Подъем воды Авторы Вахрушева Мария Полиенко Юлия

* «Подъем воды» Авторы: Вахрушева Мария Полиенко Юлия Сукрушев Илья Овсяник Дмитрий Эйрих Эдуард

*Фотография воды *

* Выяснить при каких условиях, и по каким причинам вода поднимается в сосуде, если поместить свечу в центр глубокой тарелки с водой, поджечь и накрыть ее колпаком. Исследовать, описать и объяснить это явление. Вода Подъем воды под давлением

* 1) С изменением давления воздуха внутри сосуда 2) С изменением температуры. 3) С объёмом сосуда

* Теоретические: Провести теоретическое исследование, изучив информацию … - найти теоретическое объяснения явлению подъема воды в сосуде Практические: Провести практическое исследование, представляющее из себя серии опытов, при которых происходит подъем воды с изменением условий: давления, температуры, объема сосуда и высоты свечки. Аналитические: Описать происходящие явления, установить их причины с точки зрения физики. Сделать выводы.

* С целью объяснения возможных причин явления изучены следующие темы: * Виды растворов, коллоидные растворы. * Испарение. Давление насыщенного пара. * Поверхностное натяжение. Капля. * Гидростатическое давление. * Смачивание. Коллоидные растворы (золи)- это высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы, линейные размеры дисперсионных частиц имеют размер от 1 до 100 нм.

* В процессе работы над теоретическим материалом, появилась необходимость в изучении следующих вопросов: *Оптический эффект Тиндаля - рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. *Квантовый эффект Казимира - явление из квантовой физики, вызывает взаимное притяжение объектов в вакууме. Хендрик Казимир, занимаясь изучением коллоидных растворов, открыл эффект в 1948 году, но впервые сила Казимира была измерена в 1997 году

Экспериментальная часть

* Исследование 1 Определение кофе как коллоидного раствора чай кофе

* Исследование 2 Образование следа по периметру капли некоторых коллоидных растворов Кофе растворимый Коричневая акварельная краска Кофе молотый - осадок Нежирное молоко Оказалось: Высохшие капли истинных растворов, эмульсий и суспензий не оставляют следа в виде кольца по периметру капли!!!

* Исследование 3 Влияния концентрации растворенного кофе на внешний вид следа по периметру капли Более низкая концентрация Средняя концентрация Более высокая концентрация

* Исследование 4 Влияние различной температуры высыхания на внешний вид следа Более низкая температура Комнатная температура Более высокая температура

* Исследование 5 Влияние качества поверхности на внешний вид следа по периметру капли Смачиваемая поверхность Впитывающая бумага Несмачиваемая поверхность

* Исследование 5 Влияние качества поверхности на внешний вид следа по периметру капли Шероховатая поверхность Нежирное молоко на шероховатой поверхности

* Исследование 6 Исследование зависимости внешнего вида капли от высоты падения Мелкие объекты привлекают большое внимание ученых всего мира, так как связаны с развитием нанотехнологий Рисунок «Падение капли, снятое сверхскоростной камерой» .

Аналитическая часть

* Исследование 7 Зависит ли толщина кольца от размера капли? Определение количества пикселей

Причины: 1 причина: взаимодействие 1. Из-за сил поверхностного натяжения молекулы воды стремятся к её центру. молекул воды и дисперсионных 2. Молекулы воды в растворе взаимодействуют между собой за частниц счёт водородных связей более сильно. Таким образом, концентрация дисперсионных частиц у поверхности больше, чем внутри капли. Верхние частицы «стекают» к краю и при высыхании происходит закрепление границы. *

Скорость испарения на поверхности капли различна также по 2 причина: крайней мере по двум причинам: различная скорость 1. Давление насыщенного пара на поверхности капли испарения ниже над плоской поверхностью капли, следовательно, с краёв капли испаряется больше молекул воды, а значит, у краёв испарение интенсивней. 2. Более интенсивное испарение капли с краёв вызывает охлаждение краёв, сила поверхностного натяжения там увеличивается. *

* Докажем , что скорость испарения на поверхности капли различна Давление насыщенного пара над искривленной поверхностью искривлённой жидкости определяется по формуле: Из данной формулы следует, что при меньшем радиусе кривизны капли, давление насыщенного пара над ней больше (r↓ →рн↑), т. е. давление насыщенного пара у краёв больше. Следовательно, испарение с верхней части капли испаряется меньшее количество молекул, чем с с её краёв. Т. е. , испарение с верхней более плоской части капли менее интенсивно, капля сильнее охлаждается с краев.

