1 со стороны молекул, находящихся в сфере молекулярного действия, взаимно уравновешиваются. В иных условиях оказывается молекула 2 на поверхности жидкости.
5
Над ней имеется пар жидкости, действием молекул которого можно пренебречь. При таком условии молекулярные силы,
действующие на молекулу 2, оказываются неуравновешенными, их равнодействующая R направлена вглубь жидкости перпендикулярно к её поверхности. В таком состоянии находятся все молекулы поверхностного слоя толщиной в радиус сферы молекулярного действия (приблизительно слой в 1-2 молекулы). Чтобы молекула 1 оказалась в поверхностном слое жидкости, над ней надо совершить работу против сил, втягивающих её вглубь жидкости. Эта работа совершается за счёт кинетической энергии окружающих её молекул; в результате работы увеличивается потенциальная энергия поверхностного слоя жидкости. Оказавшись в поверхностном слое, молекула станет обладать большей потенциальной энергией, чем молекулы, расположенные в глубине жидкости. Таким избыточным запасом потенциальной энергии обладают все молекулы поверхностного слоя жидкости. Эта энергия прямо пропорциональна величине поверхности. Известно, что, начиная от атома, всякая система, включая галактики, при равновесии находится в таком состоянии (из всех возможных), при котором запас её потенциальной энергии минимальный. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу
·Aвнеш, пропорциональную изменению
·S площади поверхности:
А внеш.=
·
·S
Коэффициент
· называется коэффициентом поверхностного натяжения (
· > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр. (1 Н/м = 1 Дж/м2).Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией.
Потенциальная энергия Eр поверхности жидкости пропорциональна ее площади:
Е = А внеш. =
·S
Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность.
6
Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку. Только упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.[8] Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. [5] Применительно к поверхности жидкости это означает, что данная поверхность должна сокращаться (если возможно) до минимума, тогда запас потенциальной энергии поверхностного слоя станет наименьшим. Это сокращение вызывается молекулярными силами, действующими вдоль поверхности жидкости. Они называются силами поверхностного натяжения. Наличием силы поверхностного натяжения и объясняется сокращение плёнки. Сила поверхностного натяжения, сокращая поверхностный слой, придаёт капле жидкости форму шара, вызывает слипание намоченных водой волос, слипание мокрого песка.
Вектор силы поверхностного натяжения F направлен перпендикулярно к любому элементу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости, и касательно к этой поверхности. В случае, если поверхность жидкости плоская, то вектор силы поверхностного натяжения лежит в плоскости поверхности жидкости. Асимметрия сил взаимодействия молекул переходного слоя с окружающими их (в пределах объёма молекулярного действия) молекулами приводит, как известно, к представлению о наличии тангенциальных и нормальных относительно поверхности раздела фаз сил, действующих на молекулы переходного слоя. Это – силы поверхностного межфазового натяжения и молекулярного давления. Обе эти категории сил, действующих на молекулы, которые находятся на различных расстояниях от поверхности раздела фаз, не одинаковы по величине: они убывают в обоих направлениях по нормали к разделу фаз. Таким образом, увеличение поверхности связано с затратой работы; при сжатии поверхность сама совершает работу.
Из этих термодинамических предпосылок и вытекает представление о поверхностном натяжении как тангенциальных силах, совершающих работу при изменении величины поверхности. Для фазовых поверхностей, имеющих кривизну, ещё Лапласом было введено представление о капиллярном дополнительном давлении р как тангенциальных силах, действующих на поверхностный слой фазы таким образом, что их результирующая направлена к центрам кривизны поверхности. Наблюдаемые на опыте поверхностные явления протекают таким образом, как если бы поверхность находилась в состоянии квазиупругого натяжения. [10] Однако никакой действительной аналогии между поверхностным и упругим натяжением не существует, так как закон Гука по отношению к поверхностному натяжению не выполняется: величина деформации поверхности не зависит от s , которая в изометрических условиях изометрической величины поверхности остаётся постоянным.
7
1.4. Значение поверхностного натяжения в явлениях природы
Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й половине 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й половине 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. В 20в.разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкнн).
Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, включая расплавленные металлы.
Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма. Без этих сил нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Проявления сил поверхностного натяжения очень многообразны. В медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением. Установлено, что вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. Она легче вступает в молекулярные взаимодействия, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения. Рассмотрены методы и технические средства сбора нефтепродуктов с поверхности воды. Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих
технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов,
нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости. Непрерывно растут объёмы печати на полимерных плёнках благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке.
