Учебно-исследовательская работа по теме Физика пены

14

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 22

Физика пены

Учебно - исследовательская работа

по физике

Выполнил:Тен Валерий, ученик 10 класса А

Пшенина Е.А. ,учитель физики, руководитель

г. Южно-Сахалинск

2015

Содержание

Введение………………………………………………………………………..3

1. Теоретическая основа……………………………………………………….4

1.1 Понятие пены………………………………………………………………4

1.1.1 Разновидности пен……………………………………………………….4

1.1.2 Структура пены…………………………………………………………..4

1.1.3Пенообразование………………………………………………………….5

1.1.4 Свойства жидких пен……………………………………………………6

1.1.5 Свойства твердых пен…………………………………………………..7

1.1.5.1 Свойства пен разных типов пористости…………………………….7

1.2 Применение пен……………………………………………………………8

1.2.1 Пены в пожаротушении…………………………………………………8

1.2.2 Пены в кулинарии……………………………………………………….8

1.2.3 Пены в моющих средствах и средствах личной гигиены……………9

1.2.4 Пенная флотация……………………………………………………….10

1.2.5 Пена в строительстве…………………………………………………..10

2. Практическая часть………………………………………………………..11

2.1 Сравнение жидких пен на устойчивость……………………………….11

2.2 Определение дисперсности пен…………………………………………12

Заключение…………………………………………………………………....13

Литература…………………………………………………………………….14

Введение

Пены - высококонцентрированные дисперсные системы, являются неотъемлемой частью нашей комфортной жизни. Пена играет роль утеплителя в домах, пеной тушат пожары, пена активно используется в кулинарии и при соблюдении личной гигиены, однако в учебниках физики об этом состоянии вещества нет никакой информации, именно поэтому изучение пен и их свойств актуально.

Гипотеза - Возможно пены таят в себе тайны, открытие которых приведут к созданию новых технологий.

Цель - изучение свойств жидких и твердых пен, и возможности их использования.

Задачи:

• Определить условия и причины образования пен;

• Изучить свойства пен;

• Выяснить область применения пен;

Объект исследования - Процесс образования пен

Предмет исследования- Пены и их свойства.

Методы исследования: наблюдения, моделирование, эксперимент

Базой учебно - исследовательской работы является МБОУ СОШ № 22 города Южно- Сахалинска

1.Теоретическая основа

1.1 Понятие пены.

Пена - это дисперсная система, ячеистая структура которой представляет собой множество многогранников. Латинское слово dispersus означает рассеянный, разбросанный; диспергированием в технике называют процесс измельчения, дробления твердых, жидких или газообразных веществ. Диспе́рсная систе́ма - это образования из двух или большего числа фаз (тел), которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Дробить, а точнее, рассеивать можно не только твердые и жидкие вещества, но и газообразные. Для этого газ, например воздух, нужно равномерно распределить в виде мелких пузырьков в жидкой или твердой среде

1.1.1 Разновидности пен.

В зависимости от того, какое вещество (в каком агрегатном состоянии) служит матрицей, а какое - диспергируется, дисперсии будут называться по-разному. Дисперсию жидкости в жидкости называют эмульсией, твердого вещества в жидкости - суспензией. Дисперсию газа в жидкости называют пеной, газа в твердом веществе - твердой пеной.

По способу получения различают конденсационные пены, в частности химические, которые образуются в результате каких-либо химических реакций вследствие выделения газообразных продуктов.),и диспергационные, в том числе барботажные, получаемые при пропускании газа через жидкость.

1.1.2Структура пены.

Для пен, особенно высокократных, характерна ячеистая пленочно-каналовая структура, в которой заполненные газом ячейки разделены топкими пленками. Три пленки, расположенные под углом 120°, сливаются в канал, четыре канала с углом между ними около 109° образуют узел. Наиболее типичной формой ячейки в монодисперсной пене является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями), часто с 1-3 дополнит.гранями; ср. число пленок, окружающих ячейку, обычно близко к 14. В низкократной пене форма ячеек близка к сферической и размер пленок мал.

В XIX веке изучением строения мыльной пены всерьёз увлёкся бельгийский учёный Жозеф Плато. Он первым обратил внимание на то, что в каждом ребре, разделяющем пенные многогранники, всегда сходятся три плёнки, ни больше и ни меньше. Оказалось, что сами плёнки - двойные, а рёбра между ними - это каналы, заполненные жидкостью. Пена оседает, потому что вода понемногу стекает по каналам вниз.

1.1.3 Пенообразование.

Рассмотрим процесс образования

мыльной пены. «Голова» молекулы состоит из гидрофильного вещества, а хвостик в молекуле мыла состоит из жира. Жиры гидрофобны и не растворяются в воде.

Когда такие молекулы попадают в воду, они выстраиваются вдоль границы, разделяющей воду и воздух таким образом, что гидрофильные «головы» погружены в воду, а гидрофобные «хвостики» торчат в воздух. Получается, что поверхность воды покрыта тончайшей мыльной плёнкой.

Мыло называют поверхностно-активным веществом. Оно снижает поверхностное натяжение воды, то есть ослабляет силы, притягивающие молекулы поверхностного слоя друг к другу. Именно из-за высокого поверхностного натяжения чистой воды из неё не удаётся получить устойчивую пену: пузыри почти мгновенно сжимаются в капли. Мыло меняет картину, так как оно уменьшает поверхностное натяжение почти втрое. Когда мы встряхиваем бутылку с мыльным раствором, пузырьки воздуха как бы обволакиваются слоем молекул мыла. Мыльные пузыри поднимаются на поверхность, соприкасаются друг с другом, образуя пену.

1.1.4 Свойства жидких пен

Жидкие пены обладают жидкой дисперсной средой и характеризуются следующими свойствами:

• Пенообразующая способность раствора ПАВ- количество пены, выражаемое её объёмом или высотой столба , которое образуется из заданного постоянного объема пенообразующего раствора при соблюдении некоторых стандартных условий пенообразования в течение постоянного времени;

• Устойчивость (стабильность) пены - её способность сохранять общий объем, дисперсность и препятствовать вытеканию жидкости. Часто в качестве меры стабильности используют время существования выделенного элемента пены (отдельного пузырька или пленки) или определённого объёма пены;

• Кратность пены, которая представляет собой отношение объёма пены к объёму раствора, пошедшего на её образование: b = Vп/Vж ;

• Дисперсность пены, которая может быть охарактеризована средним размером пузырьков, распределением их по размерам или поверхностью раздела «раствор-газ» в единице объёма пены. Так как масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро меняются, то общее объемное содержание дисперсной фазы характеризуется кратностью пены b,:

b = Vп/Vж = (Vг + Vж)/Vж = 1 + Vг/Vж,

где Vп,Vг,Vж - объемы пены, газовой дисперсной фазы, жидкой дисперсионной среды. Относительная доля воздуха в пенах: e = 1 - 1/b

Классификация пен влажные b<10, сухие b>100, полусухие 10<b<100.

1.1.5 Свойства твердых пен

Твердые пены с твердой дисперсной средой помимо уже перечисленных имеют следующие свойства:

• Плотность - отношение массы пены на ее объем;

• Пористость - доля объема пор в общем объеме пены. Определяется по формуле

П=(1-ρ/ρ₀) _* 100%, где

ρ -плотность пены.

ρ₀ - истинная плотность вещества (плотность дисперсной среды);

• Несущая способность - способность пузырьков пены без разрушения удерживать на своей поверхности определенное количество иных веществ.

1.1.5.1 Свойства пен различных типов пористости

Пены с открытой пористостью

У пены с открытой пористостью мельчайшие ячеистые поры имеют разорванный профиль. В связи с этим в такой пене, ячейки маленькие и не герметичные, а воздух заполняет всё "открытое" пространство, проникая внутрь материала. Это делает её более мягкой и эластичной на ощупь и менее прочной, чем пена с закрытой пористостью.

Пены с закрытой пористостью

Пена с закрытыми ячейками имеет связанную структуру из замкнутых сфер, все ячеистые поры пены с закрытой пористостью имеют замкнутый профиль и плотно сгруппированы вместе. Эти поры заполняются тем газом, который участвует в реакции, приводящей к расширению пены. Газ, заполняющий ячейки, имеет теплопроводность ниже, чем у воздуха.

1.2 Применение пен

1.2.1 Пенное пожаротушение

Пены широко используются для тушения пожаров. Долгое время чуть ли не единственным способом тушения пожара было заливание очага возгорания водой. Значительно позже огонь догадались засыпать песком, землей, золой. Так появился прообраз будущего порошкового пожаротушения. «Мокрое» тушение водой и «сухое», песком или золой были вне конкуренции, но все изменилось с наступлением технической эры. Тогда- то и появился способ тушения пожара, объединяющий в себе преимущества «сухого» и «мокрого» метода - пенное пожаротушение.

Достоинства пены как средства тушения:

• существенное сокращение расхода воды;

• возможность тушения пожаров больших площадей;

• возможность подслойного тушения нефтепродуктов в резервуарах;

• повышенная (по сравнению с водой) смачивающая способность.

• при тушении не требуется одновременное перекрытие всего зеркала горения, пена сама растекаться по поверхности горящего материала.

1.2.2 Пены в кулинарии

Мороженое. В мороженом может быть до 50% объема воздушных пузырьков. Без должной концентрации микроскопических пузырьков мороженое будет слишком плотным и жирным. Настоящее мороженое - это пена. Но пена - очень хрупкая структура. В жидких сливках пузырьки воздуха не задерживаются. В твердое тело газ просто так не накачать. Поэтому единственный вариант - это «поймать» воздух в процессе замораживания. Мороженое производится в специальных емкостях, которые его одновременно мешают (захватывая таким образом воздух) и замораживают (не давая воздуху выйти).

Эспума.(Блюдо молекулярной кулинарии).Эспума-технология, используемая в молекулярной кухне. Она заключается в том, что путем специального

способа приготовления различных продуктов с помощью лецитина получается лёкая, пенистая масса, напоминающая взбитую пену.

Лецитин - натуральный эмульгатор. Он позволяет получать устойчивые эмульсии в системах масло-вода.

Мусс (фр. mousse «пена») - сладкое десертное блюдо. Фирменное блюдо французской кухни.

Приготавливается из ароматического основания (фруктового или ягодного сока, пюре, виноградного вина, шоколада, кофе, какао и др.), пищевых веществ, способствующих образованию и фиксации пенистого состояния мусса (яичные белки, желатин, агар), а также пищевых веществ, придающих блюду сладкий вкус или усиливающих его (сахар, сахарин, мёд, патока). Иногда вместо яичных белков и желатина используется заменитель в виде манной крупы, которая способна хорошо разбухать и обладает клеящими свойствами, что позволяет приблизительно имитировать необходимое состояние блюда.

1.2.3 Пены в моющих средствах и средствах личной гигиены.

Средства личной гигиены и жидкие моющие средства. В качестве моющих веществ используют поверхностно-активные вещества (ПАВ), имеющие сродство к жировым поверхностям и к воде. В результате адсорбции в водном растворе ПАВ смачивает частицы загрязнений, разрушает их связь с поверхностью ткани, раздробляет до мельчайших частиц коллоидных размеров, и они переходят в водный раствор в виде эмульсии (жидкие капельки) или суспензии (твердые частицы). Заряженные частицы загрязнений стабильно сохраняться в мыльном растворе, а образующаяся пена и пузырьки воздуха позволяют им всплывать на поверхность.

Пенные моющие средства и автошампуни. Мытье производится с помощью активной пены с улучшенными адсорбирующими способностями. Пена наносится на некоторое время, за которое она успевает растворить грязь и впитать ее, после чего она смывается.

1.2.4 Пенная флотация

Пенная флотация применяется для обработки загрязненных металлом сточных вод (очистка смазывающе-охлаждающих жидкостей), улавливание масел из отходов нефтепереработки, при очистке воды, используемой для мойки автомобилей, и в других целях.

Пенная флотация - процесс, при котором через смесь частиц с водой пропускают мелкие пузырьки воздуха, гидрофобные частицы собираются на поверхности раздела фаз «воздух-жидкость», прилипают к пузырькам воздуха и выносятся с ними на поверхность в составе пены с добавлением пенообразователя, который регулирует устойчивость пены, после чего пену удаляют.