Для многих жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критической температуры хорошо выполняется линейная зависимость: где σ и σ0 – коэффициент поверхностного натяжения при температурах T и T 0 соответственно, α =10 -4 Н/м·К – температурный коэффициент поверхностного натяжения. Таким образом, чем меньше Т, тем больше коэффициент поверхностного натяжения . Т. е. поверхностное натяжение у краёв капли больше.

Края капли стремятся уменьшить свою поверхность сильнее, чем середина, вдоль краёв образуется кольцо. Возможно, данное явление имеет решающее значение при образовании следа по периметру высохшей капли. При процессе высыхания капли через какое-то время она «схлапывается наружу» , образуя след в виде кольца. Границы у краёв капли при высыхании закрепляются, и к периметру выдавливаются в том числе и дисперсионные частицы, находящиеся ближе к центру. Именно это утверждение может доказывать то, что толщина кольца не зависит от размера капли прочих равных условиях.

* 3 причина: течения внутри капли Причины: Из-за того, что испарение с периферии происходит более интенсивно, в капле развиваются течения жидкости по направлению к краям капли. Течения выносят частицы к краям, а так как вода там испаряется быстрее, им легче закрепиться на неровностях у границы.

Высота гидростатического столба у краёв * 4 причина: различное жидкости меньше, чем у её центра. гидростатическое давление у Следовательно, в центре капли производится краёв капли и её центра большее давление, и соответственно, частицы вытесняются к периметру капли. Разница давлений незначительна, вероятно, этот параметр на образования кольца не влияет.

выводы

* Выводы: На образование пятна высохшей капли коллоидного раствора влияют следующие параметры: * Концентрация дисперсионных частиц в капле раствора. * Смачивание каплей поверхности. * Свойства поверхности, на которой капля расположена. * Размер дисперсионных частиц в растворе. Толщина кольца, образующегося по периметру высыхающей капли не зависит: * От размера капли *От температуры * От высоты падения капли(при условиях ее целостности). Высохшие капли истинных растворов, эмульсий и суспензий не оставляют следа в виде кольца по периметру капли.

* Выводы: Причинами образования кольца по периметру высохшей капли коллоидного раствора могут являться следующие: ЗНАЧИТЕЛЬНО ВЛИЯЮТ * Различная скорость испарения на поверхности капли * Сила поверхностного натяжения * Течения внутри капли направленные к краям * Взаимодействие молекул воды между собой , взаимодействие молекул воды и дисперсионных частиц ПРАКТИЧЕСКИ НЕ ВЛИЯЮТ * Различное гидростатическое давление у краёв капли и её центра * Квантовый эффект Казимира НЕ ИЗУЧАЛОСЬ * Влияние электрических зарядов дисперсионных частиц в коллоидных растворах.

* В литературных источниках, на тематических сайтах предлагается только один способ определения коллоидного раствора с помощью эффекта Тиндаля – рассеяние светового пучка при прохождении через оптически неоднородную Коллоидный раствор можно определить среду. по образованному следу в виде кольца по периметру высохшей капли (в этом Результатом данного практического выводе большая практическая польза) исследования является выявление ещё одного способа

* ЭФФЕКТ КАЗИМИРА Движение частиц в капле кофе Проблема слипания объектов в нанотехнология х В нанотехнологии эффект Казимира приводит к слипанию частиц между собой. Поэтому любые способы решения этой проблемы представляют большой интерес. Кроме слипания частиц наличие эффекта Казимира вызывает сильное трение в наномире, в частности в некоторых микроэлектромеханических системах. Таким образом, возможность контроля над эффектом Казимира позволит понизить трение или даже избавиться от него. Учёные надеются, что обратив внимание на квантовое явление, известное как эффект Казимира, удастся решить проблему слипания крошечных объектов, которая возникает при создании наномеханизмов.

Интересный факт - сила Казимира Оценим значения силы Казимира Сила притяжения, действующая на единицу площади для двух параллельных идеальных зеркальных поверхностей, находящихся в абсолютном вакууме, составляет: Для расстояний между частицами порядка 10 -9 м (нанометры): Для расстояний между частицами порядка 10 -7 м (десятые доли микрометров): Для расстояний между частицами порядка 10 -6 м (микрометры): * Квантовый эффект Казимира оказывает на форму следа капли незначительное

* Литература и использованные сайты: