Читайте также

Главная  Лучшие    Популярные   Список   Добавить
Статьи » Физика

Творческая задача. Сушка бумажного листа.

Физика Часть №1: Опыты.

Опыт №1:
На примере «сохнущего» в произвольных условиях листа бумаги качественно рассмотрим движение границы раздела мокрой и сухой частей листа по мере его высыхания.

Поскольку мы будем качественно рассматривать движение границы разделения, то можно пренебречь плотностью и составом жидкости, которой смачивается лист. Для большей наглядности движения границы разделения, будем смачивать лист шестиводным раствором соли кобальта. Этот раствор примечателен тем, что при испарении воды, он меняет окраску на ярко-голубой. Значит, высохшая часть нашего листа будет окрашиваться в ярко-голубой цвет.

Ход Опыта:
- Смочим обычный офисный лист бумаги;
- Вертикально подвесим лист сохнуть, он потерял ровную форму;Обратим внимание, что сначала жидкость стекает вниз по листу;
- Затем, на нижней грани листа образуется скопление жидкости;
- Одновременно с этим, сверху листа высыхают углы, центр верхней грани листа при этом, пока остается относительно влажным.;
- Далее, уменьшается количество жидкости на нижней грани;
- А так - же, верхняя граница разделения постепенно движется вниз, постепенно принимая форму прямой;
- Лист окончательно высыхает;

Таким образом, мы визуально рассмотрели, как будет двигаться граница листа по мере «Сушки листа».



Примечание: Далее будут проводиться опыты с измерением времени «сушки» листа. Для удобства измерения, разделим этот процесс на несколько фаз:
- Фаза 1: Подвешиваем лист бумаги. Начинается процесс сушки. Лист потерял ровную форму;
- Фаза 2: Снизу листа образовалось скопление стекающей сверху жидкости;
- Фаза 3: Количество жидкости на нижней грани листа уменьшается, на верхней грани проступают сухие уголки;
- Фаза 4: Жидкость, находящаяся на нижней грани листа практически впиталась, граница разделения постепенно движется вниз и стремится к прямой;
- Фаза 5: Лист абсолютно сух.


Опыт №2:

Далее, имея «на вооружении» фазовое разделение процесса высыхания листа, из опытов измерим время прохождения каждой фазы, изменяя такие параметры опыта, как: габариты листа, температуру жидкости, внешнюю температуру помещения, плотность бумаги.

Выводы из опыта:

- Вторая фаза во всех опытах проходит за примерно равное и относительно небольшое время, в среднем фаза длится около 2х минут. (Время прохождения зависит от: h,наличия ветра, количества «сушек» данного листа);
- Третья фаза длится более долго, около 7 минут в среднем. (Время прохождения зависит от: t’ж, плотности бумаги, наличия ветра и количества «сушек» данного листа);
- Четвертая фаза длится в среднем около 11 минут. (И зависит от габаритов листа, t’в, t’ж и количества «сушек» листа);
- Общее время высыхания протекает в среднем 25 минут (Зависит от всех параметров, которые мы изменяли);

Опыт №3:
Теперь попробуем сушить на половину смоченный лист бумаги. В самом начале сушки можно заметить явление поднятия границы разделения мокрой и сухой частей листа..

Опыт №4:
Далее, рассмотрим зависимость времени высыхания листа от плотности жидкости. Для изменения плотности, будем добавлять в воду различное количество соли.

Ход Опыта:
- Разведем 3 раствора с разной концентрацией соли;
- Измерим плотность каждого раствора путем измерения отношении массы жидкости к объему: Получим, что p1=1332 кг/м^3, p2=1142 кг/м^3, p3=1067 кг/м^3.
- В одинаковых внешних условиях смочим три листа бумаги разными растворами.
- Измерим время высыхания каждого листа.






Опыт №5:
Проведем опыт. Посмотрим, влияет ли время смачивания бумаги на временной промежуток «сушки». Если да, то установим зависимость.

Опыт №6:
Попробуем сушить смоченный на половину лист бумаги. Проследим зависимость расстояния, на которое поднимется граница после высыхания от времени смачивания листа.


Часть №2: Теоретическое рассмотрение опытов.

Лист потерял ровную форму:
После процесса «сушки», лист теряет свою форму. Он становится не ровным, волнистым. Рассмотрим, почему так происходит:
Поскольку со временем лист не выпрямляется, значит изменяется его внутренняя структура. Заглянем «во внутрь» листа бумаги. Он состоит из молекул целлюлозы.
При первом рассмотрении молекулы, может показаться, что при смачивании каким либо образом разрушаются или осла***ются водородные связи между молекулами. Однако это невозможно, поскольку таких связей внутри листа огромное количество.
Значит нужно искать причину деформаций листа менее «далеко». Можно обратить внимание на то, что молекулы целлюлозы бумаге образуют большое кол-во фибрилляров (волокон). Именно связи между этими волокнами осла***ет ода при «сушке» листа.

Жидкость стекает вниз по листу:
В самом начале «сушки» можно заметить явление стекания некоторого количества воды вниз листа. Рассмотрим, почему так происходит. Для этого изучим, какие силы действуют на воду, находящуюся на нашем листе.
Вниз воду тянет сила тяжести Fт=mg, где m-масса жидкости,а g-ускорение свободного падения, равное 9,8м/с^2.
А также давление, оказываемое верхними слоями жидкости на движущийся слой. Однако, есть и некая сила F, заставляющая слои подниматься вверх, двигаясь по волокнам бумаги. Пока понятно, что равнодействующая всех трех сил, действующих на жидкость, заставит ее стекать вниз, поэтому в данном случае сила F не играет для нас большого значения. Более подробно она будет рассмотрена далее.
То есть, в процессе «сушки» вода стекает вниз под действием силы тяжести земли и давления верхних слоев.

Вода остается на нижней грани:
Почему же вода остается на нижней грани, а не «капает» с листа?
Это происходит из-за силы поверхностного натяжения, которая для воды равна F=0.0728 Н.
mg(капли)=9,8*0.001кг=0.0098 Н.
То есть, F>mg, значит, mg/F=7,42, а следовательно, вода будет держаться на нижней грани листа, пока масса капли не достигнет значения 7,42 грамма. Это произойдет, только если смачивать довольно большой лист бумаги.

Сначала высыхают верхние углы листа.
Это происходит из-за той же силы поверхностного натяжения листа. Она действует следующим образом:
Вектора силы поверхностного натяжения, исходящие из углов листа самые большие по модулю, значит, в углах жидкость более сильно притягивается к центру листа. В нижних углах жидкости больше, чем в верхних, значит, быстрее всего высохнут верхние.


Время прохождения второй фазы.
Время, за которое часть жидкости с листа стекает на нижнюю грань, зависит от следующих параметров:
Высоты листа: При изменении высоты листа изменяется путь, который проходит жидкость при движении к нижней грани, а следовательно, изменяется и время прохождения фазы;
Наличия ветра: Если имеется ветер или сквозняк, то воздушные потоки как бы сдувают частицы жидкости, уменьшая тем самым объем жидкости, находящейся не на нижней грани листа;
Количества «сушек» данного листа: Из – за увеличения гидрофильности листа после «сушки», волокна менее сильно «сопротивляются» движению жидкости среди них, тем самым уменьшая время прохождения данной фазы;

Время прохождения третьей фазы.
Время, через которое высыхают верхние уголки листа, зависит от:
Температуры жидкости: При большей температуре движение молекул ускоряется, следовательно, ускоряется процесс испарении;
Плотности бумаги: Чем бумага плотнее, тем она сильнее удерживает в себе влагу, тем самым, замедляя процесс испарения;
Наличия ветра: Ветер, подобно, как и в прошлом пункте «сметает» частицы воды вниз, тем самым уменьшая объем воды на уголках листа, изменяя время испарения и следовательно время прохождения фазы;
Количества «сушек» данного листа: Поскольку при повторном смачивании лист становится более гидрофильным, то обратно увеличению плотности, волокна менее сильно удерживают влагу в себе.

