A folyadék felületi feszültsége (18
Lila, piros, kék,
Zöld, sárga színű.
A szappanbuborékok színe olyan volt, hogy a kiemelkedő fizikus, Thomas Young lenyűgözte a vékony filmekben a beavatkozás jelenségét, és megerősítette a fény hullámosságát.
A szappanbuborékok és a filmek meglepően szép látványt nyújtanak. Órákig és bármikor megfontolhatók. De az iskola fizikájában természetesen ez a kérdés nagyon kevés időbe kerül. És ezért szeretnék tudni erről a csodálatos jelenségről. Miért csillog a buborék a szivárvány minden színével? Mi határozza meg a szappanfilm erejét? Hogyan készítsük el a megfelelő szappanoldatot, hogy a buborék a lehető legnagyobb mértékben kiderüljön, és ameddig csak lehetséges? Hogyan viselkedik a szappanbuborék szilárd és folyékony felületeken? És sok ilyen kérdésem van.
Úgyhogy úgy döntöttem, hogy kutatást végezek és szappanos buborékokat és szappanfilmet nézek egy kíváncsi ember szemével, és megfigyelem a szappanbuborékot, megvizsgálva magatartásukat. Szeretném tudni, miért függ a szappanbuborékok ereje, és hogy a szennyeződés hogyan befolyásolja a film felületi feszültségét.
De mielőtt tanulmányoznánk a szappanbuborékokat, vízbuborékkal kezdjük.
Egy forró nyári napon egy felhő öntözni fog és esik. Nagy esőcseppek nagy buborékokat képeznek a medencékben és tavakban. Buborékok törtek ki, újak születnek. Amikor vizet öntünk az edénybe a csapból, buborékok keletkeznek a víz felszínén. Mi okozza a buborékok képződését a vízből?
Buborékok alakulnak ki a víz felületi feszültsége miatt. Vízbefecskendezők vesznek el levegőt és hordozzák. Légbuborékok jelennek meg a víz alatt, különböző irányokban szétszórva egy lehulló áramlással. Aztán lebegnek a felszínre. A felszíni vízfilm nem engedi meg őket. Légbuborék képződik, amelyet vékony film vízmolekulákkal borítanak. A víz filmje erős, és a levegő nehéz áttörni. Erősen nyomja a levegőt, és megnyomja. A sűrített levegő megpróbálja áttörni, és végül átszakad a filmen. A buborék felrobban. A vízbuborékok rövid élettartamúak, nem szappanosak.
A szappanbuborékokról szólva emlékezünk rájuk, nem különösebben hízelgő asszimilációkra. Például: "Úgy törtem, mint egy szappanbuborék." A fizikusok teljesen másképp nézik őket. „Blow egy buborék - írta a nagy angol tudós Kelvin - és nézd meg őt, akkor képes lesz arra, hogy nem az élet tanulmányában, még a belőle származó tanulságok fizika” (1) Valóban, a varázslatos színek játéka a legfinomabb szappan film felületén nekünk. képes mérni a hosszát fényhullámok, és a tanulmány e szelíd feszültséget filmek segít tanulni a törvények az erők a részecskék között - a kohéziós erőknél, ami nélkül nem lenne semmi, de a legfinomabb por a világon.
A jó szappanbuborék egyszerű háztartási szappan oldatából készülnek (a WC-fajták kevésbé alkalmasak erre a célra), de a legalkalmasabbak a tiszta olajbogyó vagy mandula szappan nagy és gyönyörű szappanbuborékok előállításához. A szappanos oldat egyszerűen elkészül. Egy darab szappant óvatosan hígítsunk tiszta hideg vízben, amíg meglehetősen vastag oldatot nem kapunk. A legjobb a hó (vagy eső) víz használata. A buborékok hosszú ideig tartó tárolásához adjunk hozzá 1/3 részét glicerinhez a szappanoldathoz (térfogat szerint). Az oldat felszínétől el kell távolítani a habot és a buborékokat. A vékony csövet belülről és kívülről szappannal kell bevonni, be kell mártani az oldatba, és mereven kell tartani a csövet, hogy a végén egy folyadékfóliát képezzen, és finoman befújja. A buborék tele van a tüdejük meleg levegőjével, amely könnyebb, mint a környező szobai levegő, és felemelkedik.
