التوتر السطحي nacl. درجة الماجستير "التوتر السطحي للماء"

في الفقرة 7.1 واعتبرت التجارب تشير إلى ميل السطح السائل للتعاقد. يحدث هذا الانكماش بسبب التوتر السطحي.

القوة التي تعمل على طول سطح السائل بشكل عمودي على الخط الذي يحد هذا السطح وتميل إلى تقليله إلى الحد الأدنى تسمى قوة التوتر السطحي.

قياس التوتر السطحي

لقياس قوة التوتر السطحي، دعونا نقوم بالتجربة التالية. خذ إطارًا سلكيًا مستطيلًا على جانب واحد منه أ.بطول ل يمكن أن تتحرك مع احتكاك منخفض في مستوى عمودي. من خلال غمر الإطار في وعاء به محلول صابون، نحصل على فيلم صابون عليه (الشكل 7.11، أ). بمجرد إزالة الإطار من محلول الصابون، السلك أ.بسيبدأ على الفور في التحرك. سوف يقلص فيلم الصابون سطحه. ولذلك على المماطلة أ.بهناك قوة موجهة بشكل عمودي على السلك باتجاه الفيلم. هذه هي قوة التوتر السطحي.

لمنع السلك من التحرك، تحتاج إلى تطبيق بعض القوة عليه. لإنشاء هذه القوة، يمكنك توصيل زنبرك ناعم بالسلك المتصل بقاعدة الحامل ثلاثي الأرجل (انظر الشكل 7.11، س). إن القوة المرنة للزنبرك مع قوة الجاذبية المؤثرة على السلك ستضيف إلى القوة الناتجة لكي يكون السلك متوازنا، من الضروري أن يكون متساويا
, أين - قوة التوتر السطحي المؤثرة على السلك من أحد أسطح الفيلم (الشكل 7.11، ب).

من هنا
.

على ماذا تعتمد قوة التوتر السطحي؟

إذا تم نقل السلك إلى أسفل مسافة ح, ثم القوة الخارجية ف 1 = 2 ف سوف يقوم بهذا العمل

(7.4.1)

وفقًا لقانون حفظ الطاقة، فإن هذا العمل يساوي التغير في الطاقة (في هذه الحالة، الطاقة السطحية) للفيلم. الطاقة السطحية الأولية لمنطقة فيلم الصابون س 1 يساوي شن 1 = = 2σS 1 , لأن الفيلم له سطحين من نفس المنطقة. الطاقة السطحية النهائية

أين س 2 - مساحة الفيلم بعد تحريك السلك مسافة ح. لذلك،

(7.4.2)

بمساواة الجوانب اليمنى من التعبيرات (7.4.1) و (7.4.2)، نحصل على:

ومن هنا قوة التوتر السطحي المؤثرة على حدود الطبقة السطحية بطول ل، يساوي:

(7.4.3)

يتم توجيه قوة التوتر السطحي بشكل عرضي على السطح بشكل عمودي على حدود الطبقة السطحية (عمودي على السلك أ.بفي هذه الحالة، انظر الشكل. 7.11، أ).

قياس معامل التوتر السطحي

هناك طرق عديدة لقياس التوتر السطحي للسوائل. على سبيل المثال، يمكن تحديد التوتر السطحي a باستخدام الإعداد الموضح في الشكل 7.11. سننظر في طريقة أخرى لا تدعي دقة أكبر لنتيجة القياس.

دعونا نربط سلكًا نحاسيًا بمقياس الدينامومتر الحساس، مثنيًا كما هو موضح في الشكل 7.12، أ. ضع وعاء به ماء تحت السلك بحيث يلامس السلك سطح الماء (الشكل 7.12، ب)و"عالقة" بها. سنقوم الآن بخفض وعاء الماء ببطء (أو، كما هو الحال، رفع مقياس الدينامومتر بالسلك). سنرى أن طبقة الماء التي تغلفه ترتفع مع السلك، وتزداد قراءة الدينامومتر تدريجيًا. تصل إلى قيمتها القصوى في لحظة تمزق فيلم الماء و "فصل" السلك عن الماء. إذا قمت بطرح وزنه من قراءات الدينامومتر في لحظة فصل السلك، فستحصل على القوة ف, تساوي ضعف قوة التوتر السطحي (فيلم الماء له سطحان):

أين ل - طول السلك .

إذا كان طول السلك 1 = 5 سم ودرجة الحرارة 20 درجة مئوية، فإن القوة تساوي 7.3 10 -3 نيوتن.

نتائج قياسات التوتر السطحي لبعض السوائل مبينة في الجدول 4.

الجدول 4

يتضح من الجدول 4 أن السوائل التي تتبخر بسهولة (الأثير والكحول) لها توتر سطحي أقل من السوائل غير المتطايرة، مثل الزئبق. يتميز الهيدروجين السائل وخاصة الهيليوم السائل بتوتر سطحي منخفض جدًا. أما في المعادن السائلة، فإن التوتر السطحي، على العكس من ذلك، يكون مرتفعًا جدًا.

يتم تفسير الفرق في التوتر السطحي للسوائل بالاختلاف في قوى التفاعل بين الجزيئات.

معامل التوتر السطحي للسائل هو قيمة تصف بدقة قدرة السائل على الانقباض ويتم قياسه بواسطة قوة التوتر السطحي المطبقة على وحدة طول الخط الموجود على سطح السائل. في حالة تحديد حجم طول حدود السطح السائل بالرمز l، وكانت قوة التوتر السطحي للفيلم الذي يعمل على هذا الحد هي F، وبالتالي فإن قيمة معامل التوتر السطحي ستكون:

يتم التعبير عن اسم معامل التوتر السطحي بـ N/m. كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت قيمة σ للسوائل النقية.

نتيجة لعدم تناسق قوى التفاعل الجزيئي للطبقة الانتقالية مع الجزيئات المحيطة بها هي فكرة وجود قوى طبيعية وتماسية فيما يتعلق بواجهة الطور. هذه القوى لها تأثير كبير على جزيئات الطبقة الانتقالية. إنها قوى الضغط الجزيئي والتوتر السطحي بين المراحل.

