Жұғу. Капиллярлық құбылыстар.

6.2 Сабақ міндеті:

1. Беттік қабат, жұғу және капиллярлық құбылыстар туралы ұғындыру.

2. Білімгерлердің білімін арттыру, тереңдету.

3. Білімгерлерді ұқыптылыққа тәрбиелеу.

6.3 Дәріс тезисі:

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 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.

1-сурет

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 (1-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 айтылғандарды 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.

Қатты дене бетiмен үлдiр секiлдi ағып-жайылатын сұйық жұғатын сұйық деп аталады, ал тамшыға айналып, жиылып тұратын сұйық жұқпайтын сұйық деп аталады. Жұғу және жұқпау эффектерi қатты қабырға маңындағы ашық беттердiң қисаюымен бiрлесiп (қатар) жүредi. Өте тар түтiкшелер – капиллярлар қарастырылған жағдайда, ондай қисайған беттер мениск деп аталады.

Жұғу құбылысы, қатты дене бетiне және менискке олардың қиылысу нүктелерiнде жүргiзiлген жанамалар арасындағы шектiк бұрыш δ арқылы сипатталады. Ол сұйықтың iшiнен бастап өлшенедi. Жұғатын сұйықтар үшiн шектiк бұрыш сүйiр болып келедi: 0 ≤δ<π/2 (2 - сурет), ал жұқпайтын сұйықтар үшiн – ол доғал: π/2 <δ≤π (3 - сурет). δ = 0 жағдайы идеалды жұғуға, ал δ = π жағдайы идеалды жұқпауға сәйкес.

3-сурет

Ойыс бетпен шектелген сұйықтың қысымы қоршаған орта қысымынан аз болып келедi.

2-сурет

 

Сол себептен капиллярдағы жұғатын сұйықтың бiр бөлiгi, көтерiлген сұйық деңгейiнiң гидростатикалық қысымы осы қысымдардың айырымын компенсациялағанға шейiн, сырттан сорыла беретiн болады. Керiсiнше, дөңес бет астындағы сұйықтың қысымы, оның үстiндегi қоршаған орта қысымынан әлде қайда үлкен. Егер капиллярдағы жұқпайтын сұйығы бар кең ыдысқа салып қойса, онда оның (сұйықтың) капиллярдағы деңгейі ыдыстағы деңгейiнен төмен болып орналасады. Идеалды жұғу (жұқпау) кезiнде капилляр iшiндегi менисктiң пiшiнi дұрыс жартылай сфера тәрiздес және олардың түсiретiн қосымша қысымы p_м мынаған тең:

p_м = 2σ/r,

σ - сұйықтың беттiк керiлу коэффициентi, r - қыл түтiк радиусы, p_м>0 болса мениск дөңес болады, p_м<0 -мениск ойыс болады.

p_a – қоршаған ортаның қысымы болсын. Сонда мениск астындағы сұйықтың қысымы мынаған тең болады: p_a - 2σ/r. Кең ыдыстың ашық бетi деңгейiнде бұл қысымға, тығыздығы ρ сұйықтың көтерiлу деңгейiнiң F_A салмағы әсерiнен түсiрiлетiн гидростатикалық қысымы p_ст қосылады:

p_ст =F_A/S = mg /πr² = π r²h·ρg/ π r² = ρgh.

Тепе-теңдiк жағдайы орныққандықтан, астыңғы жағынан да, үстiңгi жағынан да сол деңгейге бiрдей қысым әсер етедi. Соның салдарынан

p_a - 2σ/r + ρgh = p_a.

Бұдан

екендiгi шығады.

Егер сұйық молекулаларының бір-біріне тартылу күштері олардың қатты дененің бетіне тартылу күштерінен кем болса, онда сұйық қатты дене бетіне жұғады. Ал егер сұйық молекулаларының өзара тартылуы олардың қатты дене молекулаларына тартылуынан артық болса, онда сұйық қатты дененің бетіне жұқпайды.

Серіппеге жалпақтау шыны пластинканы ілейік. Серіппе, әрине, ауырлық күшінің әрекетінен ұзарады. Шыныны суы бар ыдыс бетіне түсіріп, одан кейін оны қайтадан баяу жоғары көтерсеріппеге ейік. Шыны судан бірден ажырап кетпейді, суға жабысып қалғандай болады. Серіппе болса, бұрынғыдан да көбірек созылады. Серіппенің созылу шамасы бойынша шыныны су бетінде ұстап тұрған молекулалардың арасындағы тартылыс күші туралы айтуымызға болады. Серіппенің серпімділік күші молекулалардың тартылыс күшінен басым болған кезде, әйнек су бетінен ажырайды. Шыны астындағы су қабатына екі күш әрекет етеді: F₁ - шыны бөлшектері тарапынан жоғары қарай бағытталған күш, F₂ -судың төменгі қабаттарындағы молекулалары тарапынан төмен қарай бағытталған күш. Шыныны жоғары көтергенімізде, судың осы жоғары қабаты төменгі қабатынан ажырайды да, су пластинаға жұғып, онымен ілесе жоғары көтеріледі. Бұл беттік қабаттағы су молекулаларының әйнекке тартылысы су молекулаларының бір-біріне тартылысынан басым екенін көрсетеді. Басқаша айтқанда, су шыныға жұғады. Осы тәжірибеде байқалған құбылыстар жұғу деп аталады. Тәжірибелер осындай шыныны сынап бетіне түсірген кезде оның бетінің сол таза калпында қалатынын көрсетеді. Бұдан сынаптың беттік қабатындағы молекулалардың төменгі қабат молекулаларына тартылысы олардың әйнекке тартылысынан күштірек екенін көрсетеді. Бұл жағдайда сынап шыныға жұқпайды дейді. Жұғатын сұйықты жұқпайтын сұйықтан оп-оңай ажыратуға болады. Ол үшін катты дене бетіне сұйықтың бір тамшысын тамызса жеткілікті. Сұйық 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.