1.2.5 Пена в строительстве

В современном строительстве применяется достаточно много новых материалов, которые позволяют вывести привычную всем стройку на совершенно новый уровень. В районах с холодным климатом для строительства предпочтительно использовать конструкционные материалы с хорошими теплоизоляционными свойствами. В настоящее время появилась технология, позволяющая получать пористый керамический материал, названный керпеном ("керамическая пена"). Он достаточно прочен и имеет низкую теплопроводность. На изготовление керпена идут дешевое местное сырье (легкоплавкие глины, цеолиты, перлиты, базальты), а также промышленные отходы (бой стекла, шлаки и отработанные породы). Вспенивание происходят при обжиге материала за счет газа, образующегося при разложении содержащихся в смеси карбидкремниевых добавок. Скоростью роста и стабилизацией газовых пузырьков можно управлять, вводя специальные добавки, изменяя температурный режим вспенивания . Керпен в 3-4 раза легче кирпича и имеет почти ту же прочность, а по теплопроводности сопоставим с таким материалом, как ячеистый бетон, считающийся очень хорошим теплоизолятором.

2.Практическая часть

2.1 Сравнение жидких пен на устойчивость

Задачи:

• Создать пены из различных растворов

• Пронаблюдать и зафиксировать процессы таяния пен

• Сравнить их свойства

Для проведения опыта понадобилось:

1. Длинная мерная колба

2. Мерный стакан

3. Растворы

• Жидкого мыла

• Сухого мыла

• Моющего средства

• Шампуня

Чтобы изучить свойства пен, создадим пены из разных растворов.

При проведении опыта поддерживалась постоянная комнатная температура. Все пены сохраняли свою дисперсность при постоянных условиях. Отношение объема воды к объему растворенного в нем вещества - 4/1. Изначальный объем пены равен 200 мл. Во время эксперимента были получены физические пены путем взбалтывания раствора.

Результаты исследования:

Вывод: при сравнении результатов опыта оказалось, что самая стабильная пена была получена из самого густого раствора (сухого мыла). Можно предположить, что более густая жидкость медленней стекает по каналам, из-за чего пена высыхает и тает значительно медленней. Также было выяснено, что для получения более устойчивой пены требуется затратить большее время на её образование.

2.2 Определение дисперсности пен

кратность пены b - объемное содержание дисперсной фазы определяется по формуле : b = Vп/Vж

Относительная доля воздуха в пенах: e = 1 - 1/b

Вывод: Относительная доля воздуха наименьшая в моющем средстве, наибольшая в пене из сухого мыла, потому она наиболее устойчивая.

Заключение:

В ходе работы над проектом было выяснено, что пена - неотъемлемая часть человеческой жизни, трудно себе представить современный мир без пены. В процессе проделанной работы выдвинутая гипотеза подтвердилась: пена имеет колоссальный потенциал, и, по-моему, мнению она станет основой многих современных технологий. . Изучение таких свойств жидких пен как устойчивость, кратность и дисперсность позволило сделать вывод, что получение устойчивых пен очень важно в пожаротушении, в кулинарии. Опыты доказали, что этот эффект дают густые пены, с большой дисперсностью. Зато моющие средства, применяемые в современных стиральных машинах, требуют менее устойчивого пенообразования.

Во время проведения опытов было обнаружено такое явление, как возникновение пустот в емкости с пеной при ее определенном положении. Разрушению пены способствует укрупнение пузырьков пены. Этот процесс происходит в результате диффузии газов из мелких пор в более крупные и за счет прорыва слоя жидкости между пузырьками. Планируется в дальнейшем провести исследование этого явления.

Литература

1.Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения.-М: Химия.1983

2.Кругляков П.М.,Ексерова Д.Р. Пены и пенные пленки.- М: Химия.1990

3.Глинка Н.Л. Дисперсное состояние вещества. Диспесные системы. М:Наука.1999

4. Кругляков П.М.,Ровш Ю.Г. Физикохимия черных углеволородных пленок. М:Наука.1978

5. Интернет-ресурсы:

1) tehinfo-m.narod.ru

2) festival.1september.ru/articles/644837/

3) https://ru.wikipedia.org/wiki/</</font>

4) w.rabbit. narod.ru