La tension superficielle d'un liquide est brève. Tension superficielle

Définition 1

Tension superficielle - une rafale d'un liquide pour réduire sa propre surface libre, c'est-à-dire pour réduire l'excès d'énergie potentielle à la frontière de la séparation avec la phase gazeuse.

Non seulement les corps physiques solides sont dotés de caractéristiques élastiques, mais également la surface du liquide lui-même. Chacun dans sa vie a vu comment un film savonneux s'étire avec un léger soufflage de bulles. Les forces de tension superficielle qui se développent dans le film de savon piègent l'air pendant un certain temps, de la même manière qu'une vessie en caoutchouc étirée retient l'air dans un ballon de football.

La tension superficielle apparaît à l'interface entre les phases principales, par exemple, gazeuse et liquide, ou liquide et solide. Ceci est directement dû au fait que les particules élémentaires de la couche superficielle d'un liquide subissent toujours des forces d'attraction différentes de l'intérieur et de l'extérieur.

Le processus physique spécifié peut être considéré sur l'exemple d'une goutte d'eau, où le liquide se déplace comme s'il était dans une coque élastique. Ici, les atomes de la couche superficielle d'une substance liquide sont attirés plus fortement vers leurs propres voisins internes que vers les particules d'air externes.

En général, la tension superficielle peut être expliquée comme un travail infinitésimal ou élémentaire $ \\ sigma A $, qui doit être fait pour augmenter la surface totale du liquide d'un montant infinitésimal $ dS $ à une température constante $ dt $.

Mécanisme de tension superficielle dans les liquides

Figure 2. Scalaire positif. Author24 - Échange en ligne d'articles d'étudiants

Un liquide, contrairement aux solides et aux gaz, ne peut pas remplir tout le volume du récipient dans lequel il a été placé. Une certaine interface se forme entre la vapeur et la substance liquide, qui agit dans des conditions spéciales par rapport à une autre masse de liquide. Considérons, pour un exemple plus illustratif, deux molécules $ A $ et $ B $. La particule $ A $ est à l'intérieur du liquide lui-même, la molécule $ B $ est directement sur sa surface. Le premier élément est uniformément entouré d'autres atomes du liquide, par conséquent, les forces agissant sur la molécule à partir des particules tombant dans la sphère d'interaction intermoléculaire sont toujours compensées, ou, en d'autres termes, leur puissance résultante est nulle.

La molécule $ B $ est encadrée d'une part par des molécules liquides, et d'autre part par des atomes de gaz dont la concentration totale est nettement inférieure à l'union des particules liquides élémentaires. Puisque beaucoup plus de molécules agissent sur la molécule $ B $ du côté du liquide que du côté d'un gaz idéal, il n'est plus possible d'assimiler la résultante de toutes les forces intermoléculaires à zéro, puisque ce paramètre est dirigé à l'intérieur du volume de la substance. Ainsi, pour qu'une molécule se retrouve dans la couche superficielle à partir de la profondeur du liquide, il faut travailler contre des forces non compensées. Cela signifie que les atomes du niveau proche de la surface, par rapport aux particules à l'intérieur du liquide, sont équipés d'un excès d'énergie potentielle, appelée énergie de surface.

Coefficient de tension superficielle

Figure 3. Contrainte de surface. Author24 - Échange en ligne d'articles d'étudiants

Définition 2

Le coefficient de tension superficielle est un indicateur physique qui caractérise un certain liquide et est numériquement égal au rapport de l'énergie superficielle à la surface totale du milieu libre du liquide.

En physique, l'unité de base pour mesurer le coefficient de tension superficielle dans le concept SI est (N) / (m).

La valeur spécifiée dépend directement de:

• la nature du liquide (pour les «éléments volatils tels que l'alcool, l'éther, l'essence, le coefficient de tension superficielle est bien inférieur à celui des« non volatils - mercure, eau);
• la température de la substance liquide (plus la température est élevée, plus la tension superficielle finale est basse);
• propriétés d'un gaz parfait bordant un liquide donné;
• la présence d'agents tensioactifs stables tels que la lessive ou le savon, qui peuvent réduire la tension superficielle.

Remarque 1

Il faut également noter que le paramètre de tension superficielle ne dépend pas de la surface initiale du milieu libre du liquide.

Il est également connu de la mécanique que les états inchangés du système correspondent toujours à la valeur minimale de son énergie interne. À la suite de ce processus physique, un corps liquide prend souvent une forme avec une surface minimale. Si le liquide n'est pas affecté par des forces étrangères ou si leur action est extrêmement faible, ses éléments ont la forme d'une sphère sous la forme d'une goutte d'eau ou d'une bulle de savon. L'eau commence à se comporter de manière similaire en apesanteur. Le fluide se déplace comme s'il y avait des facteurs qui réduisent cet environnement tangentiellement à sa surface principale. Ces forces sont appelées forces de tension superficielle.

Par conséquent, le coefficient de tension superficielle peut également être déterminé comme le module principal de la force de tension superficielle, qui agit généralement par unité de longueur du contour initial qui délimite le milieu libre du liquide. La présence de ces paramètres rend la surface d'une substance liquide similaire à un film élastique étiré, à la seule différence que les forces constantes dans le film dépendent directement de la zone de son système et que les forces de tension superficielle elles-mêmes peuvent fonctionner indépendamment. Si vous placez une petite aiguille à coudre sur la surface de l'eau, la surface se pliera et l'empêchera de se noyer.

L'action d'un facteur externe peut décrire le glissement d'insectes légers, tels que les marcheurs d'eau, sur toute la surface des plans d'eau. Le pied de ces arthropodes déforme la surface de l'eau, augmentant ainsi sa superficie. Le résultat est une force de tension superficielle qui tend à réduire un tel changement de surface. La force résultante sera toujours dirigée exclusivement vers le haut, tout en compensant l'effet de la gravité.

Le résultat de l'action de la tension superficielle

Sous l'influence de la tension superficielle, de petites quantités de fluides ont tendance à prendre une forme sphérique, qui correspondra idéalement au plus petit environnement. L'approche de la configuration sphérique est obtenue d'autant plus, plus les forces de gravité initiales sont faibles, car en petites gouttes, la force de tension superficielle est beaucoup plus grande que l'effet de gravité.

La tension superficielle est considérée comme l'une des caractéristiques les plus importantes des interfaces. Il affecte directement la formation de fines particules de corps physiques et de liquides lors de leur séparation, ainsi que la fusion d'éléments ou de bulles dans les brouillards, les émulsions, les mousses et les processus d'adhésion.

Remarque 2

La tension superficielle définit la forme des futures cellules biologiques et de leurs principales parties.

Un changement dans la force de ce processus physique affecte la phagocytose et les processus de respiration alvéolaire. En raison de ce phénomène, les substances poreuses peuvent pendant longtemps retenir une énorme quantité de liquide même des vapeurs d'air.Les phénomènes capillaires, impliquant des changements de hauteur du niveau de liquide dans les capillaires par rapport au niveau de liquide dans un récipient plus large, sont très courants. Grâce à ces processus, la montée de l'eau dans le sol, le long du système racinaire des plantes, le mouvement des fluides biologiques à travers le système de petits tubules et de vaisseaux sanguins est déterminé.

Cette leçon abordera les fluides et leurs propriétés. Du point de vue de la physique moderne, les liquides sont le sujet de recherche le plus difficile, car par rapport aux gaz, on ne peut pas parler d'une énergie d'interaction négligeable entre les molécules, et par rapport aux solides, on ne peut pas parler d'un arrangement ordonné de molécules liquides (il n'y a pas d'ordre à longue distance dans un liquide) ... Cela conduit au fait que les liquides ont un certain nombre de propriétés intéressantes et leurs manifestations. Une de ces propriétés sera abordée dans cette leçon.

Pour commencer, discutons des propriétés spéciales que possèdent les molécules de la couche proche de la surface d'un liquide par rapport aux molécules de la masse.

Figure: 1. La différence entre les molécules de la couche proche de la surface et les molécules dans le volume du liquide

Considérons deux molécules A et B. La molécule A est à l'intérieur du liquide, la molécule B est à sa surface (Fig. 1). La molécule A est uniformément entourée par d'autres molécules liquides, par conséquent, les forces agissant sur la molécule A du côté des molécules tombant dans la sphère d'interaction intermoléculaire sont compensées, ou leur résultante est nulle.