Важное условие грамотного внедрения подобных технологий точное определение условий их применения в полиграфических процессах. В полиграфии обработка пластика перед печатью необходима для того, чтобы краска ложилась на материал. Причина заключается в поверхностном натяжении материала. Результат определяется тем, как жидкость смачивает поверхность изделия. Смачивание считается оптимальным, когда капля жидкости остается там же, где она была нанесена. В других случаях жидкость может скатываться в каплю, либо, наоборот, растекаться. Оба случая в равной степени приводят к отрицательным результатам во время переноса краски. [10]
8
1.5. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от наличия примесей.
Поверхностное натяжение зависит от сил молекулярного взаимодействия и принимает разные значения для разных жидкостей. У легкоиспаряющихся жидкостей (эфир, спирт, бензин) молекулярные силы, а, следовательно, и величина поверхностного натяжения меньше, чем у нелетучих жидкостей. Поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в воде. Если положить на поверхность воды небольшую щепочку от спички. Спустить в воду кусочек мыла. Через некоторое время щепочка начнет двигаться к краю сосуда от мыла, т.к. мыло уменьшает поверхностное натяжение жидкости. Добавление биологически активных веществ (стиральных порошков, мыла, паст и т.д.) снижает поверхностное натяжение воды. Распространённое заблуждение состоит в том, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом деле, оно делает как раз обратное, уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды.[3]Когда мыльная плёнка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнение к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым, делая время жизни пузыря еще больше. [7]
9
Глава 2. Практическая часть.
Изучив теоретический материал, я выяснил, как можно измерить силу поверхностного натяжения жидкости. Для сравнения сил поверхностного натяжения воды с различными добавками, необходимо применить коэффициент поверхностногонатяжения. Величина, характеризующая свойство поверхности жидкости сокращаться и измеряемая силой поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии на поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения. При повышении температуры коэффициент поверхностного натяжения чистых жидкостей уменьшается.[1].
Цель эксперимента исследование поверхностного натяжения жидкости, при наличии добавок. Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у неплотно закрытого крана. Если всмотреться внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение - шейка и капля отрывается. Поверхностный слой воды ведет себя, как растянутая эластичная пленка.
2.1. Лабораторный практикум.
Лабораторная работа 1. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом капель.
Цель эксперимента исследование коэффициента поверхностного натяжения воды с различными добавками. Выявление влияния температуры воды на изменение её поверхностного натяжения.[6]
В эксперименте были использованы средства для стирки белья «Лотос», «Миф», «Tide»,хозяйственное 72 % мыло и моющие средства «Blik», «FAIRY».
Оборудование. 1) Линейка измерительная. 2) Весы. 3) Разновес. 4) Штатив с муфтами и лапкой. 5) Колба коническая. 6) Стакан химический 50 см3. 7) Воронка. 8) Кран стеклянный с наконечником.9) Нагреватель.10Термометр Установка, изображённая на фотографии, служит для определения постоянной поверхностного натяжения жидкости методом капель. В качестве исследуемой жидкости удобнее всего взять дистиллированную воду, а в качестве примесей были исследованы стиральные порошки «Лотос», «Миф», « Tide», хозяйственное мыло, а так же моющие средства «Blik» и «FAIRY».
рис.3Определение постоянной поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель.
10
Работа проводится в такой последовательности: 1) При помощи масштабной линейки измерил диаметр канала стеклянной трубки, причём на глаз отсчитывают десятые доли миллиметра. В таком случае погрешность измерения не будет превышать 0,1 мм.
· D / D = 0,1 мм / 1 мм = 0.1 мм
2) Взвесили химический стаканчик для собирания капель с точностью до сотых долей грамма.
·m / М = 0,01 3) Закрыл кран и налил воду. Подставил под трубку колбу и, приоткрывая кран, добился, чтобы капли падали достаточно медленно. Тогда можно считать, что отрывание капель происходит только под действием веса. После этого под трубку подставил стаканчик и отсчитал в него 100 капель. 4) Вторично произвёл взвешивание стаканчика и нашёл массу воды. Чтобы получить постоянную поверхностного натяжения использовал уравнение
· = mg /
·d
т.к. в момент отрыва капли диаметр её шейки немного меньше внутреннего диаметра трубки, поэтому
mg =
·d
· где М – масса воды, n – число капель, d – диаметр канала трубки, g – ускорение силы тяжести. Результаты, полученные во время опыта: масса пустого стаканчика m = 92,1 г ± 0,01 г масса стаканчика с водой М = 94,1 г ± 0,01г масса воды m1 = 2,00г ± 0,02 г, количество капель n=100, диаметр отверстия трубки d = 0,5мм ± 0,5мм
· =3,14 и g=9,81 м/с2
относительные погрешности этих величин так же, как и для массы капли, будут слишком малы по сравнению с относительной погрешностью измерения диаметра канала трубки, чтобы заметным образом повлиять на величину относительной погрешности результата. С остальными моющими средствами проводились аналогичные эксперименты при разной температуре воды. Результаты, полученные мною, занесены в таблицы и отражены на графике.
