Мир вокруг нас. Капли и их свойства

Негосударственное частное общеобразовательное учреждение

«Центр Индивидуального Обучения и Развития»

ПРОЕКТ

научно-исследовательской работы по физике

«Мир вокруг нас»

Проект выполнили:

ученики 8 классов

Руководитель проекта:

учитель физики

Мисуна Георгий Яковлевич

г. Котельники 2016 год

Содержание

1. Введение с.2

2. Цель работы с.2

3. О предмете исследования. с.3

4. О поверхностной энергии и поверхностном натяжении. с.3

5. На пути к цели с.4

6. Выводы с.6

7. Рекомендации с.7

8. Литература с.8

Введение

Несколько слов об актуальности темы нашего проекта – от фактов к удивлению.

Бесспорны такие факты:

Ядерная энергетика – одно из направлений технологического прорыва нашей страны.

Следующая ступень – управляемый термоядерный синтез, овладение которым открывает колоссальные перспективы для всего человечества. Сегодня российские физики близки к его осуществлению.

Современная высокотехнологичная промышленность нуждается в новых материалах с небывалыми, наперёд заданными свойствами – керамическими и металлокерамическими. Спектр их применения необычайно широк: от электроники до ракетостроения.

А теперь об удивительном. В основе изучения свойств атомных ядер, и получения керамических материалов лежали выводы, сделанные при изучении поведения капель воды.

Наша работа целиком, от замысла до воплощения, стала результатом знакомства с научно-популярной книгой известного советского физика Якова Евсеевича Гегузина. Он является одним из основоположников теории спекания, лежащей в основе получения современных керамических и металлокерамических материалов.

Яков Евсеевич Гегузин (1918 – 1987)

А книга, которая оказала на нас неизгладимое впечатление, называется просто – «Капля». Она открыла для нас мир, полный поэзии, в котором внимательный исследователь улавливает строгие физические закономерности.

Мы решили вслед за автором окунуться в мир капель. Он оказался звонким, поющим, шумным, полным радужных красок, блестящим и ослепительно сверкающим на солнце.

Цель работы – проследить на опыте за поведением капель, сравнить его с выводами теории и получить видеоматериалы для иллюстрации ядерных процессов и процессов спекания.

О предмете исследования.

Почему, именно, капли? В чем их особенность? Мы знаем, что тела в жидком и газообразном состоянии принимают форму того сосуда, который они заполняют. Если сосуда нет, то эти тела растекаются, или рассеиваются. За исключением тел, которые мы называем «капелей жидкости». Каплям не нужны сосуды. Они вполне обходятся без них. «Сосудом» для них является «поверхность капли», точнее, слой своих же молекул, оказавшихся на «границе», за которой находятся молекулы другого вещества.

Почему же так происходит?

О поверхностной энергии и поверхностном натяжении.

Внутри жидкости и газа помимо внешнего давления и гидростатического, действуют силы молекулярного взаимодействия. На каждую молекулу, находящуюся на поверхности жидкости, действует сила, стремящаяся втянуть её внутрь жидкости. Эти силы называют по имени голландского ученого Ван-дер-Ваальса, впервые предложившего учитывать их при описании реальных газов.

Йоханнес Дидерик Ван-дер-Ваальс (1837 – 1923)

Природа этих сил электрическая. Так, например, молекула воды представляет собой диполь – двухполюсник. Т.е., положительные и отрицательные электрические заряды в ней разнесены в стороны на некоторое расстояние. Поэтому две соседние молекулы будут притягиваться друг к другу, развернувшись противоположными полюсами.

Равнодействующая сил Ван-дер-Ваальса для молекул внутри жидкости равна нулю. Для молекул на поверхности жидкости равнодействующая направлена внутрь перпендикулярно к поверхности жидкости. Под действием этих сил жидкость стремится сократить свою поверхность и сжимается. Потому маленькие капли имеют форму близкую к сферической. Чтобы увеличить поверхность жидкости надо совершить работу против сил поверхностного сжатия. Работа, необходимая для создания поверхности единичной площади, называется поверхностным натяжением жидкости.

Дополнительное давление, создаваемое силами поверхностного сжатия (или натяжения), называют лапласовским (или капиллярным) — определяется известной формулой:

Р_л = 2α/R ~ 1/R, в которой α – поверхностное натяжение, а R – радиус капли. Чем меньше радиус капли, тем больше давление сжимает её. Каплю радиусом 10 нанометров (R  = 10^-8 м) сжимает лапласовское давление в 150 атмосфер.

На пути к цели

Опыт – сын ошибок трудных.

А.С. Пушкин

Мы решили воспроизвести некоторые опыты, описанные в книге «Капля». Хорошо известный метод наблюдения, казалось бы, не требует усилий. Но на деле получить нужные капли, в нужном месте, и зафиксировать камерой их поведение оказалось непросто. Пришлось делать десятки опытов.

1. Слияние двух капель

Поверхностное натяжение – это работа по «созданию» единицы площади поверхности жидкости. При увеличении поверхности мы можем говорить об увеличении «поверхностной энергии» капли. Чтобы расплющить каплю, надо приложить силу и совершить работу. Без внешнего воздействия, капля стремится принять сферическую форму.

Площадь сферы S =4πR², объём сферы V= 4πR³/3.

S/V=3/R; (1)

При слиянии двух капель в одну происходит уменьшением площади поверхности, приходящейся на единицу объёма жидкости, содержащихся в этих каплях.

Рассмотрим слияние 2-х одинаковых капель.

V= m/ρ; V₂=2m/ρ;

V₂= 8πR³/3=4πR'³/3,

где R'= R∙2^1/3 – радиус образовавшейся капли.