Ha a buborék 10 cm átmérõjûen azonnal felszabadul, akkor az oldat jónak és alkalmasnak bizonyul a kísérletek elvégzéséhez. Van egy másik módja annak, hogy teszteljük a megoldást: kiszabadítsuk a buborékot, ujjunkat egy szappanos oldatba, és megpróbáljuk áttörni. Ha a buborék nem tört ki, akkor a megoldás jó.
Amikor szappant vagy mosószert adunk a vízhez. a felületi feszültség erők élesen csökken. A szappanbuborékok azonban nagyobbak, erősebbek és hosszabbak. Ezek nem ellentétesek egymással?
Kiderült, hogy a felületi feszültség ereje mellett fontos szerepet játszik a szappanfilm szerkezete is. A szappanok és mosószerek molekulái felületaktív anyagokra utalnak. Különlegességük, hogy egy hosszú molekula egyik vége a víz szempontjából aktív, az ellenkező pedig inert. A szappan molekulái rendezettek és merőlegesek a vízfelülethez úgy, hogy hasonlítanak egy "paliszádra". A szappanfilmnek két ilyen "bódéja" van. Ha felfújódik, akkor nyúlik, a felületi aktív molekulák sűrűsége a felületen csökken, de azonnal megpróbál visszaállni minden új molekula "beáramlása" miatt a film térfogatából. Amikor a felületaktív anyag összes molekulája felszínen van, akkor kritikus helyzet alakul ki - a film összeomlik és a buborék felrobban. Elméletileg a lehetséges buborék sugara 6 méter. A mai napig a rekord több mint 2 méter. A szappanbuborékok kitörnek, mielőtt elérik a kritikus méretet.
Felszíni feszültség erő.
A körülöttünk lévő világban, a gravitáció, a rugalmasság és a súrlódás mellett, van egy másik erő, amelyet általában egyáltalán nem fordítunk különösebben. Ez az erő viszonylag kicsi, akciója soha nem eredményez hatalmas hatásokat. Mindazonáltal nem tudunk vizet önteni az üvegbe, egyáltalán nem tehetünk semmit semmilyen folyadékkal, anélkül, hogy aktiválnánk a felületi feszültségű erőket.
A felületi feszültség által okozott hatásokhoz annyira felhasználtunk, hogy nem veszi észre őket, ha nem szórakoztatjuk magunkat a szappanbuborékok elindításával. Természetben és életünkben azonban jelentős szerepet játszanak. Nélkülük nem tudtunk tintával írni. A normál toll nem fogta volna be a tintapatron tintáját, és egy automata toll azonnal felhúzott egy nagy foltot, kiürítve az egész tartályát. Nem tudod szappanozni a kezedet, a hab nem formálódna. Egy gyenge eső áztatta át a ruhákat, és a szivárvány nem volt látható semmilyen időben. A talaj vízgazdálkodása zavart okozna, ami katasztrofális lenne a növények számára. A felületfeszítő erők természetének megértéséhez a legegyszerűbb módja egy szappanbuborék kialakulása.
Feltöltjük a szappanbuborékot. Mi a benyomásod egy szappanbuborékfilmre? Úgy tűnik számomra, hogy hasonlít egy vékony, nyújtott gumi egy gyermek labda. Nézzétek meg, milyen fokozatosan növekszik a buborék, hogyan szűkül a szalma a szivárványban, és hogyan szünteti meg a szivárvány színeivel csillogóan. Nem kell sok képzelőerővel elképzelni, hogy a buborék falai olyanok, mint egy vékony elasztikus tasak, amely megszakad, ha erőssége elégtelen lesz. Ha kiszívja a szájából a szalmát, akkor a levegő el fog menekülni a buborékból, és a buborék zsugorodik.
A folyadék felülete szertefoszlik.
Számos megfigyelés és kísérlet azt mutatja, hogy a folyadék olyan formát ölt, amelyben szabad felülete a legkisebb terület. A zsugorodásra való törekvés során a felületi film a folyadék gömb alakját adná, ha nem a gravitáció a Földre. Minél kisebb a csepp, annál nagyobb a felszíni erők szerepe a tömeges erőkkel (gravitációs erők) összehasonlítva. Ezért a kis harmat- és szappanbuborékok közel vannak a labdához. A szabad esésnél súlytalanság áll, ezért az esőcseppek és a kis szappanbuborékok szinte szigorúan gömbölyűek (a gömbölyűségtől való kis eltérés a légellenállás okozta). A nap sugarainak törése miatt egy szivárvány jelenik meg benne. Ha nem lenne csepp és buborék gömbölyű, akkor nem lenne szivárvány.
