Сұйықтың беттік керілуі. Жұғу, қылтүтіктік құбылыстар. Физика, 10 сынып, дидактикалық материал.

Беттік керілу теориялық материал

 «Сұйық – газ» деп бөлiнетiн шекаралық қабаты бар болғанда, ашық беттегi молекулалар, сұйықтың iшiндегi молекулалар тарапынан, өте күштi төменге қарай тартылыс күшiне ұшырайды және де газдың молекулалары тарапынан аз ғана жоғары тартылысқа ұшырайды. Сол себептен шекаралық қабаттағы молекулалар сұйықтың iшкi жағына қарай тартылады. Олардың ашық беттегi саны азаяды да, беттiң ауданы да барынша кiшiрейедi. Осының әсерiнен қисайған беттiк қабат, жазық қабатқа қарағанда, сұйыққа молекулалық қысым деп аталатын қосымша қысым түсiредi.

 Сұйықтың бетiн изотермалық түрде үлкейту үшiн, артық молекулалық қысымға төтеп берердей белгiлi бiр жұмыс жасау керек. Бұл жұмыс таңба жағынан терiс және жүйенiң потенциалдық энергиясының өзгеруiне тең:

 A = – (W_s-W_v) = ΔW . (2.3)

 Мұндағы W_s және W_v дегенiмiз сәйкес беттiк қабаттың молекулаларының және де сұйық iшiндегi молекулалардың потенциалдық энергиялары. A < 0, болғандықтан, ΔW > 0 болады және W_s>W_v . Бұдан, сұйық бетiн түзейтiн молекулалардың, сұйық көлемi iшiндегi басқа молекулаларға қарағанда потенциалдық энергиясының артық екендiгi шығады.

 Сұйықтың ашық бетiндегi молекулалардың артық потенциалдық энергиясы беттiк энергия деп аталады. Егер денеге сыртқы күштер әсер етпейтiн болса, онда беттiк энергияның мәнi өте аз болады және сонымен бiрге сол беттiң ауданы да өте кiшкентай болады (2.4-сурет).

  Бiрлiк ауданның беттiк энергиясы σ – меншiктi беттiк энергия деп аталады:

 σ = W/S ,

 мұндағы W – S ауданға жинақталған беттiк энергия. СИ өлшем бiрлiк жүйесiнде меншiктi беттiк энергия Дж/м² – пен өлшенедi.

 Беттiк қабаттың бөлшектерi, сұйық бетiне жанама жазықтықта жатқан және сұйық бетiнiң ауданын мейлiнше кiшiрейтуге бағытталған, (негiзделген) күштiң әсерiне ұшырайды. Бұл күштер –беттiк керiлу күштерi F деп аталады.

 Оларды сандық жағынан бағалау үшiн беттiк керiлу коэффициентi деген ұғым енгiзiледi. Бұл коэффициент сұйықтың бос бетiнiң ауданын бiрлiкке изотермалық түрде арттыру үшiн жасалатын жұмыс ретiнде анықталады.

 Жоғарыдағы айтылғанарды ескерсек: ΔW = -A =σΔS . Бұдан

 σ = – A/ΔS (A<0) екендiгi шығады. (2.4)

 Егер сұйықтың ашық бетi тұйық сызықпен шектелген болса, онда бұл сызық – жұғылу периметрi деп аталады. Ондай беттер үшiн σ = F / L, СИ өлшем бiрлiк жүйесiнде σ шамасының өлшем бiрлiгi Н/м.

 Беттiк керiлу коэффициентi меншiктi беттiк энергияның мағынасын бередi: 1 Н/м = 1 Дж/м² . Беттiк күштi серпiмдiлiк күшiмен шатастыруға болмайды.

 Жұғу.

 Серіппеге жалпақтау әйнек ілейік. Серіппе, әрине, ауырлық күшінің әрекетінен ұзарады. әйнекті суы бар ыдыс бетіне түсіріп, одан кейін оны қайтадан баяу жоғары көтерейік. әйнек судан бірден ажырап кетпейді, суға жабысып қалғандай болады. Серіппе болса, бұрынғыдан да көбірек созылады. Серіппенің созылу шамасы бойынша әйнекті су бетінде ұстап тұрған молекулалардың арасындағы тартылыс күші туралы айтуымызға болады. Серіппенің серпімділік күші молекулалардан тартылыс күшінен басым болған кезде, әйнек су бетінен ажырайды.