Средства для стирки белья таблица 1
Лотос
t 0 C
18
35
52
· н/м
0,071
0,069
0,063
Чистая вода при t = 20 0C
· = 0,0728 н/м
таблица 2.
Tide
t 0 C
18
35
52
· (н/м)
0,063
0,055
0,031
11
график 1
таблица 3
Миф
t c
18
35
52
· (н/м)
0,068
0,064
0,06
таблица 4
хоз.мыло
t c
18
35
52
· (н/м)
0,066
0,059
0,036
график 2
Вывод: При сравнении растворов воды с разной температурой при наличии примесей, наименьший показатель поверхностного натяжения имеет раствор воды при 52 0C с примесями «Tide» и хозяйственного мыла. Чистая дистиллированная вода при 200 С, имеет поверхностное натяжение
· = 0,0728 н/м.
12
Средства для мытья посуды
таблица 5
Blik
t 0 С
18
35
52
· (н/м)
0,07
0,068
0,064
таблица 6
FAIRY
t 0 С
18
35
52
· (н/м)
0,067
0,062
0,049
график 3
Вывод: при наличии примесей, наименьший показатель поверхностного натяжения имеет раствор воды при 52 0C с примесями «FAIRY»
· = 0, 022 н/м. Чистая дистиллированная вода при 200 С, имеет поверхностное натяжение
· = 0,0728 н/м.
Лабораторная работа № 2. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости с помощью капилляров
Цель эксперимента исследовать коэффициент поверхностно натяжения воды с различными добавками. Выявить влияние температуры воды на изменение её поверхностного натяжения.
Оборудование: капилляры, сосуды с водой, средства для стирки белья «Лотос», «Миф», «Tide»,хозяйственное 72 % мыло и моющие средства «Blik», «FAIRY».
В сосуд с водой опускают капилляр и измеряют высоту подъема жидкости, затем другой капилляр опускают в мыльную воду и так же измеряют высоту подъема жидкости. [6] Рассчитывают коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле
· =h
·rg / 2
· = m/ V V = Sh =
·d2 h / 4 d = 2r
· = mg / 2
·r
13
Сравниваю коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей с добавками «Лотос» и «Tide». Результаты занесены в таблицы и отражены на графике.
Средства для стирки белья
таблица 7
Лотос
t 0С
18
35
52
· н/м
0,069
0,064
0,061
Чистая вода при t = 20 0C
· = 0,0728 н/м
таблица 8
Тide
t 0С
18
35
52
· н/м
0,035
0,029
0,024
график 4
таблица 9
Миф
t 0С
18
35
52
· н/м
0,060
0,054
0,051
таблица 10
72% хозяйственное мыло
t 0С
18
35
52
· н/м
0,036
0,032
0,026
14
график 5
Средства для мытья посуды
таблица 11
Blik
t 0C
18
34
52
· н/м
0,060
0,054
0,045
таблица 12
FAIRY
t 0C
18
34
52
· н/м
0,028
0,024
0,022
график 6
Вывод: По линии графика видно, что коэффициент поверхностного натяжения воды зависит от температуры прямолинейно. Коэффициент поверхностного натяжения воды при 0С равен 0,07562 Н/м. Известно, что при критической температуре воды (374,15С) коэффициент поверхностного натяжения обращается в нуль. [3]
При сравнении растворов воды с разной температурой при наличии примесей, в моём эксперименте наименьший показатель поверхностного натяжения имеет раствор воды при 52 0C с примесями «FAIRY».
15
Чистая дистиллированная вода при 200 С, имеет поверхностное натяжение
· = 0,0728 н/м. . [3] Средние значения поверхностного натяжения воды при наличии примесей
Средства для стирки белья при t = 52 0С таблица 13
1 способ отрыв капель
2способ капиллярный
Среднее значение
· н/м
Лотос
0,060
0,061
0,060
Миф
0,050
0,051
0,050
Tide
0,022
0,024
0,023
72% хоз.мыло
0,024
0,026
0,025
график 7
Средства для мытья посуды при t = 52 0С таблица 14
1способ отрыв капель
2способ капиллярный
Среднее значение
· н/м
Blik
0,045
0,047
0,046
FAIRY
0,022
0,023
0,022
график 8
16
Заключение.