Qu'arrive-t-il à la molécule B, située à la surface du liquide? Rappelons que la concentration de molécules de gaz au-dessus du liquide est bien inférieure à la concentration de molécules de liquide. La molécule B est entourée d'un côté par des molécules liquides et de l'autre par des molécules de gaz hautement raréfiées. Étant donné que beaucoup plus de molécules agissent sur elle du côté du liquide, la résultante de toutes les forces intermoléculaires sera dirigée dans le liquide.

Ainsi, pour qu'une molécule pénètre dans la couche superficielle depuis la profondeur du liquide, il faut travailler contre des forces intermoléculaires non compensées.

Rappelons-nous que le travail est un changement d'énergie potentielle, pris avec un signe moins.

Cela signifie que les molécules de la couche superficielle, par rapport aux molécules à l'intérieur du liquide, ont un excès d'énergie potentielle.

Cet excès d'énergie est une composante de l'énergie interne du liquide et est appelé énergie de surface... Elle est notée et mesurée, comme toute autre énergie, en joules.

Évidemment, plus la surface du liquide est grande, plus il y a de molécules qui ont un excès d'énergie potentielle, et donc plus l'énergie de surface est grande. Ce fait peut être écrit comme le ratio suivant:

,

où est la surface, et est le coefficient de proportionnalité, que nous appellerons coefficient de tension superficielle, ce coefficient caractérise l'un ou l'autre liquide. Écrivons une définition stricte de cette quantité.

La tension superficielle d'un liquide (coefficient de tension superficielle d'un liquide) est une grandeur physique qui caractérise un liquide donné et est égale au rapport de l'énergie superficielle à la surface du liquide

Le coefficient de tension superficielle est mesuré en newtons par mètre.

Discutons de ce qui détermine le coefficient de tension superficielle d'un liquide. Pour commencer, rappelez-vous que le coefficient de tension superficielle caractérise l'énergie d'interaction spécifique des molécules, ce qui signifie que les facteurs qui modifient cette énergie modifieront également le coefficient de tension superficielle d'un liquide.

Ainsi, le coefficient de tension superficielle dépend de:

1. La nature du liquide (les liquides «volatils», tels que l'éther, l'alcool et l'essence, ont une tension superficielle inférieure à celle des liquides «non volatils» - eau, mercure et métaux liquides).

2. Températures (plus la température est élevée, plus la tension superficielle est basse).

3. La présence de tensioactifs qui réduisent la tension superficielle (tensioactif), tels que du savon ou de la lessive en poudre.

4. Propriétés du gaz adjacent au liquide.

Notez que le coefficient de tension superficielle ne dépend pas de la surface, car pour une molécule proche de la surface prise séparément, il est absolument sans importance de savoir combien de molécules sont autour. Faites attention au tableau, qui montre les coefficients de tension superficielle de diverses substances, à une température:

Tableau 1. Coefficients de tension superficielle des liquides à l'interface avec l'air, à

Ainsi, les molécules de la couche proche de la surface ont un excès d'énergie potentielle par rapport aux molécules de la majeure partie du liquide. Au cours de la mécanique, il a été montré que tout système tend à un minimum d'énergie potentielle. Par exemple, un corps jeté d'une certaine hauteur aura tendance à tomber. De plus, vous vous sentez beaucoup plus à l'aise allongé, puisque dans ce cas, le centre de masse de votre corps est situé le plus bas possible. À quoi conduit la volonté de réduire son énergie potentielle dans le cas d'un liquide? Puisque l'énergie de surface dépend de la surface, il est énergétiquement désavantageux pour tout liquide d'avoir une grande surface. En d'autres termes, à l'état libre, le liquide aura tendance à rendre sa surface minimale.

Ceci est facile à vérifier en expérimentant avec un film de savon. Si vous trempez un cadre métallique dans de l'eau savonneuse, un film savonneux se formera dessus et le film prendra une forme telle que sa surface soit minimale (Fig. 2).

Figure: 2. Chiffres de la solution savonneuse

Il est possible de vérifier l'existence de forces de tension superficielle à l'aide d'une expérience simple. Si un fil est attaché à l'anneau de fil à deux endroits, et de sorte que la longueur du fil soit légèrement supérieure à la longueur de la corde reliant les points d'attache du fil, et que l'anneau de fil est trempé dans de l'eau savonneuse (Fig.3a), le film de savon resserrera toute la surface de l'anneau et le fil reposera sur un film de savon. Si vous déchirez le film d'un côté du fil maintenant, le film de savon restant de l'autre côté du fil se contractera et resserrera le fil (Fig. 3b).

Figure: 3. Une expérience pour détecter les forces de tension superficielle

Pourquoi est-ce arrivé? Le fait est que la solution savonneuse restant sur le dessus, c'est-à-dire liquide, a tendance à réduire sa surface. Ainsi, le fil est tiré vers le haut.

Nous étions donc convaincus de l'existence de la force de tension superficielle. Maintenant, apprenons à le calculer. Pour ce faire, faisons une expérience de pensée. Plongez une armature métallique dans l'eau savonneuse dont l'un des côtés est mobile (Fig. 4). Nous allons étirer le film de savon, en agissant sur le côté mobile du cadre par la force. Ainsi, trois forces agissent sur la barre transversale - une force externe et deux forces de tension superficielle agissant le long de chaque surface du film. En utilisant la deuxième loi de Newton, nous pouvons écrire que

Figure: 4. Calcul de la force de tension superficielle

Si, sous l'action d'une force externe, la barre transversale se déplace d'une distance, cette force externe fera le travail

Naturellement, grâce à ce travail, la surface du film augmentera, ce qui signifie que l'énergie de surface augmentera également, ce que nous pouvons déterminer grâce au coefficient de tension superficielle:

Le changement de surface, à son tour, peut être déterminé comme suit:

où est la longueur de la partie mobile du cadre métallique. En tenant compte de cela, nous pouvons écrire que le travail de la force externe est égal à

En faisant correspondre les côtés droits entre (*) et (**), nous obtenons une expression de la force de tension superficielle:

Ainsi, le coefficient de tension superficielle est numériquement égal à la force de tension superficielle, qui agit par unité de longueur de la ligne délimitant la surface

Ainsi, nous nous sommes à nouveau assurés que le liquide a tendance à prendre une forme telle que sa surface spécifique soit minimale. On peut montrer que pour un volume donné, la surface du ballon sera minimale. Ainsi, si d'autres forces n'agissent pas sur le liquide ou si leur effet est faible, le liquide aura tendance à prendre une forme sphérique. Ainsi, par exemple, l'eau se comportera en apesanteur (Fig. 5) ou en bulles de savon (Fig. 6).

Figure: 5. L'eau en apesanteur

Figure: 6. Bulles de savon

La présence de forces de tension superficielle peut également expliquer pourquoi l'aiguille métallique «repose» à la surface de l'eau (Fig. 7). Une aiguille, qui est soigneusement placée sur une surface, la déforme, augmentant ainsi la surface de cette surface. Ainsi, une force de tension superficielle apparaît, qui tend à réduire un tel changement de surface. Les forces de tension superficielle résultantes seront dirigées vers le haut et compenseront la force de gravité.

Figure: 7. Une aiguille à la surface de l'eau

Le principe de la pipette peut être expliqué de la même manière. La gouttelette, sur laquelle agit la force de gravité, est tirée vers le bas, augmentant ainsi sa surface. Naturellement, des forces de tension superficielle apparaissent, dont la résultante est opposée à la direction de la gravité, et qui ne permettent pas à la gouttelette de s'étirer (Fig. 8). Lorsque vous appuyez sur le capuchon en caoutchouc de la pipette, vous créez une pression supplémentaire qui favorise la gravité et, par conséquent, la gouttelette tombe.

Figure: 8. Le principe de fonctionnement de la pipette

Voici un autre exemple de la vie quotidienne. Si vous mettez un pinceau dans un verre d'eau, ses poils vont peloter. Si vous sortez maintenant cette brosse de l'eau, vous remarquerez que tous les poils sont collés les uns aux autres. Cela est dû au fait que la surface de l'eau adhérant à la brosse sera minimale dans ce cas.

Et un autre exemple. Si vous voulez construire un château de sable sec, il est peu probable que vous réussissiez, car le sable s'effondrera sous l'influence de la gravité. Cependant, si vous mouillez le sable, il conservera sa forme en raison des forces de tension superficielle de l'eau entre les grains de sable.