Время прохождения четвертой фазы.
Временной промежуток прохождения четвертой фазы зависит от:
Высоты листа: По мере изменения высоты листа изменяется путь, который должна пройти граница разделения мокрой и сухой части листа, значит, изменяется и время прохождения фазы;
Ширины листа: В зависимости от ширины данного нам листа бумаги изменяется площадь смачивания, и, следовательно, объем жидкости, находящийся на лист бумаги. При изменении объема жидкости, находящейся на листе бумаги, изменяется и время ее испарения, а, следовательно, время прохождения фазы.
Температуры жидкости: Если изменять температуру жидкости, то будет изменяться скорость движения ее молекул, чем больше эта скорость, тем легче испаряется жидкость, то есть фаза проходит быстрее.
Внешней температуры: Если изменять внешнюю температуру, то можно заметить изменение времени прохождения фазы. Это происходит из-за того, что
Количества «сушек» данного листа:

Общее время сушки.
Общее время сушки листа зависит от:
Высоты листа:
При увеличении высоты листа – время процесса «сушки» увеличивается.
При уменьшении высоты листа – время процесса «сушки» уменьшается.
Ширины листа:
При увеличении ширины листа – время процесса «сушки» увеличивается.
При уменьшении ширины листа – время процесса «сушки» уменьшается.
Температуры жидкости:
При увеличении температуры жидкости – время процесса «сушки» уменьшается.
При уменьшении температуры жидкости – время процесса «сушки» увеличивается.
Внешней температуры:
При увеличении внешней температуры – время процесса «сушки» уменьшается.
При не значительном уменьшении внешней температуры – время процесса «сушки» увеличивается.
При сильном уменьшении внешней температуры – время процесса «сушки» уменьшается.

Наличия ветра:
При наличии ветра – время процесса «сушки» уменьшается.
Плотности бумаги:
При увеличении плотности бумаги – время процесса «сушки» увеличивается.
При уменьшении плотности бумаги – время процесса «сушки» уменьшается.

Поднятие границы разделения мокрой и сухой части листа вверх.
В опыте №3 мы заметили поднятие границы разделения мокрой и сухой части листа вверх. Это происходит из-за силы поверхностного натяжения. Действующей внутри волокон бумаги. Она заставляет нижние целлюлозные слои смачивать стоящие над ними, а те, в свою очередь, находящиеся над ними и т.д. таким образом мы получаем поднятие границы на 0.5см-1см.

Часть №3: Выводы.

Таким образом, мы изучили, как будет двигаться граница разделения мокрой и сухой части листа бумаги по мере его высыхания. Рассмотрели зависимость движения этой границы от плотности жидкости, температуры жидкости и внешней среды, высоты и ширины бумажного листа, его плотности, наличия ветра и других факторов. Коснулись теории поверхностного натяжения, узнали, от чего зависит, время высыхания листа. Рассмотрели строение целлюлозного листа бумаги.

Спасибо за внимание.

Дополнительно по данной категории

25.10.2013 - Ионизационные вихри в холодной плазме
23.02.2010 - Основы изучения физики
23.02.2010 - Механика
23.02.2010 - Предмет физики
23.02.2010 - Физика
Нет комментариев. Почему бы Вам не оставить свой?
Ваше сообщение будет опубликовано только после проверки и разрешения администратора.
Ваше имя:
Комментарий:
Смайл - 01 Смайл - 02 Смайл - 03 Смайл - 04 Смайл - 05 Смайл - 06 Смайл - 07 Смайл - 08 Смайл - 09 Смайл - 10 Смайл - 11 Смайл - 12 Смайл - 13 Смайл - 14 Смайл - 15 Смайл - 16 Смайл - 17 Смайл - 18
Секретный код:
Секретный код
Повторить:

Поиск по сайту

Поиск

Авторизация


Добро пожаловать,
Аноним

Регистрация или входРегистрация или вход
Потеряли пароль?Потеряли пароль?

Ник:
Пароль:


Содержание:1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Правообладателям
Образование