Использование фотосъемки при исследовании диффузии

Опубликовано Доненко Леонид Николаевич вкл 13.02.2017 - 11:15

Автор:

Духовник Никита, ученик 9 класса МБОУ Новофёдоровская школа-лицей

Цель данной работы – изучить диффузию в жидкости на примере процесса смешивания краски и воды.

Выполнить эксперимент, описать его и произвести некоторые расчеты, сделать выводы о проделанной работе.

При выполнении работы применялись практические и эмпирические подходы.

Скачать:

Вложение	Размер
Исследование явления смачивания	588.92 КБ

Предварительный просмотр:

Министерство образования и науки Республики Крым

МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЁЖИ «ИСКАТЕЛЬ»

Секция физики

Исследование явления смачивания

Работу выполнил

Духовник Никита,

ученик 9 класса

МБОУ Новофёдоровская школа-лицей

Руководитель:

Доненко Леонид Николаевич,

учитель физики и информатики высшей категории

Новофедоровка – 2015 г.

Исследование явления смачивания

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

ГлаваI. Теоретические основы смачивания 5

Глава II. Явление несмачивания и смачивания. Метод лежащей капли 8

Заключение 12

Список используемых источников 13

Приложения 14

Введение

Сма́чивание — физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).

Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;

молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность.

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) — это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли[1]. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока (по состоянию на 2008 год) не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.

Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности (лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т. д.). К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла.

К примеру, популярный метод увеличения добычи нефти при помощи закачки воды в пласт исходит из того, что вода заполняет поры и выдавливает нефть. В случае мелких пор и чистой воды это далеко не так, поэтому приходится добавлять специальные ПАВ. Оценку смачиваемости горных пород при добавлении различных по составу растворов можно измерить различными приборами.Цель данной работы – определить коэффициент поверхностного натяжения тонких пленок, обработать результаты, сделать соответствующие выводы.

Цель данной работы – исследовать явление несмачивания и произвести измерения, используя фотографический способ измерений.

Для этого была изучена соответствующая литература и проведены соответствующие эксперименты.

ГлаваI. Теоретические основы смачивания

Представим себе, что по тем или иным причинам поверхность жидкости увеличивается (растягивается). Это значит, что некоторое количество молекул переходит из объема жидкости в поверхностный слой. Для этого, как мы только что видели, надо затратить внешнюю работу. Другими словами, увеличение поверхности жидкости сопровождается отрицательной работой. Наоборот, при сокращении поверхности совершается положительная работа [1].

Если при постоянной температуре обратимым путем изменить поверхность жидкости на бесконечно малую величину dS, то необходимая для этого работа

(1)

Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности (dS > 0) сопровождается отрицательной работой.

Коэффициент является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения ( > 0). Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

Очевидно, в системе СИ имеет размерность .

Из сказанного ясно, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией. Обозначим ее . Эта энергия, как всегда, измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости[1].

Поскольку энергия обязана своим происхождением наличию поверхности жидкости, то она должна быть пропорциональна площади S поверхности жидкости:

(2)

Тогда изменение площади поверхности dS повлечет за. собой изменение потенциальной энергии

которое сопровождается работой

в полном соответствии с (1).

Если, как было указано, изменение поверхности S осуществляется при постоянной температуре, т. е. изотермически (и обратимо), то, как известно, потребная для этого работа равна изменению свободной энергии F поверхности:

(3)

(Если изменение поверхности жидкости произвести адиабатно, то ее температура изменится. Например, увеличение поверхности приведет к ее охлаждению.) Значит, избыточная потенциальная энергия поверхности жидкости, о которой говорилось выше, является свободной энергией поверхности и, следовательно,

т. е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности.

Теперь ясно, в чем заключаются указанные выше особые условия, в которых находится поверхность жидкости. Они заключаются в том, что поверхность жидкости обладает избыточной по сравнению с остальной массой жидкости потенциальной (свободной) энергией. Посмотрим, к чему это приводит[1].

Известно, что всякая система при равновесии находится в том из возможных для нее состояний, при котором ее энергия имеет минимальное значение. Применительно к рассматриваемому случаю это означает, что жидкость в равновесии должна иметь минимально возможную поверхность. Это в свою очередь означает, что должны существовать силы, препятствующие увеличению поверхности жидкости, т. е. стремящиеся сократить эту поверхность.