Enfin, nous notons que la théorie de la tension superficielle permet de trouver de belles et simples analogies lors de la résolution de problèmes physiques plus complexes. Par exemple, lorsque vous devez construire une structure à la fois légère et durable, la physique de ce qui se passe dans les bulles de savon vient à la rescousse. Et il a été possible de construire le premier modèle adéquat du noyau atomique en comparant ce noyau atomique à une goutte de liquide chargé.

Bibliographie

1. G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. "Physique 10". - M.: Éducation, 2008.
2. Ya. E. Geguzin "Bubbles", Bibliothèque Kvant. - M .: Nauka, 1985.
3. B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky "Fondamentaux de la physique" vol. 1.
4. GS Landsberg "Manuel de physique élémentaire" v. 1.

1. Nkj.ru ().
2. Youtube.com ().
3. Youtube.com ().
4. Youtube.com ().

Devoirs

1. Après avoir résolu les problèmes de cette leçon, vous serez en mesure de vous préparer aux questions 7,8,9 GIA et aux questions A8, A9, A10 de l'examen.
2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "La physique. Collection de problèmes grade 10 "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. En vous basant sur le problème 5.47, déterminez le coefficient de tension superficielle de l'eau et de la solution savonneuse.

Liste des questions et réponses

Question: Pourquoi la tension superficielle change-t-elle avec la température?

Répondre:À mesure que la température augmente, les molécules du liquide commencent à se déplacer plus rapidement et, par conséquent, les molécules surmontent plus facilement les forces potentielles d'attraction. Cela conduit à une diminution des forces de tension superficielle, qui sont des forces potentielles qui lient les molécules de la couche proche de la surface du liquide.

Question: Le coefficient de tension superficielle dépend-il de la densité du liquide?

Répondre:Oui, c'est le cas, car l'énergie des molécules de la couche proche de la surface du liquide dépend de la densité du liquide.

Question: Quels sont les moyens de déterminer le coefficient de tension superficielle d'un liquide?

Répondre:Dans le cours scolaire, deux méthodes de détermination du coefficient de tension superficielle d'un liquide sont étudiées. La première est la méthode de détachement des fils, son principe est décrit dans le problème 5.44 du travail à domicile, la seconde est la méthode de comptage des gouttes décrite dans le problème 5.47.

Question: Pourquoi les bulles de savon s'effondrent-elles après un certain temps?

Répondre:Le fait est qu'au bout d'un certain temps, sous l'influence de la gravité, la bulle devient plus épaisse en bas qu'en haut, puis, sous l'influence de l'évaporation, elle s'effondre à un moment donné. Cela conduit au fait que la bulle entière, comme un ballon, s'effondre sous l'action de forces de tension superficielle non compensées.

Liquide– une substance à l'état liquide d'agrégation, occupant une position intermédiaire entre les états solide et gazeux. La propriété principale d'un liquide qui le distingue des substances dans d'autres états d'agrégation est sa capacité à changer indéfiniment de forme sous l'influence de contraintes mécaniques tangentielles, même arbitrairement faibles, tout en conservant pratiquement le volume.

Informations générales sur l'état liquide

L'état liquide est généralement considéré comme intermédiaire entre un solide et un gaz: un gaz ne conserve ni volume ni forme, tandis qu'un solide conserve les deux.

La forme des corps liquides peut être totalement ou partiellement déterminée par le fait que leur surface se comporte comme une membrane élastique. Ainsi, l'eau peut s'accumuler en gouttes. Mais le liquide est capable de s'écouler même sous sa surface stationnaire, ce qui signifie également la non-conservation de la forme (des parties internes du corps liquide).

Les molécules liquides n'ont pas de position définie, mais en même temps, une totale liberté de mouvement ne leur est pas disponible. Il y a une attraction entre eux, assez forte pour les garder proches.

Une substance à l'état liquide existe dans une certaine plage de température, au-dessous de laquelle elle passe à l'état solide (cristallisation ou transformation à l'état solide amorphe - verre), au-dessus - à l'état gazeux (une évaporation se produit). Les limites de cet intervalle dépendent de la pression.

En règle générale, une substance à l'état liquide n'a qu'une seule modification. (Les exceptions les plus importantes sont les liquides quantiques et les cristaux liquides.) Par conséquent, dans la plupart des cas, un liquide n'est pas seulement un état agrégé, mais aussi une phase thermodynamique (phase liquide).

Tous les liquides sont généralement divisés en liquides purs et mélanges. Certains mélanges de liquides sont très importants pour la vie: le sang, l'eau de mer, etc. Les liquides peuvent fonctionner comme des solvants.

Propriétés physiques des liquides

1 ).Fluidité

La principale propriété des liquides est la fluidité. Si une force externe est appliquée sur une section de liquide en équilibre, alors un écoulement de particules liquides se produit dans la direction dans laquelle cette force est appliquée: le liquide s'écoule. Ainsi, sous l'influence de forces extérieures déséquilibrées, le liquide ne conserve pas la forme et la position relative des pièces, et prend donc la forme de la cuve dans laquelle il se trouve.

Contrairement aux solides plastiques, un liquide n'a pas de limite élastique: il suffit d'appliquer une force externe arbitrairement petite pour que le liquide s'écoule.

2).Préservation du volume

L'une des propriétés caractéristiques d'un liquide est qu'il a un certain volume (dans des conditions extérieures constantes). Le liquide est extrêmement difficile à comprimer mécaniquement car, contrairement au gaz, il y a très peu d'espace libre entre les molécules. La pression exercée sur un liquide enfermé dans une cuve est transmise sans changement à chaque point du volume de ce liquide (la loi de Pascal est également vraie pour les gaz). Cette caractéristique, associée à une très faible compressibilité, est utilisée dans les machines hydrauliques.

Les liquides se dilatent (se dilatent) lorsqu'ils sont chauffés et rétrécissent (se contractent) lorsqu'ils sont refroidis. Cependant, il existe des exceptions, par exemple, l'eau se comprime lorsqu'elle est chauffée, à une pression normale et à des températures de à environ.

3).Viscosité

De plus, les liquides (comme les gaz) sont visqueux. Il est défini comme la capacité de résister au mouvement d'une pièce par rapport à une autre - c'est-à-dire comme un frottement interne.

Lorsque des couches de liquide adjacentes se déplacent les unes par rapport aux autres, des collisions de molécules en plus de celles provoquées par le mouvement thermique se produisent inévitablement. Des forces surgissent qui inhibent le mouvement ordonné. Dans ce cas, l'énergie cinétique du mouvement ordonné est convertie en énergie thermique du mouvement chaotique des molécules.

Le liquide dans la cuve, mis en mouvement et laissé à lui-même, s'arrêtera progressivement, mais sa température augmentera.

4).Miscibilité

Miscibilité - la capacité des liquides à se dissoudre les uns dans les autres. Un exemple de liquides miscibles: l'eau et l'alcool éthylique, un exemple d'immiscible: l'eau et l'huile liquide.

5).Formation de surface et tension de surface libres

En raison de la conservation du volume, le liquide est capable de former une surface libre. Une telle surface est l'interface entre les phases d'une substance donnée: d'un côté il y a une phase liquide, de l'autre - une phase gazeuse (vapeur), et éventuellement d'autres gaz, par exemple de l'air.

Si les phases liquide et gazeuse d'une seule et même substance entrent en contact, des forces se produisent qui tendent à réduire la surface de l'interface - les forces de tension superficielle. L'interface se comporte comme une membrane élastique qui a tendance à se contracter.

6).Ondes de densité

Bien que le liquide soit extrêmement difficile à comprimer, néanmoins, lorsque la pression change, son volume et sa densité changent encore. Cela ne se fait pas du jour au lendemain; ainsi, si une section est compressée, alors une telle compression est transmise à d'autres sections avec un retard. Cela signifie que les ondes élastiques, plus précisément les ondes de densité, peuvent se propager à l'intérieur du fluide. Avec la densité, d'autres grandeurs physiques changent également, par exemple la température.

Si lors de la propagation d'une onde, la densité change assez faiblement, une telle onde est appelée onde sonore, ou son.

Si la densité change suffisamment fortement, une telle onde est appelée onde de choc. L'onde de choc est décrite par d'autres équations.

Les ondes de densité dans un liquide sont longitudinales, c'est-à-dire que la densité change le long de la direction de propagation des ondes. Il n'y a pas d'ondes élastiques transversales dans le liquide en raison de la non-conservation de la forme.