Установлено, что проведённое исследование подтверждает изменение поверхностного натяжения воды при повышении температуры и наличия в ней стиральных или моющих средств. Добавление биологически активных веществ (стиральных порошков, мыла, паст и т.д.) снижает поверхностное натяжение воды. При повышении температуры воды коэффициент поверхностного натяжения стремится к нулю, что и подтверждается проведённым экспериментом. Распространённое заблуждение состоит в том, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом деле, оно делает как раз обратное, уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Когда мыльная плёнка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнение к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым, делая время жизни пузыря еще больше. Работа имеет большое познавательное значение, вызывает интерес к физике и практической деятельности. При введении вязких веществ например сахара увеличивает поверхностное натяжение. Умение измерять и менять поверхностное натяжение имеет практическое значение. По поверхностному натяжению сыворотки крови можно диагностировать болезни, осуществлять контроль над проводимым лечением, в полиграфии добиваться хорошего «смачивания» бумаги печатными красками, при отливке небольших сферических форм, например ружейной дроби, в пищевой технологии определять качество молока и др.
Выводы:
1. Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань. Высокая проникающая способность мыльного раствора, позволяющая лучше очищать ткани, объясняется его малым поверхностным натяжением, которое понижается ещё больше при повышении температуры воды.
2. Хозяйственное 72% мыло дешевле в цене, чем стиральный порошок «Tide», но качество стирки белья им не хуже.
Рекомендации: Из исследованных мною стиральных порошков следует выбрать «Tide» и хозяйственное мыло, а для мытья посуды «FAIRY».
Проделанная мною работа способствовала формированию исследовательских навыков.
17
Список используемой литературы.
1.Буров В.А.,Зворыкин Б.С. и др. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. М.: Просвещение, 1978
2.Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. Курс физики М.Высшая школа 2000,2001,2002-718с.
3.Енохович А.С. Справочник по физике.- М.: Просвещение, 1990.
4.Кабардин О.Ф., Орлов В. А., Эвенчик Э.Е. Физика-10: Учебник для старших классов с углубленным изучением физики: Под ред. А.А.Пинского. – М.: Просвещение, 2001.
5.Касьянов В.А. Физика, 10 класс.- М.: Дрофа, 2000.
6.Лабораторный практикум по физике / Под ред. Ахматова А.С. – М.: Высшая школа, 1980.
7.Савельев И.В. Курс общей физики Учебное пособие для студентов вузов М.Наука Кн 3: молекулярная физика, термодинамика 1998г. - 208с.
8.Шахмаев Н.М.Физика, 10 класс.- М.: Просвещение, 1991.
9.Материалы Интернета
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] – сайт научно-методического и информационно- публицистического журнала « Исследовательская работа школьников»
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] – портал исследовательской деятельности учащихся. Методология и методика. Исследовательские работы.
Конец формы
18
Приложение А
Анкетирование
Было опрошено 60 респондентов из числа работников школы и жителей села.
Продавцы 6 магазинов нашего села ответили, какие стиральные порошки чаще всего приобретает население. Я выяснил при опросе, почему именно эти?
Вопросы: 1. Какой стиральный порошок вы предпочитаете покупать?
2. При покупке порошка Вы руководствуетесь ценой или качеством?
3. Пользуетесь ли Вы средствами для мытья посуды? Если «да», то
какими?
4.Когда покупаете моющее средство, прежде всего на что обращаете
внимание – на цену или на качество?
Результаты опроса.
В анкетировании принимали участие 60 респондентов. Предпочитают использовать средства для стирки белья
13 EMBED MSGraph.Chart.8 \s 1415
На 2 вопрос, чем руководствуются при покупке порошка ценой или качеством ответили так
13 EMBED MSGraph.Chart.8 \s 1415
3. Покупают средства для мытья посуды 85 % населения
13 EMBED MSGraph.Chart.8 \s 1415
Приложение Б
Социальный опрос населения с. Ленинское
Ассортимент моющих средств в магазине
Проведение эксперимента методом отрыва капель.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Анализ и обработка результатов исследования.
"р яџРисунок 18Рисунок 19Root EntryArial Cyr Tide 41,6%и