اعتماد المعامل σ على وجود شوائب مختلفة

يرتبط معامل التوتر السطحي ارتباطًا مباشرًا بقوى التفاعل الجزيئي ويمكن أن يأخذ مجموعة واسعة من القيم للسوائل المختلفة. بالنسبة للسوائل التي تتبخر جيدًا (الكحول والبنزين والأثير)، فإن التوتر السطحي ليس مرتفعًا كما هو الحال بالنسبة للسوائل غير المتطايرة. أولاً، نضع الشبكة على مقياس كثافة السوائل، ثم ننزلها في الماء. بفضل الشبكة الكثيفة، سيتم الاحتفاظ بمقياس كثافة السوائل على عمق معين. بعد ذلك، يجب عليك إسقاط القليل من الأثير على الشبكة، وبعد ذلك سيرتفع مقياس كثافة السوائل على الفور من الماء.

ويرتبط المعامل بعدد الشوائب الموجودة في الماء. يتم وضع قطعة صغيرة من عود الثقاب على سطح الماء. بعد ذلك، يتم إنزال قطعة من الصابون في الماء. بعد فترة زمنية معينة، سيكون من الممكن ملاحظة حركة قطعة الصابون باتجاه حافة الوعاء. ونتيجة لذلك يمكننا أن نستنتج: يمكن تقليل معامل التوتر السطحي باستخدام الصابون. إذا قمت بإضافة مواد نشطة بيولوجيا (معجون، صابون)، فسيتم تقليلها، ثم إذا كنت بحاجة للحصول على فقاعات، فلماذا يضيف الناس الصابون؟

الكثير منا يعتقد أن الصابون يزيد σ. في الواقع، فهو في الواقع يقلل من التوتر السطحي إلى حوالي ثلث قيمة σ للمياه النقية. وتجدر الإشارة إلى أنه عندما يتم شد غشاء الصابون، يقل حجم الصابون الموجود على السطح، بينما يزداد التوتر السطحي. وبالتالي، تحت تأثير الصابون، يتم تعزيز المناطق الضعيفة من الفقاعة ولا تمتد أكثر. بالإضافة إلى ذلك، بفضل الصابون، لا يتبخر الماء، مما يعني زيادة "حياة" الفقاعة.

الآن لنقم بالتجربة التالية: ضع قطعة حلوى في الماء. سيؤدي ذلك إلى تحرك القطعة نحو الحلوى. الاستنتاج واضح: تحت تأثير السكر، يزداد التوتر السطحي.

كيفية تحديد المعامل σ باستخدام الشعيرات الدموية؟

لإجراء هذه التجربة الأبسط من نوعها، يجب أن يكون لديك عدة أوعية تحتوي على الماء والشعيرات الدموية.

ويجب إنزال الأنبوب الشعري في وعاء به ماء، ومن ثم يجب قياس ارتفاع ارتفاع السائل. بعد ذلك، يتم وضع أنبوب شعري آخر في الماء والصابون، وبعد ذلك يتم قياس ارتفاع ارتفاع السائل. يمكن العثور على المعامل σ من الصيغة المقابلة:

سوف يناقش هذا الدرس السوائل وخصائصها. من وجهة نظر الفيزياء الحديثة، تعد السوائل أكثر موضوعات البحث تعقيدًا، لأنه بالمقارنة مع الغازات لم يعد من الممكن الحديث عن طاقة ضئيلة للتفاعل بين الجزيئات، كما أنه من المستحيل التحدث عن المواد الصلبة مقارنة بالمواد الصلبة. ترتيب مرتب لجزيئات السائل (لا يوجد ترتيب بعيد المدى في السائل). وهذا يؤدي إلى حقيقة أن السوائل لديها عدد من الخصائص المثيرة للاهتمام ومظاهرها. سيتم مناقشة إحدى هذه الخصائص في هذا الدرس.

في البداية، دعونا نناقش الخصائص الخاصة التي تقارنها الجزيئات الموجودة في الطبقة السطحية للسائل بالجزيئات الموجودة في الحجم.

أرز. 1. الفرق بين جزيئات الطبقة السطحية والجزيئات الموجودة في الجزء الأكبر من السائل

لنفكر في الجزيئين A وB. الجزيء A موجود داخل السائل، والجزيء B موجود على سطحه (الشكل 1). الجزيء A محاط بشكل موحد بجزيئات أخرى من السائل، وبالتالي يتم تعويض القوى المؤثرة على الجزيء A من الجزيئات التي تقع في مجال التفاعل بين الجزيئات، أو يكون محصلتها صفرًا.

ماذا يحدث للجزيء B الموجود على سطح السائل؟ ولنتذكر أن تركيز جزيئات الغاز الموجودة فوق السائل أقل بكثير من تركيز جزيئات السائل. الجزيء B محاط من جانب بجزيئات سائلة، ومن الجانب الآخر بجزيئات غازية شديدة التخلخل. وبما أن العديد من الجزيئات تعمل عليه من جانب السائل، فسيتم توجيه نتيجة جميع القوى بين الجزيئات إلى السائل.

وبالتالي، لكي يتمكن الجزيء من أعماق السائل من الدخول إلى الطبقة السطحية، يجب بذل عمل ضد القوى الجزيئية غير المعوضة.

تذكر أن الشغل هو التغير في طاقة الوضع المأخوذة بعلامة الطرح.

وهذا يعني أن جزيئات الطبقة السطحية، مقارنة بالجزيئات الموجودة داخل السائل، لديها طاقة وضع زائدة.

وهذه الطاقة الزائدة هي أحد مكونات الطاقة الداخلية للسائل وتسمى الطاقة السطحية. يتم تحديدها كـ، ويتم قياسها، مثل أي طاقة أخرى، بالجول.

ومن الواضح أنه كلما زادت مساحة سطح السائل، زاد عدد الجزيئات التي لديها طاقة وضع زائدة، وبالتالي زادت طاقة السطح. ويمكن كتابة هذه الحقيقة بصيغة العلاقة التالية:

,

أين مساحة السطح، وهو معامل التناسب الذي سنسميه معامل التوتر السطحي، يميز هذا المعامل هذا السائل أو ذاك. دعونا نكتب تعريفا صارما لهذه الكمية.