Les ondes élastiques dans un liquide se désintègrent avec le temps, leur énergie se transforme progressivement en énergie thermique. Les raisons de l'atténuation sont la viscosité, «l'absorption classique», la relaxation moléculaire et autres. Dans le même temps, la soi-disant seconde viscosité, ou viscosité en vrac - frottement interne avec un changement de densité, fonctionne. L'onde de choc, résultant de l'atténuation, se transforme après un certain temps en onde sonore.

Les ondes élastiques dans un liquide sont également sujettes à la diffusion par des inhomogénéités résultant du mouvement thermique chaotique des molécules.

Structure des liquides

La disposition mutuelle des particules voisines dans les liquides est similaire à la disposition ordonnée des particules voisines dans les cristaux. Cependant, cet ordre dans les liquides n'est observé qu'à l'intérieur de petits volumes. Aux distances: à partir d'une molécule "centrale" sélectionnée, l'ordre est violé (- diamètre effectif de la molécule). Un tel ordre dans la disposition des particules dans les liquides est appelé ordre à courte portée .

En raison de l'absence de commande à longue distance, les liquides, à quelques exceptions près, ne présentent pas la caractéristique d'anisotropie des cristaux. Pour cette raison, la structure d'un liquide est parfois appelée quasi-cristalline ou cristalline. .

Pour la première fois, l'idée de la proximité de certaines propriétés des liquides (en particulier des métaux fondus) et des solides cristallins a été exprimée puis développée dans les travaux du physicien soviétique Ya.I. Frenkel dans les années 1930-1940. Selon les vues de Frenkel, qui ont maintenant reçu une reconnaissance universelle, le mouvement thermique des atomes et des molécules dans un liquide consiste en des vibrations irrégulières avec une fréquence moyenne proche de la fréquence des vibrations des atomes dans les corps cristallins. Le centre des vibrations est déterminé dans ce cas par le champ de forces des particules voisines et se déplace avec les déplacements de ces particules.

De manière simplifiée, un tel mouvement thermique peut être représenté comme la superposition de sauts relativement rares de particules d'une position d'équilibre temporaire à d'autres et des oscillations thermiques dans les intervalles entre les sauts. Le temps moyen de séjour "réglé" d'une molécule liquide près d'une certaine position d'équilibre est appelé temps de relaxation.Au bout du temps, la molécule change de lieu d'équilibre, se déplaçant brusquement vers une nouvelle position, espacée de la précédente d'une distance de l'ordre de la taille des molécules elles-mêmes. Ainsi, la molécule se déplace lentement à l'intérieur du liquide. Avec une augmentation de la température, le temps diminue, la mobilité des molécules augmente, ce qui entraîne une diminution de la viscosité des liquides (la fluidité augmente). Selon l'expression figurative de Ya.I. Frenkel, les molécules errent dans tout le volume de liquide, menant un mode de vie nomade, dans lequel les voyages de courte durée sont remplacés par des périodes de vie sédentaire relativement longues.

Les solides amorphes (verre, résines, bitume, etc.) peuvent être considérés comme des liquides surfondus, dont les particules ont une mobilité limitée en raison de la viscosité fortement accrue.

En raison du faible ordre de l'état liquide, la théorie du liquide est moins développée que la théorie des gaz et des solides cristallins. Il n'y a pas encore de théorie complète du fluide.

Un type spécial de liquide est constitué de certains composés organiques constitués de molécules allongées ou en forme de disque, ou ce que l'on appelle des cristaux liquides. L'interaction entre les molécules dans ces fluides tend à aligner les grands axes des molécules dans un ordre spécifique. À des températures élevées, le mouvement thermique l'empêche et la substance est un liquide ordinaire. À des températures inférieures à la valeur critique, une direction préférée apparaît dans le liquide et un ordre d'orientation à longue portée apparaît. Tout en conservant les principales caractéristiques d'un liquide, par exemple la fluidité, les cristaux liquides ont les propriétés caractéristiques des cristaux solides - anisotropie des propriétés magnétiques, électriques et optiques. Ces propriétés (ainsi que la fluidité) trouvent de nombreuses applications techniques, par exemple dans les horloges électroniques, les calculatrices, les téléphones portables, ainsi que dans les moniteurs d'ordinateurs personnels, les téléviseurs, comme indicateurs, affichages et écrans d'affichage d'informations numériques, alphabétiques et analogiques.

Tension superficielle

La caractéristique la plus intéressante des liquides est la présence surface libre... Associé à la surface du liquide énergie gratuiteproportionnelle à la surface de la surface libre du liquide:. Puisque l'énergie libre d'un système isolé tend vers un minimum, le liquide (en l'absence de champs externes) a tendance à prendre une forme qui a une surface minimale. Ainsi, le problème de la forme d'un liquide se réduit à un problème isopérimétrique dans des conditions supplémentaires données (distribution initiale, volume, etc.). Une goutte libre prend la forme d'une sphère; cependant, dans des conditions plus complexes, le problème de la forme d'une surface liquide devient extrêmement difficile.

Le liquide, contrairement aux gaz, ne remplit pas tout le volume du récipient dans lequel il est versé. Une interface se forme entre le liquide et le gaz (ou vapeur), qui est dans des conditions particulières par rapport au reste de la masse liquide. Les molécules dans la couche limite d'un liquide, contrairement aux molécules dans sa profondeur, ne sont pas entourées par d'autres molécules du même liquide de tous les côtés. Les forces d'interaction intermoléculaire agissant sur l'une des molécules à l'intérieur du liquide du côté des molécules voisines sont, en moyenne, mutuellement compensées (Fig. 141).

Il est connu de la mécanique que les états d'équilibre d'un système correspondent à la valeur minimale de son énergie potentielle, c'est-à-dire la surface libre du liquide a tendance à réduire sa surface. Le fluide se comporte comme si des forces agissaient tangentiellement à sa surface, réduisant (tirant) cette surface. Ces forces sont appelées forces de tension superficielle .

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introduction

Dans le monde qui nous entoure, avec la gravité, l'élasticité et le frottement, il existe une autre force à laquelle nous ne prêtons généralement pas attention. Cette force agit le long de la tangente aux surfaces de tous les fluides. La force qui agit le long de la surface du liquide perpendiculairement à la ligne limitant cette surface, tend à la réduire au minimum, est appelée force de tension superficielle... Il est relativement petit et n'a jamais d'effets puissants. Cependant, nous ne pouvons pas verser d'eau dans un verre, nous ne pouvons rien faire avec aucun liquide sans activer les forces de tension superficielle. Nous sommes tellement habitués aux effets appelés tension superficielle que nous ne les remarquons pas. Les manifestations de la tension superficielle d'un liquide dans la nature et la technologie sont étonnamment diverses. Dans la nature et dans nos vies, ils jouent un rôle important. Sans eux, nous ne pourrions pas écrire avec des stylos à l'hélium, les cartouches dans les imprimantes mettraient immédiatement une grosse tache, vidant tout notre réservoir. Il serait impossible de faire mousser vos mains - la mousse ne se formerait pas. Une pluie légère nous mouillait de part en part, et l'arc-en-ciel ne serait visible par aucun temps. La tension superficielle recueille l'eau en gouttelettes et la tension superficielle permet à la bulle d'être soufflée. En utilisant la règle «À temps pour être surpris» du professeur belge Plateau pour les chercheurs, nous envisagerons des expériences inhabituelles dans ce travail.

But du travail: vérifier expérimentalement les manifestations de la tension superficielle d'un liquide, déterminer le coefficient de tension superficielle des liquides par la méthode de chute

Étudier la littérature scientifique populaire et éducative, utiliser des documents sur Internet sur le thème "Tension superficielle";

faire des expériences prouvant que la forme appropriée d'un liquide est une boule;

expérimenter une tension superficielle décroissante et croissante;

concevoir et assembler une installation expérimentale permettant de déterminer le coefficient de tension superficielle de certains liquides par la méthode de la chute.

traiter les données reçues et tirer une conclusion.

Objet de recherche: liquides.

Partie principale. Tension superficielle

Fig 1.G. Galilei

De nombreuses observations et expériences montrent qu'un liquide peut prendre une forme dans laquelle sa surface libre a la plus petite surface. Dans sa tendance à rétrécir, le film de surface donnerait au liquide une forme sphérique, sinon pour l'attraction vers la Terre. Plus la goutte est petite, plus le jeu des forces de tension superficielle est important. Par conséquent, de petites gouttes de rosée sur les feuilles des arbres, sur l'herbe sont proches de la forme d'une boule, en chute libre, les gouttes de pluie sont presque strictement sphériques. La tendance du liquide à se contracter à un minimum possible peut être observée dans de nombreux phénomènes qui semblent surprenants. Même Galilée s'est posé la question: pourquoi les gouttes de rosée, qu'il a vues le matin sur des feuilles de chou, prennent-elles une forme sphérique? L'affirmation selon laquelle un liquide n'a pas sa propre forme ne se révèle pas tout à fait exacte. La forme appropriée du liquide est une boule, comme la forme la plus volumineuse. Les molécules d'une substance à l'état liquide sont situées presque l'une à l'autre. Contrairement aux corps cristallins solides, dans lesquels les molécules forment des structures ordonnées dans tout le volume du cristal et peuvent effectuer des vibrations thermiques autour de centres fixes, les molécules liquides ont une plus grande liberté. Chaque molécule liquide, ainsi que dans un solide, est "serrée" de tous côtés par des molécules voisines et effectue des vibrations thermiques autour d'une certaine position d'équilibre. Cependant, de temps en temps, n'importe quelle molécule peut se déplacer vers un endroit vacant adjacent. De tels sauts dans les liquides se produisent assez fréquemment; par conséquent, les molécules ne sont pas attachées à des centres spécifiques, comme dans les cristaux, et peuvent se déplacer dans tout le volume du liquide. Ceci explique la fluidité des liquides. En raison de la forte interaction entre des molécules étroitement espacées, elles peuvent former des groupes ordonnés locaux (instables) contenant plusieurs molécules. une

Fig 2. Un exemple d'ordre à courte portée des molécules liquides et d'ordre à longue portée des molécules d'une substance cristalline: 1 - eau; 2 - glace

Comment expliquer la contraction spontanée de la surface du liquide? Les molécules en surface et en profondeur du liquide sont dans des conditions différentes. Chaque molécule à l'intérieur du liquide est influencée par les forces d'attraction du côté des molécules voisines qui l'entourent de tous côtés. La résultante de ces forces est nulle. Au-dessus de la surface du liquide, il y a de la vapeur, dont la densité est plusieurs fois inférieure à la densité du liquide, et l'interaction des molécules de vapeur avec les molécules de liquide peut être négligée. Les molécules qui se trouvent à la surface du liquide ne sont attirées que par les molécules qui se trouvent à l'intérieur du liquide. Sous l'action de ces forces, les molécules de la couche de surface sont attirées vers l'intérieur, le nombre de molécules sur la surface diminue et la surface diminue. Mais toutes les molécules ne peuvent pas s'échapper de la surface dans le liquide, cela est entravé par les forces répulsives qui se produisent lorsque la distance entre les molécules diminue. A certaines distances entre les molécules attirées vers l'intérieur et les molécules sous la surface, les forces d'interaction deviennent égales à zéro, le processus de contraction de surface s'arrête. Le nombre de molécules reste sur la surface à laquelle sa surface est minimale pour un volume de liquide donné. Le liquide étant fluide, il prend une forme dans laquelle le nombre de molécules à la surface est minimal et la surface minimale pour un volume donné a une sphère, c'est-à-dire qu'une goutte de liquide prend une forme proche d'une sphérique. Le moyen le plus simple est de saisir la nature des forces de tension superficielle en observant la formation d'une goutte. Regardez attentivement comment la goutte grandit progressivement, un rétrécissement se forme - un cou - et la goutte se détache. Il ne faut pas beaucoup d'imagination pour imaginer que l'eau est, pour ainsi dire, enfermée dans un sac élastique, et ce sac se brise lorsque le poids dépasse sa force. En réalité, bien sûr, il n'y a que de l'eau dans une goutte, mais la couche superficielle de l'eau elle-même se comporte comme un film élastique étiré. La même impression est produite par le film d'une bulle de savon.

Expérience numéro 1

La tendance du liquide à minimiser l'énergie potentielle peut être observée à l'aide de bulles de savon. Le film de savon est une double couche de surface. Si vous soufflez une bulle de savon, puis arrêtez de gonfler, le volume commencera à diminuer, expulsant un courant d'air.

Tension superficielle - le phénomène de pression moléculaire sur un liquide, provoqué par l'attraction de molécules de la couche de surface vers des molécules à l'intérieur du liquide 5

L'expérience du Plateau (1849)

Figure: 4. J. Platon

La mouche qui a poussé le professeur belge à expérimenter était un cas. Par inadvertance, il a versé une petite quantité d'huile dans le mélange d'alcool et d'eau, et cela a pris la forme d'une boule. Réfléchissant à ce fait, Plateau a décrit une série d'expériences qui ont ensuite été brillamment réalisées par ses amis et étudiants. Dans son journal, il a écrit une règle pour les chercheurs: «Soyez surpris dans le temps». J'ai décidé d'étudier l'expérience Platon, mais dans une autre version: utiliser de l'huile de tournesol et de l'eau de manganèse teintée dans l'expérience.

Expérience prouvant qu'un liquide homogène prend forme avec une surface libre minimale

Option de l'expérience Platon n ° 2

1) De l'huile de tournesol a été versée dans un bêcher.

2) Une goutte d'eau de manganèse colorée d'un diamètre d'environ 5 mm a été versée dans de l'huile de tournesol avec une pipette oculaire.

) Nous avons observé des boules d'eau de différentes tailles tombant lentement vers le fond et prenant une forme ovale aplatie (Photo 2).

5) Nous avons observé comment le drop prend la forme correcte de la balle (Photo 2).

Conclusion: Le liquide, attirant les molécules de la couche superficielle, se comprime. La forme ovale aplatie s'explique par le fait que le poids de la goutte, qui ne se mélange pas à l'huile, est supérieur à la force de flottabilité. La forme correcte de la balle s'explique par le fait que la goutte flotte à l'intérieur de l'huile: le poids de la goutte est équilibré par la force de flottabilité.

En chute libre, en apesanteur, les gouttes de pluie sont pratiquement en forme de boule. Dans un vaisseau spatial, une masse de liquide suffisamment importante prend également une forme sphérique.

Coefficient de tension superficielle

En l'absence de force externe, une force de tension superficielle agit le long de la surface du liquide, ce qui minimise la surface du film. Force de tension superficielle - une force dirigée tangentiellement à la surface du liquide, perpendiculairement à la section du contour qui délimite la surface, vers sa contraction.

Ơ - le coefficient de tension superficielle est le rapport du module F de la force de tension superficielle agissant sur la limite de la couche superficielle ℓ, à cette longueur il y a une valeur constante qui ne dépend pas de la longueur ℓ. Le coefficient de tension superficielle dépend de la nature du support adjacent et de la température. Il est exprimé en newtons par mètre (N / m).

Expériences avec diminution et augmentation

Photo 3

Expérience numéro 3

Touchez le centre de la surface de l'eau avec une barre de savon.

Les morceaux de mousse de polystyrène commencent à se déplacer du centre vers les bords du navire (photo 3).

Chuté au centre du récipient avec de l'essence, de l'alcool, du détergent Fée.

Conclusion: La tension superficielle de ces substances est inférieure à celle de l'eau.

Ces substances sont utilisées pour éliminer la saleté, les taches de graisse, la suie, c.-à-d. substances insolubles dans l'eau En raison de la tension superficielle suffisamment élevée, l'eau elle-même n'a pas un très bon effet nettoyant. Par exemple, au contact d'une tache, les molécules d'eau sont plus attirées les unes vers les autres que par les particules de saleté insoluble.Le savon et les détergents synthétiques (CMC) contiennent des substances qui réduisent la tension superficielle de l'eau. Le premier savon, le détergent le plus simple, a été fabriqué au Moyen-Orient il y a plus de 5000 ans. Au début, il était principalement utilisé pour laver et traiter les ulcères et les plaies. Et seulement au 1er siècle de notre ère. l'homme a commencé à se laver avec du savon.

Au début du 1er siècle, le savon est né.

Un homme a été sauvé de la saleté et il est devenu propre dès son plus jeune âge.

Je vous parle du savon qui a rapidement donné naissance: shampoing, gel, poudre.

Le monde est devenu pur aussi!

Fig 5.F. Gunther

Les détergents sont des substances naturelles et synthétiques à effet nettoyant, en particulier les savons et détergents utilisés dans les ménages, l'industrie et les services. Le savon est produit par interaction chimique entre la graisse et l'alcali. Très probablement, il a été découvert par pur hasard, lorsque la viande a été frite au feu et que la graisse a coulé sur la cendre, qui a des propriétés alcalines. La production de savon a une longue histoire, mais le premier détergent synthétique (CMC) est apparu en 1916, il a été inventé par un chimiste allemand Fritz Guntherà des fins industrielles. Les SMS domestiques, plus ou moins inoffensifs pour les mains, ont commencé à être produits en 1933. Depuis lors, un certain nombre de détergents synthétiques (CMC) à usage restreint ont été développés, et leur production est devenue une branche importante de l'industrie chimique.

C'est à cause de la tension superficielle que l'eau elle-même n'a pas un effet nettoyant suffisant. Au contact de la tache, les molécules d'eau sont attirées les unes vers les autres, au lieu de piéger les particules de saleté, en d'autres termes, elles ne mouillent pas la saleté.

Les savons et détergents synthétiques contiennent des substances qui augmentent les propriétés mouillantes de l'eau en réduisant la tension superficielle. Ces substances sont appelées surfactants car elles agissent à la surface du liquide.

De nos jours, la production de SMS est devenue une branche importante de l'industrie chimique. Ces substances sont appelées surfactant(Tensioactif), car ils agissent à la surface du liquide. Les molécules de surfactant peuvent être représentées par des têtards. Avec leurs têtes, ils "s'accrochent" à l'eau, et avec leurs "queues" - à la graisse. Lorsque les tensioactifs sont mélangés à de l'eau, leurs molécules à la surface sont tournées vers le bas et leurs queues vers l'extérieur. En écrasant ainsi la surface de l'eau, ces molécules réduisent considérablement l'effet de la tension superficielle, aidant ainsi l'eau à pénétrer dans les tissus. Avec les mêmes "queues", les molécules de tensioactifs (Fig. 6) capturent les molécules de graisse qui les traversent. 2

Expérience n ° 4

1. verser le lait dans une soucoupe pour qu'il recouvre le fond (Photo 4)

2. A laissé tomber 2 gouttes de vert brillant sur la surface du lait

3. Nous avons observé comment le vert brillant était "emporté" du centre vers les bords. Deux gouttes de vert brillant recouvrent la majeure partie de la surface du lait! (Photo 5)

Conclusion: la tension superficielle du vert brillant est bien inférieure à celle du lait.

4. Du liquide vaisselle «fée» a été déposé sur la surface du vert brillant, nous avons vu comment ce liquide s'est répandu sur toute la surface (Photo 6)

Conclusion: la tension superficielle du détergent est inférieure au vert brillant.

Expérience numéro 5

De l'eau a été versée dans un large récipient en verre.

Des morceaux de polystyrène ont été jetés à la surface.

Touchez le centre de la surface de l'eau avec un morceau de sucre.

Le rétrécissement de la mousse commence à se déplacer des bords du vaisseau vers le centre (photo 7).

Conclusion: la tension superficielle d'une solution aqueuse de sucre est supérieure à celle de l'eau pure.

Expérience numéro 6

Élimination des taches de graisse de la surface des tissus

Ils ont humidifié un coton-tige avec de l'essence et humidifié les bords de la tache (et non la tache elle-même) avec ce coton-tige. L'essence réduit la tension superficielle, de sorte que la graisse s'accumule au centre de la tache et à partir de là, elle peut être éliminée, mais si vous mouillez la tache elle-même avec le même coton-tige, sa taille peut augmenter en raison d'une diminution de la tension superficielle.

Pour déterminer expérimentalement la valeur de la tension superficielle d'un liquide, on peut utiliser le processus de formation et de détachement des gouttes s'écoulant du compte-gouttes.

Brève théorie de la méthode de séparation des gouttelettes

Un petit volume de liquide lui-même prend une forme proche d'une boule, car, en raison de la faible masse du liquide, la force de gravité agissant sur lui est également faible. Ceci explique la forme sphérique des petites gouttelettes de liquide. La figure 1 montre des photographies montrant différentes étapes du processus de formation et de détachement des gouttelettes. La photographie a été obtenue en filmant à grande vitesse, la goutte pousse lentement, on peut supposer qu'elle est en équilibre à chaque instant du temps. La tension superficielle provoque la contraction de la surface de la gouttelette; elle a tendance à donner à la gouttelette une forme sphérique. La force de gravité place le centre de gravité de la goutte aussi bas que possible. En conséquence, la goutte est allongée (Fig. 7a).

Figure: sept. a B c d

Formation et séparation des gouttelettes

Plus la goutte est importante, plus l'énergie potentielle de la gravité est importante. Au fur et à mesure que la goutte grandit, la masse est collectée au fond et un col se forme au niveau de la goutte (figure 7b). La force de tension superficielle est dirigée verticalement le long de la tangente au col et elle équilibre la force de gravité agissant sur la goutte. Il suffit maintenant que la goutte augmente un peu et que les forces de tension superficielle n'équilibrent plus la force de gravité. Le col de la goutte se rétrécit rapidement (figure 7c) et, par conséquent, la goutte se rompt (figure 7d).

La méthode de mesure du coefficient de tension superficielle de certains liquides est basée sur la pesée des gouttelettes. Dans le cas d'un écoulement lent de liquide à partir d'un petit trou, la taille des gouttelettes résultantes dépend de la densité du liquide, du coefficient de tension superficielle, de la taille et de la forme du trou, ainsi que du débit. . Lorsque le liquide de mouillage s'écoule lentement d'un tube cylindrique vertical, la goutte résultante a la forme illustrée à la figure 8. Le rayon r du col de la goutte est lié au rayon extérieur du tube R par le rapport r \u003d kR (1)

où k est un coefficient qui dépend des dimensions du tube et du débit de sortie.

Le moment de séparation et le poids de la goutte doivent être égaux à la résultante des forces de tension superficielle agissant sur une longueur égale à la longueur du contour du col dans sa partie la plus étroite. Ainsi, on peut écrire

Mg \u003d 2πrơ (2)

En substituant la valeur du rayon du cou r à partir de l'égalité (1) et en la résolvant, on obtient

Ơ \u003d mg / 2πkR (3)

Pour déterminer la masse des gouttelettes, un nombre n de gouttelettes est pesé dans un verre de poids connu. Si la masse du verre sans gouttes et avec gouttes est respectivement M 0 et M, alors la masse d'une goutte

En substituant la dernière expression à la formule (3) et en introduisant son diamètre d au lieu du rayon du tube, on obtient la formule de calcul

ơ \u003d ((M-M0) g) / πkdn 3 (4)

Travaux de recherche "Détermination du coefficient de tension superficielle de certains liquides par la méthode de chute"

But de l'étude: pour déterminer le coefficient de tension superficielle d'un liquide par la séparation des gouttes de certains liquides. Dispositifs: installation de mesure du coefficient de tension superficielle, échelles, poids, verre, pied à coulisse, chronomètre. Matériaux: détergents: "Fairy", "Aos", lait, alcool, essence, solutions en poudre: "Myth", "Persil", shampooings "Fruttis", « Pantène», «Schauma» et " Fruttis ", gels douche " Sensen», «Montpensier»et " Découvrir».

Description de l'appareil.

Pour déterminer le coefficient de tension superficielle, une installation a été assemblée, constituée d'un trépied, sur lequel une burette avec un liquide d'essai a été installée. A l'extrémité de la burette, un tube-embout a été fixé, au bout duquel se forme une goutte. Les gouttelettes ont été pesées dans une tasse spéciale.

Progrès de la recherche

En utilisant un pied à coulisse, le diamètre du tube de pointe a été mesuré trois fois et la valeur moyenne de d a été calculée.

On a pesé une tasse propre et sèche (M 0).

Avec l'aide du robinet, les burettes ont atteint la vitesse de goutte à goutte

15 gouttes par minute.

Versez 60 gouttes de liquide de la burette dans un verre en comptant exactement le nombre de gouttes versées.

Pesé un verre de liquide. (M)

Nous avons substitué les valeurs obtenues dans la formule ơ \u003d ((M-M0) g) / πkdn

Le coefficient de tension superficielle a été calculé.

Expérimentez trois fois

La valeur moyenne du coefficient de tension superficielle a été calculée.

Le coefficient SI de tension superficielle est mesuré en N / m.