Tekintsük azt a tapasztalatot, amely megerősíti a folyadék vágyát, hogy csökkentse a levegővel való érintkezés felületét. A drótkeret két pontjára egy menetet kötünk, amelynek hossza nagyobb, mint a keret átmérője. Miután a keretet egy szappan oldatába merítettük, olyan szappanfilmet kapunk, amelyen a szál önkényes helyzetben van. Ha átszúrja a filmet a szál egyik oldaláról, akkor a filmet a szál másik oldalán megmaradó, a kontúrra húzódó film fogja megnyitni a szálat. Ezt a kísérletet úgy módosíthatjuk, hogy hurokot helyezünk a huzal keretben kialakított filmre. Ha áttöri a filmet a hurok belsejében, akkor kör alakú lesz. Ha a filmet különböző geometriai alakú dróthálózatokon (kocka, tetraéder, stb.) Alakítják ki, akkor minden egyes csontvázhoz a filmet mindig teljesen specifikus módon telepítik, ahol a felületének legkisebb területe van. Így egy folyadék felülete első pillantásra titokzatos tulajdonsággal rendelkezik - hajlamos arra, hogy a felszíni terület minimális legyen. Meg lehet érteni az okot, ami a folyadék felszínének összehúzódását okozza, ha elképzeli, hogy a folyadék felszíni rétegének molekulái milyen állapotban vannak.
A felületi feszültség eredete.
Egy másik közeggel, például saját gőzével érintkezésbe kerülő folyadék felülete különleges körülmények között van, összehasonlítva a folyadék tömegével. Ezek a körülmények azért merülnek fel, mert a folyadék felszínén, a folyadék és a gőz elválasztó határ közelében, a molekulák eltérő molekuláris kölcsönhatást tapasztalnak, mint a folyadék térfogatában lévő molekulák.
A folyadékon belül lévő molekulákat a szomszédos molekulák vonzóereje befolyásolja minden oldalról. Ugyanazok a vonzó erők, amelyek a felületi réteg molekuláihoz hatnak, nem nulla (mivel a folyadék felülete felett gőz van, amelynek sűrűsége sokszor kisebb, mint a folyadék sűrűsége), és a folyadékba irányul. Ezen erő hatására a felszíni réteg molekulái általában a folyadékba húzódnak, a felületen lévő molekulák száma csökken, és a felület nagysága csökken.
Tudjuk, hogy a folyadék áramlik egy molekuláris ugrás miatt egy "letelepedett" helyzetből a másikba, és olyan formát ölt, amelyben a felszínen lévő molekulák száma minimális, azaz a felület minimális. Egy adott térfogat minimális felületének gömbje van. A folyadék felülete csökken, és felületi feszültségnek számít.
Annak ellenére, hogy a szappanbuborék filmjét feszített gumi labdával hasonlítottuk össze, a felszíni erők eredete teljesen eltér a feszített gumifólia rugalmas erejétől. A gumiabroncs csökkentésével a rugalmas erő gyengül. Az erők a felületi feszültség nem változik, mint a csökkentése területén a film felületén, mivel a folyadék sűrűsége és, következésképpen, az átlagos távolság a molekulák közötti a felületen nem változik. Tudjuk, hogy a molekulák vonzódnak egymáshoz a több molekuláris sugarak sorrendjében, és nagyon szorosan távoznak. A felszíni réteg molekulájára ható vonzerő erők az összes többi molekula oldaláról a kapott, lefelé irányulnak. Azonban a szomszédos "alacsonyabb" molekulák molekulánként viselkednek repulzív erők által. Emiatt a molekula egyensúlyban van. Igaz, bármely molekula részt vesz a termikus mozgásban. De a folyékony molekulák esetében ez a mozgás bizonyos egyensúlyi pozíciók közelében lévő oszcillációkra csökken, és időről időre ezek a helyzetek megváltoznak. Helyett a molekula, ment belsejébe a folyadék jön egy másik, és t. D. Így a molekulák a felszíni réteg a közepén nagy távolságra egymástól, mint a molekulák a folyadék. A felszíni rétegben lévő folyadék hosszúkás, stresszes állapotban van, ezért a felület mentén erő hat, ami általában csökkenti a felületet.