التوتر السطحي للسائل (معامل التوتر السطحي للسائل) هو كمية فيزيائية تميز سائل معين وتساوي نسبة الطاقة السطحية إلى مساحة سطح السائل

ويقاس معامل التوتر السطحي بالنيوتن مقسوما على المتر.

دعونا نناقش ما يعتمد عليه معامل التوتر السطحي للسائل. في البداية، دعونا نتذكر أن معامل التوتر السطحي يميز طاقة التفاعل المحددة للجزيئات، مما يعني أن العوامل التي تغير هذه الطاقة ستغير أيضًا معامل التوتر السطحي للسائل.

وبالتالي فإن معامل التوتر السطحي يعتمد على:

1. طبيعة السائل (السوائل "المتطايرة"، مثل الأثير والكحول والبنزين، لها توتر سطحي أقل من السوائل "غير المتطايرة" - الماء والزئبق والمعادن السائلة).

2. درجات الحرارة (كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفض التوتر السطحي).

3. وجود مواد خافضة للتوتر السطحي (surfactants) مثل الصابون أو مسحوق الغسيل.

4. خصائص الغاز المتاخم للسائل.

لاحظ أن معامل التوتر السطحي لا يعتمد على مساحة السطح، لأنه بالنسبة لجزيء واحد قريب من السطح، ليس من المهم على الإطلاق عدد الجزيئات المماثلة الموجودة حوله. انتبه إلى الجدول الذي يوضح معاملات التوتر السطحي للمواد المختلفة عند درجة الحرارة:

الجدول 1. معاملات التوتر السطحي للسوائل عند التفاعل مع الهواء، عند

لذلك، فإن جزيئات الطبقة السطحية لديها طاقة وضع زائدة مقارنة بالجزيئات الموجودة في الجزء الأكبر من السائل. في دورة الميكانيكا تبين أن أي نظام يميل إلى الحد الأدنى من الطاقة الكامنة. على سبيل المثال، الجسم الذي يُلقى من ارتفاع معين يميل إلى السقوط. بالإضافة إلى ذلك، تشعر براحة أكبر أثناء الاستلقاء، لأنه في هذه الحالة يكون مركز كتلة جسمك منخفضًا قدر الإمكان. إلى ماذا تؤدي الرغبة في تقليل الطاقة الكامنة في حالة السائل؟ وبما أن الطاقة السطحية تعتمد على مساحة السطح، فمن غير الملائم للطاقة أن يكون لأي سائل مساحة سطحية كبيرة. بمعنى آخر، في الحالة الحرة، يميل السائل إلى جعل سطحه في حده الأدنى.

يمكنك التحقق من ذلك بسهولة عن طريق تجربة فيلم الصابون. إذا قمت بغمس إطار سلكي معين في محلول صابون، فسوف يتكون عليه فيلم صابون، وسيأخذ الفيلم شكلًا بحيث تكون مساحة سطحه ضئيلة (الشكل 2).

أرز. 2. الارقام من محلول الصابون

يمكنك التحقق من وجود قوى التوتر السطحي بتجربة بسيطة. إذا تم ربط الخيط بحلقة سلكية في مكانين، بحيث يكون طول الخيط أكبر قليلاً من طول الوتر الذي يربط نقاط ربط الخيط، ثم اغمسي حلقة السلك في محلول صابوني (الشكل 1). (الشكل 3أ)، سيغطي فيلم الصابون كامل سطح الحلقة وسيوضع الخيط على فيلم الصابون. إذا قمت الآن بتمزيق الغشاء على أحد جانبي الخيط، فإن غشاء الصابون المتبقي على الجانب الآخر من الخيط سوف ينكمش ويشد الخيط (الشكل 3 ب).

أرز. 3. تجربة الكشف عن قوى التوتر السطحي

لماذا حدث هذا؟ والحقيقة هي أن محلول الصابون المتبقي في الأعلى، أي السائل، يميل إلى تقليل مساحة سطحه. وبالتالي، يتم سحب الخيط إلى الأعلى.

إذن نحن مقتنعون بوجود التوتر السطحي. الآن دعونا نتعلم كيفية حسابها. للقيام بذلك، دعونا نجري تجربة فكرية. دعونا نخفض إطارًا سلكيًا في محلول الصابون، بحيث يكون أحد جوانبه متحركًا (الشكل 4). سنقوم بتمديد طبقة الصابون من خلال تطبيق القوة على الجانب المتحرك من الإطار. وبالتالي، تعمل ثلاث قوى على العارضة - قوة خارجية وقوتي توتر سطحي تعملان على طول كل سطح من الفيلم. باستخدام قانون نيوتن الثاني، يمكننا كتابة ذلك

أرز. 4. حساب قوة التوتر السطحي

إذا تحركت العارضة مسافة تحت تأثير قوة خارجية، فإن هذه القوة الخارجية ستبذل شغلًا

وبطبيعة الحال، نتيجة لهذا العمل، ستزداد المساحة السطحية للفيلم، مما يعني أن الطاقة السطحية ستزداد أيضاً، وهو ما يمكننا تحديده من خلال معامل التوتر السطحي:

ويمكن تحديد التغير في المنطقة بدوره على النحو التالي:

أين هو طول الجزء المتحرك من إطار السلك. وبأخذ ذلك في الاعتبار، يمكننا أن نكتب أن الشغل الذي تبذله القوة الخارجية يساوي

وبمساواة الطرفين الأيمنين في (*) و(**)، نحصل على تعبير لقوة التوتر السطحي:

وبالتالي، فإن معامل التوتر السطحي يساوي عدديًا قوة التوتر السطحي، التي تؤثر على وحدة طول الخط الذي يحدد السطح

إذن، نحن مقتنعون مرة أخرى بأن السائل يميل إلى اتخاذ شكل بحيث تكون مساحة سطحه ضئيلة. يمكن إثبات أن مساحة سطح الكرة ستكون ضئيلة بالنسبة لحجم معين. وبالتالي، إذا لم تؤثر أي قوى أخرى على السائل أو كان تأثيرها صغيرًا، فسيميل السائل إلى اتخاذ شكل كروي. هذه هي الطريقة، على سبيل المثال، سيتصرف الماء في حالة انعدام الجاذبية (الشكل 5) أو فقاعات الصابون (الشكل 6).