Жұғу – сұйықтықтың қатты денемен немесе басқа сұйықтықпен жанасуы кезінде пайда болатын құбылыс. Қатты дене бетіндегі тамшының немесе сұйықтыққа батырылған дене бетіндегі газ көпіршігінің пішіні жұғу процесіне тәуелді. Жұғу құбылысы, көбінесе, үш фазаның жанасу аймағындағы молекула аралық өзара әсерлесу нәтижесі деп қарастырылады.

Әркім-ақ жапырақ бетіне, парафин жағылған қағаз бетіне тамған су тамшысы шар пішінін алатынын, ал таза әйнек бетіне жұқа қабат жасай жайылып кететінін біледі. Ағаш бетіне тамызған қорғасынның балқытылған тамшысы шар пішінін алады, ал су тамшысы таза мыс пластина бетіне шыны бетіндегі тәрізді жайылып кетеді.

Жұғатын не жұқпайтын сұйықтардың қатты денелер беттерімен әсерлесуінің ерекшеліктері капиллярлық құбылыстардың себебі болып табылады. Капиллярлық құбылыстар – бір-бірімен араласпайтын заттардың шекарасында, беттік керілудің әсерінен пайда болатын физикалық құбылыстар. Басқа сұйықтықпен, газбен немесе өзінің буымен шекаралас орналасқан сұйық бетінің иілуі де капиллярлық құбылыстарға жатады.

Ішкі диаметрі кіші түтікшені капилляр деп атайды. Осындай түтікше оған жұғатын сұйыққа батырылса, онда оның ішіндегі сұйық кең ыдыстағы сұйық бетінің деңгейінен жоғары көтеріледі. Жұқпайтын сұйық керісінше, оның ыдыстағы деңгейінен төмен түседі. Сұйық қатты дененің бетіне толық жұғатын болса, беттік керілу күшін қатты дене s беті бойымен оның сұйықпен жанасатын шекарасына перпендикуляр бағытталған деп алуға болады. Бұл жағдайда сұйықтың капилляр бойымен көтерілу биіктігі төмендегі шарт бойынша анықталады: F_a=F_б, F_a=mg = rpr² hg, F_б=sl =2prs, мұндағы

F_a – капиллярдағы сұйыққа әсер ететін ауырлық күші,

F_б – бетік керілу күші,

r – капилярдың радиусы,

r - ондағы сұйықтың тығыздығы,

h – капилярдағы сұйық бағанының көтерілу биіктігі,

s - сұйықтың беттік керілу коэффициенті.

Жоғарыдағы қатынастардан: h = 2s / rgr.

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. 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 / grr формуласы бойынша анықтауға болады, мұндағы σ – қылтүтік жасалған заттың және сұйықтың тегіне байланысты болатын беттік керілу коэффициенті, r - сұйықтың тығыздығы, r – қылтүтік радиусы. Бұл формуланы жұқпайтын сұйық үшін де қолдануға болады, тек бұл жағдайда сұйықтың төмен түсуі туралы айтылады.

Суда жүзетін кұстардың (аққу, қаз, үйрек, т.б.) терілері мен қауырсындарына су жұқпайтын зат сіңген, сондықтан да ол құстарға су жұқпайды, ал басқа үй хайуанаттары туралы біз олай деп айта алмаймыз.

h = 2 δ / g ρ r - сұйықты беттік көтерілу биіктігін анықтайтын формула.

Мұндағы: δ (сигма) – қылтүтік жасалған заттың және сұйықтың тегіне байланысты болатын беттік керілу коэффициенті;

ρ – сұйықтың тығыздығы,

r- қылтүтік радиусы.

Қылтүтік құбылыстар табиғатта кеңінен таралған. Өсімдіктер мен ағаштар бойындағы қылтүтіктер жүйесімен нәрлі заттар тарайды. Адам және жануарлар денесіндегі ұсақ қан жолдары да қылтүтіктер.

6.4 Үлестірмелі материал: электрондық кітаптар, тесттер, карточкалар

6.5 Пайдаланған әдебиеттер:

1. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 10-сыныбына арналған оқулық/ Б.Кронгарт, В.Кем, Н.Қойшыбаев.-Өңд., толықт. 2-бас. Алматы: Мектеп, 2010-384 б., сур.

2. Физика: Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 11-сыныбына арналған оқулық/ С.Тұяқбаев, Ш.Насохова, Б.Кронгарт, т.б.- Алматы: “Мектеп” баспасы. -384 б., сур.

3. Савельев И.В. Жалпы физика курсы. – Алматы, Мектеп, 1,2,3 том, 2000

4. Волькенштейн В.С. Жалпы физика курсының есептер жинағы. – М., Наука, 2000

5. Иродов И.Е. Жалпы физика курсының есептер жинағы. М: Наука, 2006

6.6.Бақылау сұрақтар:

1. Жұғу дегеніміз не?

2. Капиллярлық құбылыстар дегеніміз не?