 Әйнек астындағы су қабатына екі күш әрекет етеді: Ғ1 –шыны бөлшектері тарапынан жоғары қарай бағытталған күш, Ғ2– судың төменгі қабаттарындағы молекулалары тарапынан төмен қарай бағытталған күш. Шыныны жоғары көтергенімізде, судың осы жоғарғы қабаты төменгі қабатынан ажырайды да, су пластинаға жұғып, онымен ілесе жоғары көтеріледі. Бұл беттік қабаттағы су молекулаларының бір-біріне тартылысынан басым екенін көрсетеді. Басқаша айтқанда, су шыныға жұғады. Осы тәжірибеде байқалғанға ұқсас құбылыстар жұғу деп аталады.

 Жұғатын сұйықты жұқпайтын сұйықтан оп – оңай ажыратуға болады. Ол үшін қатты дене бетіне жұғатын болса, онда сұйық тамшысы оған жайылады, ал жұқпайтын сұйық жайылмайды.

 Жұғу құбылысының өндірісте де, күнделікті өмірде де айтарлықтай маңызы бар. Сабындардың және синтетикалық ұнтақтардың жуғыштық қасиеті де осы жұғу құбылысына негізделген.

 Ағаш, былғары, резеңке және т.б. материалдарды желімдеу жұғу құбылысын қолданудың мысалы бола алады. Суда жүзетін құстардың (аққу, қаз, үйрек, т.б.) терілері мен қауырсындарына су жұқпайтын құрам сіңген, сондықтан ондай құстарға су жұқпайды, ал басқа үй хайуанаттары туралы біз олай деп айта алмаймыз.

 Тәжірибе. Сорғыш қағаздың бір шетін суға салып, су қандай биіктікке көтерілетінін анықтау.

 Қылтүтік құбылыстар.

 Шақпақ қант, сорғыш қағаз, сүлгі орамал, т.б. денелер өзіне суды жақсы сіңіретінін білеміз. Мұны қалай түсіндіруге болады? Осындай денелердің барлығында да өте жіңішке түтікшелер тәрізді көптеген ұсақ өзектер болады екен. Мұндай түтікшелер қылтүтіктер (капиллярлар, латынша ткапиллярис – шаш) деп аталады.

 Жіңішке түтікшелер сұйықтың еркін беті қисық болады. Мұндай қисық бетті мениск деп атайды. Егер сұйық қылтүтік қабырғасына жұғатын болса, онда менискінің пішіні ойыс, ал егер жұқпайтын болса, дөңес болады.

 Жіңішке шыны түтікшені суға батырайық., онда су оның бойымен тез көтеріле бастайды. Түтікше неғұрлым жіңішке болса, судың көтерілу биіктігі де соғұрлым жоғары болады. Неліктен бұлай болады?

 Судың шыныға жұғатынын білеміз. Түтікше өте жіңішке болғандықтан, шыны тарапынан судың беттік қабатына әрекет ететін Ғбет беттік керілу күші сұйықты жоғары көтереді. Сұйық түтік бойымен неғұрлым жоғарырақ көтерілген сайын оған әрекет етуші Ға = mg ауырлық күші де артады. Сұйық оған әрекет етуші ауырлық күші Ғбет беттік керілу күшіне теңескенше көтеріледі. Сондықтан беттік керілу күші өте жіңішке деген түтікшелермен көтерілгенде ғана айқын байқалады.

 Егер сұйық қылтүтік қабырғаларына жұқпайтын болса, онда беттік керілу күшінің әрекетінен сұйық деңгейі төмендейді.

 Осындай қылтүтіктер бойымен сұйықтың көтерілуі немесе төмен түсуі кезінде байқалатын беттік керілу құбылыстар қылтүтік құбылыстар деп аталады.

 Сұйықтың қылтүтік көтерілу биіктігін һ = 2σ / gr формуласы бойынша анықтауға болады, мұндағы σ – қылтүтік жасалған заттың және сұйықтың тегіне байланысты болатын беттік керілу коэффициенті,

  - сұйықтың тығыздығы, r – қылтүтік радиусы. Бұл формуланы жұқпайтын сұйық үшін де қолдануға болады, тек бұл жағдайда сұйықтың төмен түсуі туралы айтылады.