أرز. 5. الماء في حالة انعدام الجاذبية

أرز. 6. فقاعات الصابون

يمكن أن يفسر وجود قوى التوتر السطحي أيضًا سبب "وجود" إبرة معدنية على سطح الماء (الشكل 7). الإبرة، التي توضع بعناية على السطح، تشوهه، وبالتالي تزيد مساحة هذا السطح. وبالتالي، تنشأ قوة التوتر السطحي، والتي تميل إلى تقليل هذا التغيير في المنطقة. سيتم توجيه قوى التوتر السطحي الناتجة إلى الأعلى، وسوف تعوض قوة الجاذبية.

أرز. 7. إبرة على سطح الماء

يمكن شرح مبدأ تشغيل الماصة بنفس الطريقة. يتم سحب القطرة، التي تتأثر بالجاذبية، إلى الأسفل، مما يؤدي إلى زيادة مساحة سطحها. وبطبيعة الحال، تنشأ قوى التوتر السطحي التي تكون محصلتها معاكسة لاتجاه الجاذبية، والتي تمنع القطرة من التمدد (الشكل 8). عندما تضغط لأسفل على الغطاء المطاطي للماصة، فإنك تولد ضغطًا إضافيًا، مما يساعد الجاذبية، ونتيجة لذلك، يسقط القطرة للأسفل.

أرز. 8. كيف تعمل الماصة

دعونا نعطي مثالا آخر من الحياة اليومية. إذا غمست فرشاة الرسم في كوب من الماء، فسوف تنتفخ الشعيرات. إذا قمت الآن بإخراج هذه الفرشاة من الماء، ستلاحظ أن جميع الشعيرات ملتصقة ببعضها البعض. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن مساحة سطح الماء الملتصقة بالفرشاة ستكون في حدها الأدنى.

ومثال آخر. إذا كنت ترغب في بناء قلعة من الرمال الجافة، فمن غير المرجح أن تنجح، لأن الرمال سوف تنهار تحت تأثير الجاذبية. ومع ذلك، إذا بللت الرمال، فإنها ستحافظ على شكلها بسبب قوى التوتر السطحي للماء بين حبيبات الرمل.

وأخيرا، نلاحظ أن نظرية التوتر السطحي تساعد في إيجاد تشبيهات جميلة وبسيطة لحل المشاكل الفيزيائية الأكثر تعقيدا. على سبيل المثال، عندما تحتاج إلى بناء هيكل خفيف الوزن وقوي في نفس الوقت، فإن فيزياء ما يحدث في فقاعات الصابون تأتي للإنقاذ. وكان من الممكن بناء أول نموذج مناسب للنواة الذرية من خلال تشبيه هذه النواة الذرية بقطرة من سائل مشحون.

مراجع

1. G. Ya. Myakishev، B. B. Bukhovtsev، N. N. Sotsky. "الفيزياء 10". - م: التربية، 2008.
2. يا. جيجوزين "فقاعات"، مكتبة الكم. - م: ناوكا، 1985.
3. B. M. Yavorsky، A. A. Pinsky "أساسيات الفيزياء"، المجلد 1.
4. جي إس لاندسبيرج "الكتاب المدرسي الابتدائي للفيزياء" المجلد 1.

1. Nkj.ru ().
2. يوتيوب.كوم ().
3. يوتيوب.كوم ().
4. يوتيوب.كوم ().

العمل في المنزل

1. بعد حل مسائل هذا الدرس، يمكنك الاستعداد للأسئلة 7،8،9 من امتحان الدولة والأسئلة A8، A9، A10 من امتحان الدولة الموحدة.
2. جلفجات آي إم، نيناشف آي يو. "الفيزياء. مجموعة المسائل للصف 10" 5.34، 5.43، 5.44، 5.47 ()
3. بناءً على المسألة 5.47، حدد معامل التوتر السطحي لمحلول الماء والصابون.

قائمة الأسئلة والأجوبة

سؤال:لماذا يتغير التوتر السطحي مع درجة الحرارة؟

إجابة:مع ارتفاع درجة الحرارة، تبدأ جزيئات السائل في التحرك بشكل أسرع، وبالتالي تتغلب الجزيئات بسهولة أكبر على قوى الجذب المحتملة. مما يؤدي إلى انخفاض قوى التوتر السطحي، وهي قوى الوضع التي تربط جزيئات الطبقة السطحية للسائل.

سؤال:هل يعتمد معامل التوتر السطحي على كثافة السائل؟

إجابة:نعم، إنها كذلك، لأن طاقة الجزيئات الموجودة في الطبقة السطحية للسائل تعتمد على كثافة السائل.

سؤال:ما هي الطرق الموجودة لتحديد معامل التوتر السطحي للسائل؟

إجابة:يتم في الدورة المدرسية دراسة طريقتين لتحديد معامل التوتر السطحي للسائل. الأول هو طريقة تمزيق الأسلاك، ومبدأها موصوف في المشكلة 5.44 من الواجب المنزلي، والثاني هو طريقة حساب السقوط، الموضحة في المشكلة 5.47.

سؤال:لماذا تنهار فقاعات الصابون بعد فترة؟

إجابة:والحقيقة هي أنه بعد مرور بعض الوقت، تحت تأثير الجاذبية، تصبح الفقاعة في الأسفل أكثر سمكا مما كانت عليه في الأعلى، ثم تحت تأثير التبخر، تنهار في مرحلة ما. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن الفقاعة بأكملها، مثل البالون، تنهار تحت تأثير قوى التوتر السطحي غير المعوضة.

التعريف 1

التوتر السطحي هو دافع السائل لتقليل سطحه الحر، أي لتقليل الطاقة الكامنة الزائدة عند حدود الانفصال عن الطور الغازي.

ليس فقط الأجسام المادية الصلبة، ولكن أيضًا سطح السائل نفسه مجهز بخصائص مرنة. لقد رأى الجميع في حياتهم كيف يتمدد غشاء الصابون عندما تنفخ الفقاعات قليلاً. إن قوى التوتر السطحي التي تحدث في طبقة الصابون تحبس الهواء لفترة من الوقت، على غرار الطريقة التي تحتفظ بها المثانة المطاطية بالهواء في كرة القدم.

ويظهر التوتر السطحي عند السطح الفاصل بين الأطوار الرئيسية، على سبيل المثال، الغازي والسائل، أو السائل والصلب. ويرجع ذلك مباشرة إلى حقيقة أن الجزيئات الأولية للطبقة السطحية للسائل تتعرض دائمًا لقوى جذب مختلفة من الداخل والخارج.

ويمكن اعتبار هذه العملية الفيزيائية باستخدام مثال قطرة الماء، حيث يتحرك السائل كما لو كان في قشرة مرنة. هنا، تنجذب ذرات الطبقة السطحية من المادة السائلة إلى جيرانها الداخليين بقوة أكبر من جزيئات الهواء الخارجية.

بشكل عام، يمكن تفسير التوتر السطحي على أنه عمل متناهي الصغر أو أولي $\sigma A$ الذي يجب القيام به لزيادة المساحة السطحية الإجمالية للسائل بمقدار متناهي الصغر $dS$ عند درجة حرارة ثابتة $dt$.

آلية التوتر السطحي في السوائل

الشكل 2. الكمية العددية الإيجابية. Author24 - تبادل أعمال الطلاب عبر الإنترنت

السائل، على عكس المواد الصلبة والغازات، غير قادر على ملء كامل حجم الوعاء الذي تم وضعه فيه. ويتكون بين البخار والمادة السائلة واجهة معينة تعمل تحت ظروف خاصة مقارنة بالكتل السائلة الأخرى. للحصول على مثال أكثر وضوحًا، فكر في جزيئين $A$ و$B$. يقع الجسيم $A$ داخل السائل نفسه، ويقع الجزيء $B$ مباشرة على سطحه. العنصر الأول محاط بشكل موحد بذرات أخرى من السائل، وبالتالي فإن القوى المؤثرة على الجزيء من الجزيئات التي تقع في مجال التفاعل بين الجزيئات يتم تعويضها دائمًا، أو بمعنى آخر، تكون قوتها الناتجة صفرًا.

يتم تأطير جزيء $B$ من جانب بجزيئات سائلة، ومن الجانب الآخر بذرات غاز، يكون تركيزها النهائي أقل بكثير من مزيج الجزيئات الأولية للسائل. وبما أن الجزيء $B$ يتأثر من جانب السائل بالعديد من الجزيئات أكثر من جانب الغاز المثالي، فإن محصلة جميع القوى بين الجزيئات لم يعد من الممكن معادلة الصفر، حيث يتم توجيه هذه المعلمة داخل حجم المادة. وبالتالي، لكي ينتهي جزيء من عمق السائل في الطبقة السطحية، يجب بذل الشغل ضد القوى غير المعوضة. وهذا يعني أن الذرات على مستوى السطح، مقارنة بالجزيئات الموجودة داخل السائل، مجهزة بالطاقة الكامنة الزائدة، والتي تسمى الطاقة السطحية.

معامل التوتر السطحي

الشكل 3. التوتر السطحي. Author24 - تبادل أعمال الطلاب عبر الإنترنت

التعريف 2

معامل التوتر السطحي هو مؤشر فيزيائي يميز سائل معين ويساوي عدديا نسبة الطاقة السطحية إلى المساحة الكلية للوسط الحر للسائل.

في الفيزياء، وحدة قياس SI الأساسية لمعامل التوتر السطحي هي (N)/(m).

تعتمد هذه القيمة بشكل مباشر على:

• طبيعة السائل (بالنسبة للعناصر المتطايرة مثل الكحول والأثير والبنزين، يكون معامل التوتر السطحي أقل بكثير من العناصر غير المتطايرة - الزئبق والماء)؛
• درجة حرارة المادة السائلة (كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفض التوتر السطحي النهائي)؛
• خصائص الغاز المثالي المتاخم لسائل معين؛
• وجود مواد خافضة للتوتر السطحي مستقرة مثل مسحوق الغسيل أو الصابون، والتي يمكن أن تقلل من التوتر السطحي.

ملاحظة 1

وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن معامل التوتر السطحي لا يعتمد على المساحة الأولية للوسط السائل الحر.

ومن المعروف أيضًا من الميكانيكا أن الحالات غير المتغيرة للنظام تتوافق دائمًا مع الحد الأدنى لقيمة طاقته الداخلية. ونتيجة لهذه العملية الفيزيائية، غالبًا ما يتخذ الجسم السائل شكلاً بمساحة سطحية ضئيلة. وإذا لم يتأثر السائل بقوى خارجية أو كان تأثيرها ضئيلا للغاية، فإن عناصره تتخذ شكلا كرويا على شكل قطرة ماء أو فقاعة صابون. يبدأ الماء في التصرف بطريقة مماثلة عندما يكون في حالة انعدام الجاذبية. يتحرك السائل كما لو أن العوامل التي تتقلص في الوسط المعطى تعمل بشكل مماسي على سطحه الرئيسي. وتسمى هذه القوى بقوى التوتر السطحي.

ونتيجة لذلك، يمكن أيضًا تعريف معامل التوتر السطحي على أنه المعامل الأساسي لقوة التوتر السطحي، والذي يعمل عمومًا لكل وحدة طول للكفاف الأولي الذي يحد من وسط السائل الحر. إن وجود هذه المعلمات يجعل سطح المادة السائلة يبدو وكأنه فيلم مرن مشدود، مع الفارق الوحيد وهو أن القوى الثابتة في الفيلم تعتمد بشكل مباشر على مساحة نظامها، كما أن قوى التوتر السطحي نفسها قادرة على ذلك من العمل بشكل مستقل. إذا قمت بوضع إبرة خياطة صغيرة على سطح الماء، فسوف تنحني الغرزة وتمنعها من الغرق.

يمكن أن يصف عمل العامل الخارجي انزلاق الحشرات الخفيفة مثل حشرات الماء على كامل سطح الخزانات. تشوه أقدام هذه المفصليات سطح الماء، وبالتالي تزيد مساحتها. ونتيجة لذلك، تنشأ قوة توتر سطحي، تميل إلى تقليل هذا التغيير في المنطقة. سيتم دائمًا توجيه القوة الناتجة إلى الأعلى حصريًا، مع تعويض تأثير الجاذبية.

نتيجة التوتر السطحي

تحت تأثير التوتر السطحي، تميل الكميات الصغيرة من الوسائط السائلة إلى اتخاذ شكل كروي يناسب بشكل مثالي أصغر حجم للبيئة. يتم تحقيق الاقتراب من التكوين الكروي كلما كانت قوى الجاذبية الأولية أضعف، حيث أن قوة التوتر السطحي في القطرات الصغيرة أكبر بكثير من تأثير الجاذبية.

يعتبر التوتر السطحي من أهم خصائص واجهات الطور. ويؤثر بشكل مباشر على تكوين الجزيئات الدقيقة للأجسام المادية والسوائل أثناء انفصالها، وكذلك اندماج العناصر أو الفقاعات في الضباب والمستحلبات والرغاوي وعمليات الالتصاق.

الملاحظة 2

يحدد التوتر السطحي شكل الخلايا البيولوجية المستقبلية وأجزائها الرئيسية.

يؤثر تغيير قوى هذه العملية الفيزيائية على البلعمة وعمليات التنفس السنخي. بفضل هذه الظاهرة، يمكن للمواد المسامية الاحتفاظ بكميات هائلة من السائل حتى من بخار الهواء لفترة طويلة، وهي ظاهرة شائعة جدًا، والتي تنطوي على تغيرات في ارتفاع مستوى السائل في الشعيرات الدموية مقارنة بمستوى السائل في وعاء أوسع. . وتتسبب هذه العمليات في ارتفاع الماء في التربة، على طول النظام الجذري للنباتات، وحركة السوائل البيولوجية من خلال نظام من الأنابيب والأوعية الصغيرة.

درجة الماجستير "التوتر السطحي للماء".

مدرس الفيزياء MKOU "المدرسة الثانوية رقم 8 التي تحمل اسم A.V. Gryaznov" IMRSC

هدف: إظهار تطور النشاط الإبداعي لدى الطلاب أثناء دراسة ظاهرة التوتر السطحي. التعليمية :دراسة ظاهرة التوتر السطحي.التنموية: تطوير القدرة على الملاحظة والتجربة واكتساب المعرفة وفهم وتقييم وربط وجهة نظرك بآراء الآخرين، وتكون قادرًا على استخلاص النتائج. تعليم: تنمية الشعور بالجمال واحترام الطبيعة والقدرة على إجراء الحوار والاستماع للآخرين والدفاع عن وجهة نظر العقل. الأساليب والتقنيات والطرق: -تبادل الآراء، مناقشة جماعية، مناقشة؛
-تجربة. معدات:الكمبيوتر والعرض، ....... أنا . مقدمةفي الفصل الرئيسي ، تحديد الأهداف والغايات الرئيسية:(الشريحة 1) مرحبا زملائي الأعزاء. تتمثل المهمة الرئيسية لكل معلم اليوم في المساعدة في الحصول على معرفة قوية، في تطوير قدرات الطلاب، وتعريفهم بالأنشطة الإبداعية، ومساعدة الطالب على الانفتاح واستخدام إمكاناته الإبداعية بشكل أفضل. والأهم من ذلك، تطبيق المعرفة المكتسبة في المستقبل، وتكون قادرًا على التنقل في العالم الحديث. لذلك، أخذت كلمات I. V. العظيمة كنقش للدرس. جوته: "مجرد المعرفة ليست كل شيء، المعرفة يجب أن تستخدم بمهارة" في المستقبل، سيتعين على الطالب حل العديد من المشكلات، التي غالبا ما تتعلق بالجانب الفني، لذلك في المدرسة، تحت إشراف المعلم، من الضروري تطوير نشاط مستقل نشط، مما يؤدي إلى إتقان المعرفة المهنية بشكل إبداعي والمهارات والقدرات وتنمية قدرات التفكير. كل واحد منا في حياته اليومية واجه ويواجه أكثر من مرة ظواهر عادية من ناحية، ولكنها في نفس الوقت مذهلة من ناحية أخرى، دون أن نفكر على الإطلاق في ما هي الظواهر الفيزيائية الرائعة التي نتعامل معها وما هي هذه الظواهر؟ لم أفكر حتى في كيفية شرحها!.( الشريحة 2)

حتى الأطفال الصغار يعرفون جيدًا أنه لا يمكن بناء كعكات وقلاع عيد الفصح إلا من الرمال الرطبة. حبات الرمل الجافة لا تلتصق ببعضها البعض. لكن حبات الرمل المغمورة بالكامل في الماء لا تلتصق ببعضها البعض. لماذا تتحرك حواجز الماء بسهولة على سطح الماء؟ لماذا يمكن للدبابير واليعسوب وبعض الحشرات أن تهبط وتقلع بسهولة من سطح الماء؟ دعونا نحاول شرح هذه الظواهر.

لكن أولاً، دعونا نقوم ببعض التجارب. .

الخبرة رقم 1 "مشابك الورق العائمة"

معداتكوب من الماء النظيف، عدة مشابك ورق، أحدها مثني قليلاً

يمارس . خذ مشبكًا واحدًا من الورق وقم بخفضه برفق على سطح الماء حتى يبقى على السطح. (الشيء الرئيسي هو أن تفعل ذلك بحذر شديد، دون دفع كوب الماء. إذا فشل ذلك، ضع مشبك الورق الجاف على المشبك المستقيم وقم بخفضه مرة أخرى إلى سطح الماء، مع خفض الأخير بعناية إلى الأسفل. )

التجربة رقم 2 "قطرة زيت"

معدات:ماصة بالزيت النباتي وعود الأسنان والمنظفات.

باستخدام ماصة، ضع قطرة من الزيت على سطح الماء. ماذا تلاحظ؟ الآن قم بلمس طرف عود أسنان مغموس في المحلول المنظف على سطح الماء بجانب الزيت في المنتصف. ماذا تلاحظ؟

(الإجابة المقترحة: يتجمع الزيت أولاً على شكل كرة، ثم تبدأ البقعة في التحرك والانتشار)

التجربة رقم 3 "فيلم الصابون"

معدات:محلول لنفخ فقاعة الصابون، وحلقة سلكية بمقبض، وعود أسنان منقوع في محلول الصابون.

