За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги какое значение

За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги какое значение

Подробное решение параграф §6 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Теремов А.В., Петросова Р.А. Углубленный уровень 2017

Рассмотрите рис. 24 — 27. Какие химические элементы входят в состав организмов? Какие химические соединения их образуют? Какую роль в клетке выполняют вода и минеральные вещества?

См. таб. 2 стр. 37. Основу организмов составляют четыре элемента – кислород, углерод, водород и азот.

Жизнь на нашей планете возникла в воде, что и обусловило её исключительное значение. Строение всех биосистем связано с уникальными свойствами воды: полярностью её молекул, их способностью к образованию водородных связей, большим поверхностным натяжением, аномально высокой теплоёмкостью, а также высокими температурами плавления и кипения.

Ионы калия (К+) и натрия (Na+) создают трансмембранный потенциал клетки, обеспечивающий возбудимость её наружной мембраны и проведение нервного импульса.

Ионы кальция (Са2+) – компоненты клеточной оболочки растений, из них формируются кости и зубы животных, они влияют на реакцию свёртывания крови, сокращения скелетных мышц.

) входят в состав соляной кислоты, которая является компонентом желудочного сока, активизирует деятельность пищеварительных ферментов и обеззараживает пищу.

Ионы магния (Mg2+) – компонент молекулы хлорофилла, они содержатся в костях и зубах животных, принимают участие в синтезе ДНК, активизируют энергетический обмен в клетке.

Ионы йода (I — ) входят в состав гормона щитовидной железы – тироксина, влияющего на скорость обмена веществ в организме и потребление кислорода. При его недостатке или избытке развиваются гормональные заболевания, например микседема и базедова болезнь.

Ионы железа (Fe2+) входят в состав гемоглобина, миоглобина (кислород — связывающий белок скелетных и сердечной мышц), хрусталика и роговицы глаза, они являются активаторами ферментов, участвуют в синтезе хлорофилла. Очень важна роль железа, входящего в состав гемоглобина (обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам) и миоглобина (депонирует молекулярный кислород и передаёт его окислительным системам клетки).

Медь участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы. Марганец способствует повышению урожайности растений, активизирует процесс фотосинтеза. Бор воздействует на ростовые процессы растений. Фтор входит в состав эмали зубов, при его недостатке развивается кариес, при избытке – флюороз (размягчение костной ткани). Флюорозом страдают люди, связанные с производством фтора и фторсодержащих веществ. Ионы молибдена, хрома, кобальта, цинка служат активаторами ряда ферментов, влияют на процессы кроветворения, обмена веществ. При нехватке этих элементов могут нарушаться процессы жизнедеятельности организмов.

1. С чем связаны уникальные физико — химические свойства воды? Перечислите те их них, которые наиболее важны для организмов.

Строение всех биосистем связано с уникальными свойствами воды: полярностью её молекул, их способностью к образованию водородных связей, большим поверхностным натяжением, аномально высокой теплоёмкостью, а также высокими температурами плавления и кипения.

2. За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги? Какое значение для организмов имеют капиллярные свойства воды?

За счёт полярности и водородных связей молекулы воды способны соединяться между собой и с другими веществами. В результате такого соединения на поверхности образуется «плёнка», что и объясняет высокое поверхностное натяжение воды и её капиллярные свойства.

Капиллярные явления играют существенную роль в водоснабжении растений и перемещении влаги в почве. В сухую погоду почва ссыхается, и в ней образуются трещины – капилляры. По ним вода поднимается из — под земли вверх и испаряется.

3. Почему зимой, когда вода замерзает, растения и холоднокровные животные не погибают при охлаждении температуры их тела ниже 0˚С?

Внутренняя среда этих организмов содержит особые вещества — антифризы, препятствующие замерзанию воды.

4. Всем известно, что клопы — водомерки бегают по воде, как по твердой поверхности. Как вы объясните это явление? Благодаря какому свойству воды такое возможно?

Это возможно, благодаря такому свойству воды, как поверхностное натяжение. Водомерка передвигается по воде с довольно большой скоростью и широко расставленными ногами.

5. Все живое состоит в основном из углерода. Аналог же углерода – кремний, содержание которого в земной коре в 300 раз больше, чем углерода, – встречается в составе очень немногих организмов. Объясните этот факт с точки зрения строения атомов и свойств этих элементов.

Атомы кремния имеют большую массу и радиус, они сложнее образуют двойную или тройную ковалентную связь, что может помешать образованию биополимеров. Соединения кремния не могут быть настолько разнообразны, как соединения углерода.

Диоксид кремния, являющийся аналогом углекислого газа в углеродных формах жизни, представляет собой твердое, плохорастворимое вещество. Это создает трудности для поступления кремния в биологические системы, основанные на водных растворах, даже если окажется возможным существование биологических молекул на его основе.

6. Какие функции в организме выполняют ионы элементов, приведенных в табл. 2?

Кислород: Основной (фактически единственной) функцией кислорода является его участие как окислителя в окислительно — восстановительных реакциях в организме. Благодаря наличию кислорода, организмы всех животных способны утилизировать (фактически «сжигать») различные вещества (углеводы, жиры, белки) с извлечением определенной энергии «сгорания» для собственных нужд.

Углерод: Как и другие элементы — органогены, углерод в виде отдельного элемента не обладает биологическим значением, – биологической ролью обладают его соединения.

— из различных соединений углерода (белки, жиры, углеводы, нуклеотиды, гормоны, амино — и карбоновые кислоты и др.) состоят все ткани организма

— является структурным компонентом всех органических соединений

— его соединения участвуют во всех биохимических процессах

— при окислении соединений углерода образуется необходимая для организма энергия

— оксид углерода (IV) CO2, образующаяся в результате окисления соединений углерода, стимулирует дыхательный центр, регулирует значение рН крови

Водород: Водород как отдельный элемент не обладает биологической ценностью. Наибольшую ценность, конечно, представляет соединение водорода с кислородом – вода, которая фактически является средой существования всех клеток организма.

Азот: Биологическая роль азота обусловлена его соединениями. Так в составе аминокислот он образует пептиды и белки (наиболее важный компонент всех живых организмов); в составе нуклеотидов образует ДНК и РНК (посредством которых передается вся информация внутри клетки и по наследству); в составе гемоглобина участвует в транспорте кислорода от легких по органам и тканей.

Фосфор: Участвует в построении всех клеток организма, во всех обменных процессах, очень важен для работы мозга, участвует в образовании гормонов.

Сера: Как и элементы органогены, сера в виде отдельного элемента не обладает биологическим значением. Ее биологическая роль состоит в том, что она входит в структуру таких аминокислот, как цистеин и метионин, которые и выполняют в животных организмах (в том числе у человека), ряд незаменимых функций:

— придает необходимую для их функционирования пространственную организацию молекулам белков за счет образования дисульфидных мостиков

— является компонентом многих ферментов, гормонов (в частности – инсулина), и серосодержащих аминокислот

— является компонентом таких активных веществ, как гистамин, витамина и др.

— сульфгидрильные группы образуют активные центры ряда ферментов

— обеспечивает передачу энергии в клетке: атом серы принимает на свободную орбиталь один из электронов кислорода

— участвует в переносе метильных групп

— входит в состав коэнзимов, включая коэнзим А

Калий: Главная биологическая функция калия – формирование совместно с другими электролитами (натрий, хлор) разницы потенциалов на мембранах клеток и передача ее изменения по клеточной мембране, за счет обмена с ионами натрия, что особенно важно для нервных и мышечных клеток.

Кальций: Формирование костной ткани, минерализация зубов. Участие в процессах свертывания крови. Регуляция проницаемости клеточных мембран. Регуляция процессов нервной проводимости и мышечных сокращений. Поддержание стабильной сердечной деятельности. Активатор ферментов и гормонов.

Натрий: Обеспечивает кислотно — щелочное равновесие. Помогает тканям удерживать воду. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами калия («калиево — натриевый насос»)

Магний: Участие в обменных процессах, взаимодействие с калием, натрием, кальцием. Активатор для множества ферментативных реакций. Регуляции нервно — мышечной проводимости, тонуса гладкой мускулатуры

Железо: Участвует в производстве гемоглобина и дыхательных ферментов. Стимулирует кроветворение.

Хлор: входит в состав соляной кислоты, которая является компонентом желудочного сока, активизирует деятельность пищеварительных ферментов и обеззараживает пищу.

Кремний: – является одним из необходимых компонентов костей

— участвует в формировании костей и хряща, минерализации костной ткани

— участвует в синтезе гликозаминогликанов и коллагена

— возможно тормозит развитие атеросклеротических процессов

Алюминий: Алюминий играет очень важную роль – он принимает участие в процессе регенерации (восстановления) эпителиальной и соединительной тканей, поддержания крепости костей, в образовании пептидов и фосфатных комплексов. Алюминий влияет на функцию околощитовидных желез, оказывает как активизирующее, так и тормозящее действие на пищеварительные ферменты

Марганец: Участвует в окислительных процессах, обмене жирных кислот и контролирует уровень холестерина.

Цинк: Помогает клеткам поджелудочной железы вырабатывать инсулин. Участвует в жировом, белковом и витаминном обмене, синтезе ряда гормонов. Стимулирует репродуктивную функцию у мужчин, общий иммунитет, сопротивляемость инфекциям.

Медь: Участвует в синтезе красных кровяных телец, коллагена (он отвечает за упругость кожи), обновлении кожных клеток. Способствует правильному усвоению железа.

Бром: Бром избирательно усиливает ряд тормозных процессов в центральной нервной системе (ранее препараты брома назначали как успокаивающее средство).

Йод: Играет важную роль в образовании гормона щитовидной железы – тироксина.

Селен: Замедляет процессы старения, укрепляет иммунитет. Является естественным антиоксидантом – защищает клетки от рака.

Серебро: Ионы серебра участвуют в обменных процессах организма. Установлено, что его катионы способны не только стимулировать, но и угнетать активность ряда ферментов. Это зависит от концентрации серебра. Серебро способствует улучшению функции головного мозга. Катионы серебра принимают участие в регуляции энергетического обмена.

Золото: На сегодняшний день установлено, что золото обладает бактерицидным действием само по себе, а в смеси с серебром оно усиливается многократно. Оно также оказывает заметное антисклеротическое действие.

Ртуть: Биохимическая роль ртути сводится к тому, что она способна реагировать по обратимому типу с некоторыми функционально активными группами белков и пептидов.

Бериллий: Бром является антагонистом йода и тем самым защищает организм от гиперфункции щитовидной железы, которая синтезирует гормон тироксин

7. Перечертите в тетрадь и начните заполнять таблицу «Химический состав клетки». Внесите в нее сведения о воде и минеральных веществах.

Минеральные вещества и их биологические функции – см. вопрос 6.

Источник

За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги какое значение

Всем известно, что бумага при намокании становится сырой, она поглощает, или абсорбирует, воду. Но вы, как настоящий ученый-исследователь, должны задать вопросы «почему?» и «как?». Что же происходит, когда встречаются бумага и вода?

Как воду заставить идти в гору

Реки текут с возвышенностей вниз в озера и океаны. Водопады всегда летят вниз. Вода из крана тоже капает вниз, в раковину. Если бы я спросил вас, куда течет вода, вы, не задумываясь, ответили бы: «Вниз». И все-таки существуют примеры движения воды вверх. Можете придумать хоть один?

Скажем… дерево! Ничего удивительного: дерево, как и большинство растений, корнями добывает воду из почвы. Она должна подняться ко всем жизненно важным частям растения. Как же вода может течь вверх?

И действительно, эта тайна долгое время не давала ученым покоя… и они все же не могли полностью разобраться в ней. Вероятно, вода поднимается по высоким стволам в результате нескольких одновременных процессов. Часть из них очень сложна, но некоторые можно исследовать на примере кусочка обычного бумажного полотенца или салфетки.

Водяная лестница из бумаги впитывающей

Загните кончик бумажной полоски шириной около 15 см. Повесьте полоску на край стакана так, чтобы бумага слегка касалась воды. Понаблюдайте, что будет происходить. Заметили, как вода начала ползти по полоске вверх? Через некоторое время вода вскарабкается прямо по краю стакана и может даже капнуть на стол.

Этот подъем воды называется капиллярным эффектом. Именно таким образом вода питает высокие деревья. Как это происходит?

Для начала забудьте о том, что лист бумаги сплошной, потому что это неправда. На самом деле (и вам теперь это хорошо известно) это паутинка из мельчайших волокон, спрессованных вместе. Между ними остается некоторое пространство, которое вода может легко заполнить.

Теперь внимательно взгляните на стакан с водой. На первый взгляд поверхность воды кажется плоской, как стол… но это тоже неправда.

Если вы посмотрите на стакан сбоку, то увидите, что на самом деле по краям, там, где вода касается стенок, она как будто «загибается» кверху. Опустите в воду карандаш, и вы увидите, что поверхность воды слегка «взбирается» по его граням вверх. Середина же водной поверхности, которая ни с чем не соприкасается, заметно ниже, чем ее края. Поверхность воды похожа на чашу!

Когда в вашем исследовании полоска бумажного полотенца касается воды, жидкость начинает заполнять пустое пространство между волокнами. Каждое волокно, касающееся воды, заставляет ее поверхность искривляться вокруг себя, так же как стенки стакана или карандаш. Поднявшись, кромка воды пытается втянуть за собой и остальную воду. В стакане середина поверхности слишком широка, воде тяжело подняться, и в конце концов между поднимающимися краями и удерживающей их серединой устанавливается равновесие. В результате получается искривленная поверхность, что вы и наблюдали. Но представим, что середина достаточно мала и не слишком тяжела. Вам не приходит в голову мысль, что в этом случае края смогут поднять ее за собой вверх? Именно это и происходит между волокнами в полоске бумажного полотенца.

Вода притягивается к твердым предметам, например стакану, карандашу, бумажным волокнам. Если пустоты в них или между ними достаточно малы, это притяжение становится причиной того, что вода стремится к ним, а затем – по ним вверх. Вот это и есть капиллярный эффект.

Впитывающая бумага – капиллярное соревнование

Загните на 2,5 см кончики каждой из испытываемых полосок (из бумажного полотенца, картона, кальки, туалетной бумаги, салфеток для лица… и любой другой бумаги, которую вы достанете). Как и в предыдущем эксперименте, повесьте полоски на стенки стакана, наполненного на четверть водой, в которую добавлена капля пищевого красителя. Следите за тем, как вода взбирается по каждой из полосок.

По какой из них вода поднялась быстрее всего? А какая позволила капле перебраться через кромку стакана? Перед началом эксперимента вы можете сделать свои предположения и проверить их. Капиллярный эффект проявляется лучше всего в опытах с бумагой с наибольшими, правильной формы и зачастую длинными ячейками (впитывающей бумаге). Чаще всего на той бумаге, на которой лучше всего писать, капиллярный эффект проявляется хуже, и наоборот.

Источник

За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги какое значение

В своей жизни мы часто сталкиваемся с привычными и обыкновенными вещами. Кто из нас не пользовался бумажными салфетками, бумажными платочками и полотенцами, не рисовал красками в альбоме, не склеивал бумагу и картон? Почему они впитывают влагу и делают это по-разному? От чего это зависит? Эти вопросы меня очень заинтересовали. Это всё связано с явлениями смачиваемости и несмачиваемости, с капиллярными явлениями.

Проблема: от чего зависит различная впитываемость жидкости в различных видах бумажных изделиях? Я самостоятельно решила экспериментально сравнить различные образцы бумажных изделий по качеству впитывания жидкости. Это можно определить, рассчитав диаметр капилляров, пронизывающих бумагу, и высоту поднятия жидкости по этим капиллярам. Поэтому я поставила следующую цель моей работы.

Цель проекта: 1. Знакомство с теорией смачивания и несмачивания, капиллярного явления. 2. Обоснование причин движения жидкости по капиллярам. 3. Исследование капиллярных свойств различных видов бумажных изделий. 4. Экспериментальное доказательство зависимости высоты поднятия жидкости в капиллярах от эффективного диаметра капилляра. 5. Определение качества впитывания жидкости в образцах бумажных изделий.

Задачи проекта: 1. Изучить источники информации по выбранной теме. 2. Углубить знания по теории капиллярного явления. 3. Провести исследования капиллярных свойств различных образцов бумаги для составления зависимости высоты поднятия жидкости в капиллярах от расчетного диаметра капилляра. 4. Обработать и проанализировать полученные в ходе эксперимента результаты. 5. Представить результаты в виде диаграммы. 6. Сделать вывод, отвечающий поставленной цели. 7. Подготовить проект к защите.

Объект исследования: законы и явления физики в изучении теории капиллярных явлений.

Предмет исследования: капиллярные свойства бумаги.

Актуальность темы исследования обусловлена продвижением знаний по вопросам теории капиллярных явлений в постановке проблемы исследования с привлечением внимания общества к вопросам использования привычных нам вещей в нашей жизни.

Новизна: диаграмма измерений зависимости высоты поднятия жидкости в капиллярах от расчетного эффективного диаметра капилляра в различных видах бумажных изделий.

Поверхностное натяжение

В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево и т.д.). Приходя в соприкосновение с жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя (Приложение 1). Подобные явления можно также наблюдать в очень узких трубочках, которые называются капиллярами (от лат. capillus – волосок). Происходящее носит название явления капиллярности. Для подробного изучения данного явления рассмотрим силы, лежащие в основе капиллярности. т Сам термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Так, молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул. Молекулы же поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. Например, на поверхности раздела жидкость – воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха (Приложение 2). Это и является причиной различия свойств поверхностного слоя жидкости от свойств её внутренних объёмов. Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением _. Коэффициент является основной величиной, характеризую­щей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Смачивание

Все знают, что даже маленькая капля воды растекается по чистой поверхности стеклянной пластинки. В то же время капля воды на парафинированной пластинке, как и на поверхности листьев некоторых растений, не растекается, а имеет почти правильную форму шара. Жидкость, которая растекается тонкой плёнкой по твёрдому телу, называют смачивающей данное твёрдое тело. Жидкость, которая не растекается, а стягивается в каплю, называют несмачивающей это тело (Приложение 3). Чем же объяснить явления смачиваемости и несмачиваемости?

Явление смачиваемости и несмачиваемости

Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твёрдого тела (Приложение 4). Линия, ограничивающая поверхность капли на пластинке является границей поверхностей трёх тел: жидкости, твёрдого тела и газа. Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел будут действовать три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом. Будет ли жидкость растекаться по поверхности твёрдого тела, вытесняя с него газ, или, наоборот, соберётся в каплю, зависит от соотношения величин этих сил. Всякая жидкость, освобождённая от действия силы тяжести, принимает свою естественную форму – шарообразную. Падая, капли дождя принимают форму шариков, дробинки – это застывшие капли расплавленного свинца. Необходимо отметить, что именно скорость изменения диаметра пятна, образованного каплей жидкости, нанесённой на чистую поверхность материала, используется в качестве основной характеристики смачивания в капиллярах. Её величина зависит как от поверхностных явлений, так и от вязкости жидкости, её плотности, летучести. Более вязкая жидкость с прочими одинаковыми свойствами дольше растекается по поверхности и медленнее протекает по капиллярному каналу.

Значение смачивания

Мы знаем, что мыть руки лучше тёп­лой водой и с мылом. У воды до­ста­точ­но боль­шой ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, зна­чит, холодная вода будет плохо сма­чи­вать ла­до­ни. Для того чтобы умень­шить ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния воды, мы уве­ли­чи­ва­ем тем­пе­ра­ту­ру воды (с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры воды ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния умень­ша­ет­ся), и используем мыло, ко­то­рое со­дер­жит по­верх­ност­но ак­тив­ные ве­ще­ства, силь­но умень­ша­ю­щие ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния воды. Эф­фек­ты сма­чи­ва­ния так же ра­бо­та­ют при скле­и­ва­нии де­ре­вян­ных, ре­зи­но­вых, бу­маж­ных и дру­гих по­верх­но­стей и ос­но­ва­ны на вза­и­мо­дей­ствии между мо­ле­ку­ла­ми жид­ко­сти и мо­ле­ку­ла­ми твер­до­го тела. Любой клей в первую оче­редь дол­жен сма­чи­вать скле­и­ва­ю­щие по­верх­но­сти. Пайка тоже свя­за­на со свой­ства­ми сма­чи­ва­ния. Чтобы рас­плав­лен­ный при­пой (сплав олова и свин­ца) хо­ро­шо рас­те­кал­ся по по­верх­но­сти спа­и­ва­е­мых ме­тал­ли­че­ских пред­ме­тов, нужно эти по­верх­но­сти тща­тель­но очи­щать от жира, пыли и ок­си­дов. При­ме­ром при­ме­не­ния сма­чи­ва­ния в живой при­ро­де могут слу­жить перья во­до­пла­ва­ю­щих птиц. Эти перья все­гда сма­за­ны жи­ро­вы­ми вы­де­ле­ни­я­ми из желез, что при­во­дит к тому, что перья этих птиц не сма­чи­ва­ют­ся водой и не промокают (Приложение 5).

Капиллярные явления

Дей­ствие по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния и эф­фек­тов сма­чи­ва­ния про­яв­ля­ет­ся в ка­пил­ляр­ных яв­ле­ни­ях – дви­же­нии жид­ко­сти по тон­ким труб­кам. Капиллярные явления – это явления подъёма или опускания жидкости в капиллярах, заключающиеся в способности жидкостей изменять уровень в трубках малого диаметра, узких каналах произвольной формы и пористых телах.

Капилляры

Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках

Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами: сила тяжести Fт заставляет жидкость опускаться вниз; сила поверхностного натяжения Fн двигает воду вверх. Субстанция прекратит подниматься при условии, что Fт = Fн. Подъ­ем/опускание жид­ко­сти по ка­пил­ля­ру оста­но­вит­ся тогда, когда сила по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния урав­но­ве­сит­ся силой тя­же­сти, дей­ству­ю­щей на столб под­ня­той жид­ко­сти (Приложение 9). Вы­со­та, на которую под­ни­мет­ся сма­чи­ва­ю­щая жид­кость в ка­пил­ляр­ной труб­ке, преодолевая силу тяжести, рассчитывается по формуле (3.2.1):

где ­­­­­­– ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, Н/м; – плот­ность жид­ко­сти, кг/м 3 ; – уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния, 9,8 м/с 2 ; – высота столбика поднятой жидкости, м; – радиус капилляра, м;d– диаметр капилляра, м.

Роль капиллярных явлений в природе, быту и технике

Явление капиллярности играет огромную роль в самых разнообразных процессах, окружающих нас. Самый рас­про­стра­нен­ный при­мер ка­пил­ляр­но­го яв­ле­ния – это прин­цип ра­бо­ты обык­но­вен­но­го по­ло­тен­ца или бу­маж­ной сал­фет­ки. Вода с рук ухо­дит на по­ло­тен­це или бу­маж­ную сал­фет­ку за счет подъ­ема жид­ко­сти по тон­ким во­лок­нам, из ко­то­рых они со­сто­ят. Без капиллярных явлений существование живых организмов просто невозможно. Подъём питательного вещества по стеблю или стволу растения обусловлен явлением капиллярности: питательный раствор поднимается по тонким капиллярным трубкам, образованными стенками растительных клеток.

Следует учитывать и капиллярность почвы, ведь она также пронизана множеством мелких каналов, по которым вода поднимается из глубинных слоёв почвы в поверхностные. Пчёлы, бабочки извлекают нектар из глубин цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка.

Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с питанием и дыханием организма. Кровеносные сосуды – это капилляры, по которым течет кровь. Причем, чем дальше от сердца идут сосуды, тем тоньше они становятся.

Стро­и­те­лям при­хо­дит­ся учи­ты­вать подъ­ем влаги из почвы по порам стро­и­тель­ных ма­те­ри­а­лов. Если этого не учесть, то стены зда­ний от­сы­ре­ют. Для за­щи­ты фун­да­мен­та и стен от таких вод ис­поль­зу­ют гид­ро­изо­ля­цию. По капиллярам фитиля поднимаются горючие и смазочные вещества. Топ­ли­во по­сту­па­ет по фи­ти­лю за счет дви­же­ния по во­лок­нам фи­ти­ля, как по ка­пил­ляр­ным труб­кам. Промокание одежды во время дождя, к примеру, брюк до самых колен от ходьбы по лужам также обязано капиллярным явлениям. Вокруг нас множество примеров этого природного феномена (Приложение 12).

Эксперимент

«Исследование капиллярных свойств различных образцов бумажных изделий»

Цель эксперимента: доказать, что высота поднятия жидкости в капиллярах зависит от диаметра капилляра. Оборудование и материалы: ёмкость с водой, термометр, линейка измерительная, карандаш, зажим, набор бумажных образцов: платочек бумажный однослойный, салфетка бумажная, тетрадный лист, офисная бумага, пергаментная бумага, полотенце бумажное, акварельный лист (Приложение 13). Ход работы: 1. Из набора бумажных изделий приготовила образцы для исследования. Для этого вырезала полоски длиной 10 см и шириной 2 см и пронумеровала (Приложение 14). На расстоянии 2 см от одного конца образца провела линию. 2. Взяла ёмкость с водой и по очереди опускала образцы в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией (Приложение 15). 3. Как только прекратился подъём воды, образец вынула и измерила высоту поднятия жидкости от прочерченной линии до сухого участка. Такой опыт я провела с каждым образцом (Приложение 16). 4. Полученные данные анализа занесла в таблицу (Приложение 17). 5. Диаметр капилляров каждого их этих образцов определила расчетным путём. Для этого из формулы высоты поднятия жидкости в капиллярах (4.1) выразила формулу для нахождения диаметра капилляра (4.2):

где ­­­­­­– ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, Н/м; – плот­ность жид­ко­сти, кг/м 3 ; – уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния, 9,8 м/с 2 ; – высота столбика поднятой жидкости, м; – радиус капилляра, м;d– диаметр капилляра, м.