Tableau 1

Les résultats de la détermination du coefficient de tension superficielle (N / m)

Conclusion:Parmi les détergents de cuisine étudiés, tous les autres paramètres étant les mêmes affectant la qualité du "lavage", il est préférable d'utiliser le " Fée". À partir des poudres de lavage étudiées " Mythe", Car ce sont leurs solutions qui ont la tension superficielle la plus faible. Par conséquent, le premier remède (" Fée») Mieux aide à éliminer les graisses insolubles dans l'eau de la vaisselle, étant un émulsifiant - un moyen qui facilite la production d'émulsions (suspensions des plus petites particules d'une substance liquide dans l'eau). La deuxième (" Mythe») Mieux laver le linge, pénétrant dans les pores entre les fibres des tissus. Notez que lorsque vous utilisez des détergents pour la cuisine, nous forçons la substance (en particulier la graisse) à se dissoudre dans l'eau au moins pendant un certain temps, car il est "écrasé" en les plus petites particules. Pendant ce temps, il est recommandé de laver le détergent appliqué avec un jet d'eau propre et de ne pas rincer la vaisselle après un certain temps dans le récipient. De plus, la tension superficielle des shampooings et des gels douche a été étudiée. En raison de la viscosité assez élevée de ces fluides, il est difficile de déterminer avec précision leur coefficient de tension superficielle, mais ils peuvent être comparés. Les shampooings ont été testés (en arrachant les gouttes) "Pantène», «Schauma» et " Fruttis "ainsi que des gels douche " Sensen», «Montpensier»et " Découvrir».

Conclusion:

La tension superficielle est réduite dans les shampooings d'affilée "Fruttis" - «Schauma» - "Pantène", en gels - dans une rangée «Montpensier» - "Découvrir" - "Sens".

La tension superficielle des shampooings est inférieure à la tension superficielle des gels (par exemple, " Pantène» < «Les sens«A 65 mN / m), ce qui justifie leur utilité: shampooings - pour laver les cheveux, gels - pour laver le corps.

Avec tout le reste des mêmes caractéristiques qui affectent la qualité du lavage, il est préférable d'utiliser les shampooings étudiés «Pantène» (Fig. 9), des gels douche testés - «Sens» (Fig. 10).

La méthode de séparation des gouttelettes, bien que peu précise, est utilisée dans la pratique médicale. Cette méthode est utilisée pour déterminer la tension superficielle du liquide céphalo-rachidien, de la bile, etc. à des fins de diagnostic.

Conclusion

1. Reçu une confirmation expérimentale des conclusions théoriques , prouvant qu'un liquide homogène prend une forme avec une surface libre minimale

2. Des expériences ont été menées avec une diminution et une augmentation de la tension superficielle, dont les résultats ont prouvé que le savon et les détergents synthétiques contiennent des substances qui augmentent les propriétés de mouillage de l'eau en réduisant la force de tension superficielle.

3. Pour déterminer le coefficient de tension superficielle des liquides

a) une brève théorie de la méthode de séparation des gouttelettes a été étudiée;

b) une installation expérimentale a été conçue et assemblée;

c) les valeurs moyennes du coefficient de tension superficielle de divers liquides ont été calculées, des conclusions ont été tirées.

4. Les résultats des expériences et des recherches sont présentés sous forme de tableaux et de photographies.

Travailler sur le projet m'a permis d'acquérir une connaissance plus large de la section de physique "Tension superficielle".

Je voudrais terminer mon projet avec les mots du grand scientifique physicien

A. Einstein:

«Il me suffit d'expérimenter la sensation du mystère éternel de la vie, d'être conscient et de comprendre intuitivement la merveilleuse structure de tout ce qui existe et de lutter activement afin de saisir même le plus petit grain de raison qui se manifeste dans la Nature»

Liste des sources et de la littérature utilisées

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

http://www.agym.spbu.ru/

Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu. L., Myakishev G.Ya., Physique, manuel de 9e année du secondaire - 4e édition - M.: Education, 1988 - 271 p.

Kasyanov V.A., Physique, 10e année, manuel pour les établissements d'enseignement général, M.: Outarde, 2001. - 410 p.

Pinsky A.A. Physique: manuel. Un manuel pour 10 niveaux avec une étude approfondie de la physique. M.: Éducation, 1993. - 416 p.

Yufanova I.L. Soirées divertissantes en physique au lycée: un livre pour le professeur. - M.: Éducation, 1990. -215 s

Chuyanov V.Ya., Dictionnaire encyclopédique d'un jeune physicien, M.: Pédagogie, 1984. - 350 p.

1 1 http://www.physics.ru/

2 http://greenfuture.ru

Cette leçon abordera les fluides et leurs propriétés. Du point de vue de la physique moderne, les liquides sont le sujet de recherche le plus difficile, car par rapport aux gaz, on ne peut pas parler d'une énergie d'interaction négligeable entre les molécules, et par rapport aux solides, on ne peut pas parler d'un arrangement ordonné de molécules liquides (il n'y a pas d'ordre à longue distance dans un liquide) ... Cela conduit au fait que les liquides ont un certain nombre de propriétés intéressantes et leurs manifestations. Une de ces propriétés sera abordée dans cette leçon.

Pour commencer, discutons des propriétés spéciales que possèdent les molécules de la couche proche de la surface d'un liquide par rapport aux molécules de la masse.

Figure: 1. La différence entre les molécules de la couche proche de la surface et les molécules dans le volume du liquide

Considérons deux molécules A et B. La molécule A est à l'intérieur du liquide, la molécule B est à sa surface (Fig. 1). La molécule A est uniformément entourée par d'autres molécules liquides, par conséquent, les forces agissant sur la molécule A du côté des molécules tombant dans la sphère d'interaction intermoléculaire sont compensées, ou leur résultante est nulle.

Qu'arrive-t-il à la molécule B, située à la surface du liquide? Rappelons que la concentration de molécules de gaz au-dessus du liquide est bien inférieure à la concentration de molécules de liquide. La molécule B est entourée d'un côté par des molécules liquides et de l'autre par des molécules de gaz hautement raréfiées. Étant donné que beaucoup plus de molécules agissent sur elle du côté du liquide, la résultante de toutes les forces intermoléculaires sera dirigée dans le liquide.

Ainsi, pour qu'une molécule pénètre dans la couche superficielle depuis la profondeur du liquide, il faut travailler contre des forces intermoléculaires non compensées.

Rappelons-nous que le travail est un changement d'énergie potentielle, pris avec un signe moins.

Cela signifie que les molécules de la couche superficielle, par rapport aux molécules à l'intérieur du liquide, ont un excès d'énergie potentielle.

Cet excès d'énergie est une composante de l'énergie interne du liquide et est appelé énergie de surface... Elle est notée et mesurée, comme toute autre énergie, en joules.

Évidemment, plus la surface du liquide est grande, plus il y a de molécules qui ont un excès d'énergie potentielle, et donc plus l'énergie de surface est grande. Ce fait peut être écrit comme le ratio suivant:

,

où est la surface, et est le coefficient de proportionnalité, que nous appellerons coefficient de tension superficielle, ce coefficient caractérise l'un ou l'autre liquide. Écrivons une définition stricte de cette quantité.

La tension superficielle d'un liquide (coefficient de tension superficielle d'un liquide) est une grandeur physique qui caractérise un liquide donné et est égale au rapport de l'énergie superficielle à la surface du liquide

Le coefficient de tension superficielle est mesuré en newtons par mètre.

Discutons de ce qui détermine le coefficient de tension superficielle d'un liquide. Pour commencer, rappelez-vous que le coefficient de tension superficielle caractérise l'énergie d'interaction spécifique des molécules, ce qui signifie que les facteurs qui modifient cette énergie modifieront également le coefficient de tension superficielle d'un liquide.

Ainsi, le coefficient de tension superficielle dépend de:

1. La nature du liquide (les liquides «volatils», tels que l'éther, l'alcool et l'essence, ont une tension superficielle inférieure à celle des liquides «non volatils» - eau, mercure et métaux liquides).

2. Températures (plus la température est élevée, plus la tension superficielle est basse).

3. La présence de tensioactifs qui réduisent la tension superficielle (tensioactif), tels que du savon ou de la lessive en poudre.