A szennyeződések felületi feszültségének függvénye
A folyadék felületi feszültségére gyakorolt jelentős befolyást az abban feloldott anyagok szennyeződése okozza. A szennyeződések jelenléte a folyadékban általában a felületi feszültség csökkenéséhez vezet. Amikor feloldódik a vízben lévő cukor, a felületi feszültség növekszik. De a szappanoldat felületi feszültsége kisebb, mint a vízé. Mindazonáltal a drótkeret szappanbuborékait vagy szappanfilgeit szappanoldat képezi, nem pedig tiszta vizet. Ezt a következőképpen magyarázzuk: a film stabil egyensúlya érdekében a felületi feszültség erőinek magassággal kell növekednie. Minél nagyobb a film területe, annál nagyobb a film alján lévő tömege. Ennek következtében a szappan koncentrációja a film felületén a magassággal csökken. A táblázatokból ismert, hogy a víz (tiszta) felületi feszültsége 200 ° C hőmérsékleten 0,075 N / m, és egy szappanoldat ugyanazon a hőmérsékleten - 0,040 N / m. Ezenkívül a felületi feszültség együtthatója a hőmérséklet növekedésével csökken.
Tudjuk, hogy a folyadék áramlik egy molekuláris ugrás miatt egy "letelepedett" helyzetből a másikba, és olyan formát ölt, amelyben a felszínen lévő molekulák száma minimális, azaz a felület minimális. Egy adott térfogat minimális felületének gömbje van. A folyadék felülete
Érdekes megfigyelni a buborékot, amikor egy meleg szobából hidegbe jut. Ebben a kísérletben jelentősen csökken a térfogat, és fordítva, megduzzad, a hideg helyiségből meleg szobába jut.
Magyarázza el ennek a tapasztalatnak az eredményét. Ennek oka a buborék belsejében levő levegő összehúzódása és kitágulása. Ha például, a hideg -15 0C húgyhólyag térfogata 1000sm 3, és nyomja azt a hideg szobában, hogy + 15 0C, akkor meg kell növelni a mennyisége körülbelül na110sm 3. (1000 * 30 * 1/273 = 110)
A szappanbuborékok törékenységére vonatkozó szokásos elképzelések nem teljesen helyesek: megfelelő kezeléssel hosszú ideig tárolható egy szappanbuborék. Az angol Dewar fizikus (híres a levegő cseppfolyósítására irányuló munkájáról) szappanbuborékokat tárolott különleges palackokban, amelyek jól védettek a portól, a szárítástól és a levegő rázkódásától; Ilyen körülmények között legalább egy hónapig tartott néhány buborékot (5). Lorentz Amerikában évekig sikerült tartania a szappanbuborékot üvegkupak alatt.
Ami vékonyabb, mint az összes.
Néhány ember valószínűleg tudja, hogy egy szappanbuborékfólia az egyik legvékonyabb dolog, amely a fegyvertelen látás számára elérhető. Az összehasonlítás közös céljai, amelyek a nyelvünkön a finomság kifejezésére szolgálnak, rendkívül durvaak a szappanfilmhez képest. „Vékony, mint a haj”, „vékony például tissue-papír” - ez azt jelenti, hogy nagy vastagságú a fal vastagsága közel a buborék, amely 5000-szer vékonyabb haj és selyempapír. Az emberi haj vastagságának 200-szorosának növekedése kb. Egy centiméter vastag, ugyanazon szappanfelvétel vágása még ilyen növekedés esetén sem érhető el a látás számára. 200-szoros növekedés szükséges, így a szappanbuborék falának vágása vékony vonalnak tekinthető; A haj növekedése (40 000-szer!) Több mint 2 métert fog kapni. vastagságban. A 4. ábrán látható ezeknek az arányoknak a vizuális megjelenítése.
A buborék filmje nagyon vékony, és ennek ellenére három rétegből áll: két réteg szappanos vízből és köztük egy majdnem tiszta vízrétegből.
A nagy mennyiség miatt ez az anyag több oldalra kerül:
1 2 3 4 5