اغمس الحلقة في محلول الصابون ولاحظ غشاء الصابون في الضوء المنعكس. اثقب الحلقة باستخدام عود أسنان. ماذا لاحظت؟ (الإجابة المقترحة: هناك طبقة رقيقة في الحلقة، وعندما تُثقب بعود الأسنان تبقى)

دعونا نلخص التجارب التي تم إجراؤها.

يمتلك الماء خاصية دعم الأجسام الخفيفة على السطح، وعند إضافة محلول الصابون، يتمدد الزيت والفيلم. (الشريحة 3)

مدرس:

أظهرت التجارب أن للماء خاصية مذهلة - وهي تكوين "فيلم". فلنقدم تفسيرًا علميًا لذلك. إن وجود سطح حر في السائل يحدد وجود ظواهر خاصة تسمى الظواهر السطحية. تنشأ بسبب حقيقة أن الجزيئات الموجودة داخل السائل والجزيئات الموجودة على سطحه تكون في ظروف مختلفة. عرض على الشريحة ) يوجد عدد أقل من الجزيئات على سطح الماء مقارنة بالداخل. ولذلك، يتم سحب الجزيئات "الداخلية" إلى الأسفل، مما يؤدي إلى تمدد سطح السائل. في حجم السائل، تنجذب الجزيئات من كل مكان، وتكون قوى الجذب متوازنة. ولكن على السطح، التوتر يأتي فقط من "القاع". القوى غير متوازنة، السطح يسحب نفسه. وفي حالة عدم وجود قوى خارجية، يجب أن يكون للسائل أصغر مساحة سطحية لحجم معين وأن يأخذ شكل كرة. وهذا هو بالضبط ما يفسر الشكل الكروي للقطرات والفقاعات الصغيرة.

تطوير.

لدينا بالفعل الفكرة الأولى عن التوتر السطحي، فلنبدأ بملء الجدول (GRAPH DIAGRAM)

التوتر السطحي

استخدام التوتر السطحي في الحياة اليومية والطب...

ΙΙΙ.الأبحاث.والآن حان الوقت لإجراء الأبحاث، نقوم بإجراء التجارب التالية.

الخبرة رقم 4

"أيهما أكبر: التوتر السطحي للماء البارد أم التوتر السطحي للماء الساخن؟"

حدد تجريبياً ما إذا كان التوتر السطحي للماء يزداد أو ينخفض ​​نتيجة للتغيرات في درجة حرارته.

الغرض من التجربة: أثبت أن التوتر السطحي للماء يعتمد على درجة الحرارة.

مواد: عيدان أسنان، مسمار حديدي، مصباح كحول، كوب من الماء النظيف (مسمار حديدي، مصباح كحول يمكن استبداله بأعواد الثقاب).

عملية:

قم بتسخين مسمار حديدي في مصباح روحي وضعه بالقرب من سطح الماء بين عودين أسنان (أو اسكب الماء الساخن على سطح الماء بين عودي الأسنان).

(أشعل عود ثقاب وضعه بين أعواد الأسنان)

نتائج:

الخبرة رقم 5

"أيهما أكبر: التوتر السطحي للماء النقي أم التوتر السطحي لمحلول الصابون؟"

حدد تجريبياً ما إذا كان التوتر السطحي للماء يزداد أو ينخفض ​​نتيجة ذوبان الصابون فيه.

الغرض من التجربة: أثبت أن التوتر السطحي للماء النقي أكبر من التوتر السطحي لمحلول الصابون.

مواد: ثلاثة أعواد أسنان، سائل غسيل الأطباق، وعاء من الماء النظيف.

عملية:

ضع عودين أسنان في منتصف سطح الماء بحيث يكونان جنبًا إلى جنب.

اغمس طرف العود الثالث في سائل غسل الأطباق (ملاحظة: لا يلزم سوى كمية صغيرة من السائل)

اغمس طرف العود الثالث في الماء بين العودين الآخرين.

نتائج: تتم إزالة اثنين من المسواك بسرعة من بعضها البعض. اشرح الظاهرة المرصودة.

الخبرة رقم 6

"أيهما أكبر: التوتر السطحي للماء النقي أم التوتر السطحي لمحلول السكر؟"

حدد تجريبياً ما إذا كان التوتر السطحي للماء يزداد أو ينخفض ​​نتيجة ذوبان السكر فيه.

الغرض من التجربة: أثبت أن التوتر السطحي للماء النقي أكبر من التوتر السطحي لمحلول السكر.

مواد: عيدان الأسنان، حلوى السكر، وعاء من الماء النظيف.

عملية:

ضع عودين أسنان في منتصف سطح الماء بحيث يكونان جنبًا إلى جنب.

انقعي قطعة حلوى في ماء نظيف واغمسيها في الماء بين عودين أسنان.

نتائج: تتم إزالة اثنين من المسواك بسرعة من بعضها البعض. اشرح الظاهرة المرصودة.

خاتمة.

يناقش المشاركون نتائجهم التجريبية ويتوصلون إلى نتيجة عامة مفادها:

1. إن وجود سطح حر في السائل يحدد وجود ظواهر خاصة تسمى الظواهر السطحية. تنشأ بسبب حقيقة أن الجزيئات الموجودة داخل السائل والجزيئات الموجودة على سطحه في ظروف مختلفة.

2. يعتمد التوتر السطحي على نوع السائل ودرجة حرارته ووجود الشوائب. ومع زيادة درجة الحرارة، فإنه يتناقص ويختفي تماماً عند درجة الحرارة الحرجة، مما يؤدي إلى اختفاء السطح البيني بين السائل وبخاره المشبع.

مدرس:وبعد إجراء التجارب لاحظنا أنه في جميع الحالات ينخفض ​​التوتر السطحي. ما رأيك: هل يمكن زيادتها؟ دعونا نلقي نظرة على الجدول ونستنتج.

.
خاتمة.يتمتع الماء بتوتر سطحي مرتفع والزئبق فقط هو الذي يتمتع بأكبر قدر من التوتر السطحي.