4. Propriétés du gaz adjacent au liquide.

Notez que le coefficient de tension superficielle ne dépend pas de la surface, car pour une molécule proche de la surface prise séparément, il est absolument sans importance de savoir combien de molécules sont autour. Faites attention au tableau, qui montre les coefficients de tension superficielle de diverses substances, à une température:

Tableau 1. Coefficients de tension superficielle des liquides à l'interface avec l'air, à

Ainsi, les molécules de la couche proche de la surface ont un excès d'énergie potentielle par rapport aux molécules de la majeure partie du liquide. Au cours de la mécanique, il a été montré que tout système tend à un minimum d'énergie potentielle. Par exemple, un corps jeté d'une certaine hauteur aura tendance à tomber. De plus, vous vous sentez beaucoup plus à l'aise allongé, puisque dans ce cas, le centre de masse de votre corps est situé le plus bas possible. À quoi conduit la volonté de réduire son énergie potentielle dans le cas d'un liquide? Puisque l'énergie de surface dépend de la surface, il est énergétiquement désavantageux pour tout liquide d'avoir une grande surface. En d'autres termes, à l'état libre, le liquide aura tendance à rendre sa surface minimale.

Ceci est facile à vérifier en expérimentant avec un film de savon. Si vous trempez un cadre métallique dans de l'eau savonneuse, un film savonneux se formera dessus et le film prendra une forme telle que sa surface soit minimale (Fig. 2).

Figure: 2. Chiffres de la solution savonneuse

Il est possible de vérifier l'existence de forces de tension superficielle à l'aide d'une expérience simple. Si un fil est attaché à l'anneau de fil à deux endroits, et de sorte que la longueur du fil soit légèrement supérieure à la longueur de la corde reliant les points d'attache du fil, et que l'anneau de fil est trempé dans de l'eau savonneuse (Fig.3a), le film de savon resserrera toute la surface de l'anneau et le fil reposera sur un film de savon. Si vous déchirez le film d'un côté du fil maintenant, le film de savon restant de l'autre côté du fil se contractera et resserrera le fil (Fig. 3b).

Figure: 3. Une expérience pour détecter les forces de tension superficielle

Pourquoi est-ce arrivé? Le fait est que la solution savonneuse restant sur le dessus, c'est-à-dire liquide, a tendance à réduire sa surface. Ainsi, le fil est tiré vers le haut.

Nous étions donc convaincus de l'existence de la force de tension superficielle. Maintenant, apprenons à le calculer. Pour ce faire, faisons une expérience de pensée. Plongez une armature métallique dans l'eau savonneuse dont l'un des côtés est mobile (Fig. 4). Nous allons étirer le film de savon, en agissant sur le côté mobile du cadre par la force. Ainsi, trois forces agissent sur la barre transversale - une force externe et deux forces de tension superficielle agissant le long de chaque surface du film. En utilisant la deuxième loi de Newton, nous pouvons écrire que

Figure: 4. Calcul de la force de tension superficielle

Si, sous l'action d'une force externe, la barre transversale se déplace d'une distance, cette force externe fera le travail

Naturellement, grâce à ce travail, la surface du film augmentera, ce qui signifie que l'énergie de surface augmentera également, ce que nous pouvons déterminer grâce au coefficient de tension superficielle:

Le changement de surface, à son tour, peut être déterminé comme suit:

où est la longueur de la partie mobile du cadre métallique. En tenant compte de cela, nous pouvons écrire que le travail de la force externe est égal à

En faisant correspondre les côtés droits entre (*) et (**), nous obtenons une expression de la force de tension superficielle:

Ainsi, le coefficient de tension superficielle est numériquement égal à la force de tension superficielle, qui agit par unité de longueur de la ligne délimitant la surface

Ainsi, nous nous sommes à nouveau assurés que le liquide a tendance à prendre une forme telle que sa surface spécifique soit minimale. On peut montrer que pour un volume donné, la surface du ballon sera minimale. Ainsi, si d'autres forces n'agissent pas sur le liquide ou si leur effet est faible, le liquide aura tendance à prendre une forme sphérique. Ainsi, par exemple, l'eau se comportera en apesanteur (Fig. 5) ou en bulles de savon (Fig. 6).

Figure: 5. L'eau en apesanteur

Figure: 6. Bulles de savon

La présence de forces de tension superficielle peut également expliquer pourquoi l'aiguille métallique «repose» à la surface de l'eau (Fig. 7). Une aiguille, qui est soigneusement placée sur une surface, la déforme, augmentant ainsi la surface de cette surface. Ainsi, une force de tension superficielle apparaît, qui tend à réduire un tel changement de surface. Les forces de tension superficielle résultantes seront dirigées vers le haut et compenseront la force de gravité.

Figure: 7. Une aiguille à la surface de l'eau

Le principe de la pipette peut être expliqué de la même manière. La gouttelette, sur laquelle agit la force de gravité, est tirée vers le bas, augmentant ainsi sa surface. Naturellement, des forces de tension superficielle apparaissent, dont la résultante est opposée à la direction de la gravité, et qui ne permettent pas à la gouttelette de s'étirer (Fig. 8). Lorsque vous appuyez sur le capuchon en caoutchouc de la pipette, vous créez une pression supplémentaire qui favorise la gravité et, par conséquent, la gouttelette tombe.

Figure: 8. Le principe de fonctionnement de la pipette

Voici un autre exemple de la vie quotidienne. Si vous mettez un pinceau dans un verre d'eau, ses poils vont peloter. Si vous sortez maintenant cette brosse de l'eau, vous remarquerez que tous les poils sont collés les uns aux autres. Cela est dû au fait que la surface de l'eau adhérant à la brosse sera minimale dans ce cas.

Et un autre exemple. Si vous voulez construire un château de sable sec, il est peu probable que vous réussissiez, car le sable s'effondrera sous l'influence de la gravité. Cependant, si vous mouillez le sable, il conservera sa forme en raison des forces de tension superficielle de l'eau entre les grains de sable.

Enfin, nous notons que la théorie de la tension superficielle permet de trouver de belles et simples analogies lors de la résolution de problèmes physiques plus complexes. Par exemple, lorsque vous devez construire une structure à la fois légère et durable, la physique de ce qui se passe dans les bulles de savon vient à la rescousse. Et il a été possible de construire le premier modèle adéquat du noyau atomique en comparant ce noyau atomique à une goutte de liquide chargé.

Bibliographie

1. G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. "Physique 10". - M.: Éducation, 2008.
2. Ya. E. Geguzin "Bubbles", Bibliothèque Kvant. - M .: Nauka, 1985.
3. B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky "Fondamentaux de la physique" vol. 1.
4. GS Landsberg "Manuel de physique élémentaire" v. 1.

1. Nkj.ru ().
2. Youtube.com ().
3. Youtube.com ().
4. Youtube.com ().

Devoirs

1. Après avoir résolu les problèmes de cette leçon, vous serez en mesure de vous préparer aux questions 7,8,9 GIA et aux questions A8, A9, A10 de l'examen.
2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "La physique. Collection de problèmes grade 10 "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. En vous basant sur le problème 5.47, déterminez le coefficient de tension superficielle de l'eau et de la solution savonneuse.

Liste des questions et réponses

Question: Pourquoi la tension superficielle change-t-elle avec la température?

Répondre:À mesure que la température augmente, les molécules du liquide commencent à se déplacer plus rapidement et, par conséquent, les molécules surmontent plus facilement les forces potentielles d'attraction. Cela conduit à une diminution des forces de tension superficielle, qui sont des forces potentielles qui lient les molécules de la couche proche de la surface du liquide.

Question: Le coefficient de tension superficielle dépend-il de la densité du liquide?

Répondre:Oui, c'est le cas, car l'énergie des molécules de la couche proche de la surface du liquide dépend de la densité du liquide.

Question: Quels sont les moyens de déterminer le coefficient de tension superficielle d'un liquide?

Répondre:Dans le cours scolaire, deux méthodes de détermination du coefficient de tension superficielle d'un liquide sont étudiées. La première est la méthode de détachement des fils, son principe est décrit dans le problème 5.44 du travail à domicile, la seconde est la méthode de comptage des gouttes décrite dans le problème 5.47.

Question: Pourquoi les bulles de savon s'effondrent-elles après un certain temps?

Répondre:Le fait est qu'au bout d'un certain temps, sous l'influence de la gravité, la bulle devient plus épaisse en bas qu'en haut, puis, sous l'influence de l'évaporation, elle s'effondre à un moment donné. Cela conduit au fait que la bulle entière, comme un ballon, s'effondre sous l'action de forces de tension superficielle non compensées.