При этом образцы каждый раз опускала в водопроводную воду, температура которой составляла 20 0 С (Приложение 18), то есть жидкость имела постоянную плотность = 1000 кг/м3, коэффициент поверхностного натяжения = 0,073 Н⁄м. Полученные данные занесла в таблицу (Приложение 17). Вывод: из таблицы следует, что все бумажные образцы впитывают воду, что указывает на наличие капилляров.

Впитываемость бумаги

Но правдоподобны ли рассчитанные величины диаметров в образцах? Толщина сухой бумаги представленных образцов от 0,1 мм до 0,3 мм. В воде капилляры расправятся и наполнятся водой – бумага станет толще, но и в этом случае её толщина станет не более 0,5 мм. О чём свидетельствует такое несоответствие? Капилляры не сплошные, а прерывающиеся (Приложение 19).

Важным свойством бумаги является впитываемость. Бумага – капиллярно-пористое тело, состоящее из твёрдых частиц или агрегатов частиц, пространство между которыми представляет собой капилляры. Так как бумага – продукт промышленной переработки целлюлозы, то невозможно обеспечить строгое постоянство диаметра капилляров. Поэтому говорят об эффективном (среднем) диаметре капилляров. Многие виды бумаги отличаются повышенной впитывающей способностью к различным жидкостям. Жидкость впитывается в толщу листа, расходится и проходит на её обратную сторону. Такая бумага обладает яркими гидрофильными свойствами. В первую очередь это относится к классу промокательных и фильтровальных бумаг различного назначения, такие как образцы под номерами 1,2,6. Эта бумага имеет самые тонкие капилляры и впитывает воду лучше всего. Придание бумаги ограниченных впитывающих свойств по отношению к жидкостям (вода, чернила) называют проклейкой.

Такая бумага из очень тщательно размолотой бумажной массы, где начинает сказываться образование частично растворимых, деструктированных продуктов целлюлозы, дающих в разной выраженности монолитные плёнки, перекрывающие поры и имеющие более высокую устойчивость к проникновению жидкости. Это относится к классу упаковочной бумаги, как образец под номером 5, также к классу бумаг для письма и рисования, как образцы под номерами 3,4,7. Поэтому в данном эксперименте я рассматриваю капиллярный эффект только образцов под номерами 1,2,6, продукция которых имеет повышенную впитывающую способность.

Диаграмма измерений

На основании полученных данных я построила диаграмму измерений зависимости высоты поднятия жидкости в капиллярах от расчетного эффективного диаметра капилляра (Приложение 20).

Вывод: смачивающие жидкости по капиллярам поднимаются, преодолевая силу тяжести, на высоту, зависящую от коэффициента поверхностного натяжения жидкости, плотности жидкости и диаметра капилляра. Чем меньше диаметр капилляра, тем выше поднимается жидкость по капилляру. Наилучшее качество впитывания у образца с меньшим диаметром капилляра. Наилучшее качество впитывания имеет платочек бумажный.

Заключение

В результате своей исследовательской работы я:

1. Углубила свои знания по явлениям смачиваемости и несмачиваемости, капиллярным явлениям, которые широко распространены как в нашей повседневной деятельности, так и в природе.

2. Научилась выводить формулу диаметра капилляра по высоте поднятия жидкости и вычислять по формуле эффективный (средний) диаметр капилляра.

3. Доказала зависимость высоты поднятия жидкости в капиллярах от расчетного диаметра капилляра.

4. Узнала, что капиллярные явления зависят от силы взаимодействия молекул внутри жидкости и от силы взаимодействия молекул твердого тела с молекулами жидкости; чем меньше диаметр капилляра, тем выше поднимается вода по капилляру.

5. Сравнила образцы бумажных изделий на предмет качества впитывания жидкости и отметила, что наилучшее качество впитывания у образца с меньшим диаметром капилляра.

6. Усовершенствовала в процессе своей работы личностные качества:

способность работать с большим количеством информации;

Источник