إن مظاهر قوى التوتر السطحي متنوعة للغاية بحيث لا يمكن حتى إدراجها كلها. اسمحوا لي أن أقدم لكم مثالا واحدا.

ويربط مضيق جبل طارق بين البحر الأبيض المتوسط ​​والمحيط الأطلسي. يبدو أن المياه مفصولة بفيلم ولها حدود واضحة بينهما. كل واحد منهم لديه درجة حرارته الخاصة، وتكوين الملح الخاص به، والنباتات والحيوانات.

وفي عام 1967 اكتشف العلماء الألمان حقيقة عدم اختلاط مياه البحر الأحمر والمحيط الهندي. على غرار زملائه، بدأ جاك كوستو في معرفة ما إذا كانت مياه المحيط الأطلسي والبحر الأبيض المتوسط ​​مختلطة. أولاً، قام هو وفريقه بفحص مياه البحر الأبيض المتوسط ​​ومستوى ملوحتها الطبيعي وكثافتها وأشكال الحياة الكامنة فيها. لقد فعلوا الشيء نفسه في المحيط الأطلسي. لقد كانت هاتان الكتلتان من المياه تلتقيان في مضيق جبل طارق منذ آلاف السنين، وسيكون من المنطقي الافتراض أن هاتين الكتلتين المائيتين الضخمتين كان يجب أن تختلطا منذ فترة طويلة - وكان من المفترض أن تصبح ملوحتهما وكثافتهما متماثلتين، أو على الأقل متشابهتين. . ولكن حتى في الأماكن التي يتقاربون فيها بشكل وثيق، يحتفظ كل منهم بخصائصه. بمعنى آخر، عند التقاء كتلتين من الماء، لم يسمح ستار الماء لهما بالاختلاط! مياه المحيط الأطلسي والبحر الأبيض المتوسط ​​غير قادرة على الاختلاط. يتم تحديد مقدار التوتر السطحي باختلاف درجات كثافة مياه البحر؛ وهذا العامل يشبه الجدار الذي يمنع اختلاط المياه.النقطة هنا هي التوتر السطحي: التوتر السطحي هو أحد أهم عوامل الماء. فهو يحدد قوة الالتصاق بين جزيئات السائل، وكذلك شكل سطحه عند الحدود مع الهواء.

ΙV التثبيت.

مدرس:الآن دعونا نجري تجارب بصرية , المتعلقة بالتوتر السطحي.

الخبرة رقم 7 "كأس الشرب المسحور."

لديك عملات معدنية صغيرة (30-40 قطعة). اسكب كوبًا ممتلئًا من الماء واكتشف: كم عدد هذه العملات المعدنية التي يمكنك وضعها في كوب من الماء حتى ينسكب؟ الآن قم بإسقاط عملة معدنية واحدة بعناية في الزجاج. وماذا في ذلك؟ كم يصلح؟ كيف تغير شكل الطبقة السطحية للماء؟ اشرح لماذا؟

(إجابة:التوتر السطحي يجمع الماء. إذا نظرت عن كثب، يمكنك أن ترى أن الغضروف المفصلي يواصل خط جدران الزجاج، ويرتفع على شكل قوس في المنتصف.)

مدرس: تعلمنا اليوم الكثير عن التوتر السطحي، وبما أن موضوع ندوتنا يتعلق بالقراءة الهادفة، فسوف نتعرف على بعض المعلومات المفيدة. أثناء القراءة، أود أن أقترح عليك استخدام تقنية "الإدراج"، وتدوين الملاحظات في الهوامش حتى تتمكن بعد ذلك من مواصلة ملء أعمدة الجدول.

قراءة النص مع الملاحظات:

+ عرفت ذلك

- لم أكن أعرف ذلك

؟ أود أن أعرف المزيد

! لقد فاجأني

التوتر السطحي

لماذا تكون فقاعة الصابون على شكل كرة؟

على ماذا يعتمد التوتر السطحي؟

V . النمذجة.

حاولت اليوم أن أوضح لك أنه بمساعدة البحث والتقنيات البصرية البسيطة، لا يمكنك تكوين نظام من المعرفة والمهارات والقدرات البدنية في دروس الفيزياء فحسب، بل يمكنك أيضًا زيادة النشاط الإبداعي والإثارة اهتماملإجراء التجارب. من الضروري أن نعطيه فرصة للتجربةولا تخاف من الأخطاء، وشجع الطلاب على استخلاص النتائج والدفاع عن وجهة نظرهم.

V . انعكاس. أردت إنهاء الدرس بتجربة أخرى حول التوتر السطحي.

الخبرة رقم 8 انفجار اللون في لوحة

ستحتاج للتجربة: طبق، حليب كامل الدسم، صابون سائل، مسحات قطنية وملون طعام بألوان مختلفة. خطة العمل:

1. أسكبي الحليب في طبق.

2. أضف بضع قطرات من الطلاء إلى الحليب.

3. اغمسي قطعتين من القطن في الصابون السائل ثم ضعيهما في طبق مع الحليب.

نتيجة:عند إضافة الطلاء إلى الحليب، تتشكل انسكابات طلاء جميلة على السطح. عند إضافة الصابون السائل، يصبح الطلاء مخططًا ويشكل أنماطًا غير متوقعة على سطح الحليب.

وفي الختام، أود أن أقول على لسان نيكولاي أوستروفسكي:

"العمل الإبداعي هو

جميلة وثقيلة بشكل غير عادي

وعمل بهيج بشكل مثير للدهشة.

الأدب:

Russkikh، G. A. درجة الماجستير - تكنولوجيا إعداد المعلمين للأنشطة المهنية الإبداعية [نص] / G. A. Russkikh // الميثودية. – 2002

سيليفكو، ج.ك. التقنيات التربوية البديلة [النص] / G. K. Selevko - M.: معهد أبحاث التقنيات المدرسية، 2005. - 224 ص.

Sovetova، E. V. التقنيات التعليمية الفعالة [نص] / E. V. Sovetova. – روستوف ن/د: فينيكس، 2007. – 285 ص.

خورتوفا، تي.في. أشكال التدريب المهني للمعلمين: فصول رئيسية [نص] / T. V. Hurtova - فولغوغراد: مدرس، 2008. – 76 ص.