R' увеличивается, отношение S₂/V₂ в соответствии с (1), - уменьшается.

То есть слияние капель приводит к уменьшению поверхностной энергии. Так это вытекает из теории. А вот что мы наблюдали в эксперименте.

Мы видим, что на начальном этапе выпрямляются наиболее вогнутые участки перешейка сливающихся капель. Там меньше радиус сферической поверхности и больше лапласовское давление, что мы и наблюдаем. Перешеек расширяется.

При этом мы пренебрегаем ростом гидростатического давления внутри капли, образовавшейся в результате слияния. Оно растёт пропорционально радиусу капли. При некотором значении радиуса гидростатическое давление сравнивается с давлением, создаваемым силами Ван-дер-Ваальса. При дальнейшем увеличении размеров лапласовское давление уже не может противостоять гидростатическому давлению и капля растекается.

Это мы наблюдали на каплях воздуха в воде – воздушных пузырьках. Что объединяет каплю воды в воздухе и каплю воздуха в воде (воздушный пузырек)? Их размер и форма определяется поверхностью, которая ограничивает как обычную каплю воды, так и пузырёк в воздухе. И, следовательно, все рассуждения, полученные для маленьких капель воды, распространяются на воздушные пузырьки в воде.

2. Испарение капель

Молекулы на поверхности маленькой капли удерживаются меньшим числом связей, чем молекулами на поверхности большой капли, или жидкости в сосуде. Чем меньше капля, тем меньше соседей у поверхностной молекулы, меньше связей, и ей легче оторваться, и перейти в пар.

Следовательно, концентрация молекул пара вблизи поверхности маленькой капли будет больше, чем у поверхности большой капли. Молекулы устремляются туда, где свободнее. Давление пара вокруг маленькой капли убывает, динамическое равновесие между паром и жидкостью установиться не может, и маленькая капля будет непрерывно испаряться.

Выводы.

Аналогии.

Почему капли и пузырьки стали объектом пристального изучения физиков? Причина в том, что многие законы природы проявляются одинаково в совершенно разных условиях. Ну, что общего может быть между ядром атома и каплями воды? Как оказалось, представление ядра в виде капли позволило понять многое в строении вещества.

Капельная модель ядра была предложена выдающимся советским физиком Яковом Ильичем Френкелем. «Силы притяжения,– говорил он,– которые удерживают протоны и нейтроны в ядре, велики и могут противостоять силам электрического отталкивания, действующим между протонами в ядре. И это несмотря на то, что расстояния между протонами ничтожно малы – около 10^-15–10^-14 м.

Сравнив энергии различных ядер и их геометрические размеры, можно убедиться, что силы, удерживающие ней­троны и протоны в ядре, сходны с обычными силами межмолекулярного взаимодей­ствия в жидкостях в том, что они — ″коротко­действующие″».

Яков Ильич Френкель (1894 – 1952)

 Именно Френкель обратил внимание на то, что ядерное вещество, как и обычная жидкость, имеет постоянную плотность. Т.е. массы различ­ных ядер оказываются пропорциональными их объемам, и, следовательно, у всех ядер плотность одинакова.

Эти соображения позволили говорить о ядерной жид­кости, и о ядре, как о капле. Из них же следовал вывод о том, что существует предел для объёмов и масс атомных ядер, выше которого они существовать не смогут, и будут «растекаться», то есть распадаться. (Вспомним воздушные пузырьки больших объёмов!)

Эти аналогии позволяют наглядно представить процессы, происходящие в атомном реакторе, где ядра-капли делятся на части, а так же слияние ядер в термоядерной реакции.

Испарение «капли пустоты» в кристалл. Эта аналогия объясняет, как пористые кристаллические тела самопроизвольно при высоких температурах превра­щаются в плотные.

Для получения керамических и металлокерамических материалов с наперёд заданными свойствами исходные вещества приготавливают в виде мельчайших порошков, перемешивают их и спрессовывают. После этого нагревают до температур, при которых соседние порошинки начинают «сливаться» как маленькие капли жидкости. Внутри образовавшегося материала остаются полости – «пузырьки». Лапласовское давление втягивает пограничные атомы внутрь пузырьков, а в кристаллической решетки остаются незанятые места – «вакансии». Концентрация вакансий зависит от размеров пузырька и растёт по мере уменьшения его объёма. Пузырек – капля пустоты – как бы испаряется в кристалл. В итоге из порошков получаем плотный материал нужного состава. Полученные кадры видео позволяют наглядно представить эти процессы.

Рекомендации

Приступая к нашей исследовательской работе, мы, помимо удовлетворения собственного любопытства, хотели бы:

во-первых, увлечь ребят чтением научно-популярных книг по физике, математике, химии, биологии и пр.;

во-вторых, хотелось бы, чтобы ученые, работающие в разных отраслях науки, писали больше книг о своих исследованиях, на доступном для школьников языке;

и, в-третьих, чтобы школьники, читая эти книги, учились наблюдать и анализировать явления окружающего мира, учились делать выводы из увиденного, и впоследствии становились исследователями, инженерами, способными как сказал поэт:

В одном мгновеньи видеть вечность,

Огромный мир в зерне песка,

В единой горсти — бесконечность,

И небо — в чашечке цветка!

(Уильям Блейк)

Литература

1. Я.Е. Гегузин. Капля. ИД «Интелект», М., 2014.

2. Д.В. Сивухин. Термодинамика и молекулярная физика. т.2. Физматлит, М., 2006.

3. Варламов А.А. За какое время сливаются капли? Квант. 1990 , № 11, с. 42-44.

4. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/

1