Очевидно, что эти силы должны быть направлены вдоль самой поверхности, по касательной к ней. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Нужно, однако, помнить, что первопричиной возникновения сил поверхностного натяжения являются силы, испытываемые молекулами поверхностного слоя, направленные внутрь жидкости, а в некоторых случаях внутрь той среды, с которой она граничит, т. е. перпендикулярно к поверхности[2].

Для разрыва, или, как говорят, для раздела поверхности необходимо приложить внешние силы, параллельные к поверхности и перпендикулярные к той линии, вдоль которой предполагается разрыв (раздел).

Глава II. Явление несмачивания и смачивания. Метод лежащей капли

Рис.2.1. Измерение поверхностного натяжения методом лежащей капли

Форма свободно лежащей капли определяется действием сил тяжести и поверхностного натяжения. Поэтому зная размеры капли, можно найти и величину поверхностного натяжения. Несмотря на значительную трудоемкость метода, в последнее время он находит широкое применение, что обусловлено такими его достоинствами, как довольно высокая точность, возможность измерения поверхностного натяжения при различных температурах, отсутствие в расчетных формулах краевого угла. [2]

Капля, лежащая на подложке, фотографируется, а затем на негативе или фотографии определяют ее размеры: максимальный диаметр d и расстояние h от плоскости капли, имеющей максимальный диаметр, до вершины капли. Зная эти размеры, можно по графикам или таблицам найти величину поверхностного натяжения. В случае использования графиков, что гораздо проще, расхождение в определении величины поверхностного натяжения не превышает 1,5 – 2,5 %.

Точность измерения поверхностного натяжения расплавов по данному методу повышается, если помимо максимального диаметра капли находить еще и радиус кривизны в. вершине капли. [3]

Размеры капель необходимо определять в расплавленном состоянии, так как при кристаллизации металла изменяются не только их размеры, но и форма, поэтому измерение размеров затвердевших капель может привести к ошибке в определении поверхностного натяжения на 20 – 30 % и более. Ошибка в результате измерения застывших капель будет особенно большой, если в состав атмосферы входят газы, растворяющиеся в расплавленном металле и выделяющиеся из него при кристаллизации, например азот В этом случае в капле металла образуются поры, что приводит к весьма значительному изменению размеров капли.

Следует отметить, что при проведении экспериментов по данному методу полученные результаты зависят также от массы капли, материала подложки и способа ее измерения. Кроме того, при недостаточном времени выдержки расплавленной капли точность измерения зависит от первоначальной формы металлической навески. Согласно этому, целесообразно использовать цилиндрические образцы с отношением диаметра к высоте, равным единице.

Существует одна интересная работа, посвященная выявлению закономерности между деформацией пузырька и поверхностным натяжением: А.Ю.Кошевник, М.М.Кусаков, Н.М.Лубман, ЖФХ, 27, вып. 12, стр. 1887, 1953г. Следуя выводам авторов, можно утверждать, что поверхностное натяжение вычисляется следующим образом (см. рисунок 2.1.):

s = d2 r g /H,

где

d - диаметр пузырька;

r - плотность исследуемой среды;

g - ускорение свободного падения;

1/H - параметр, зависящий от d/2h. Вычисляется с помощью таблицы.

На первый взгляд, достаточно сложно собрать экспериментальную установку для определения поверхностного натяжения. Первое, что приходит в голову - это использовать катетометр, который позволяет определять размеры предмета на расстоянии. Однако, такой прибор очень дорог, особенно в наше время. Возможность использования хорошей фотографической аппаратуры тоже энтузиазма не вызывает.

Был использован демонстрационный столик с подсветкой и несмачиваемая пластиковая поверхность.

В результате получена следующая таблица измерений:

Таблица 2.1.

Измерение несмачивания

d/2h	1/H	d	h
1,15	0,3304	1,15	0,5
1,2	0,2373	0,096	0,04
1,25	0,1824	0,075	0,03
1,3	0,1466	0,104	0,04
1,35	0,1212	0,135	0,05
1,4	0,1027	0,056	0,02
1,45	0,0885	0,029	0,01
1,5	0,07749	0,06	0,02
1,55	0,0686	0,096	0,06

По этой таблице можно построить диаграмму:

Рис. 2.2. Диаграмма зависимости

Для измерений был использован цифровой зеркальный фотоаппарат Canon 1100D и приспособление для фотосъемки.

Заключение

Сма́чивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)

Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

Мною были проделаны опыты и рассчитан коэффициент поверхностного натяжения. Были выполнены фотографии эксперимента.

Смачивание и несмачивание используется в природе и технике.