Примеры силы поверхностного натяжения. Химия нефти

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, численно равная силе поверхностного натяжения, которая действует на линию разрыва единичной длины. Это так называемый динамический смысл коэффициента поверхностного натяжения. Обозначается коэффициент поверхностного натяжения буквой . Тогда динамическое определение коэффициента поверхностного натяжения запишем в виде формулы:

где — модуль силы поверхностного натяжения, которая действует на линию разрыва поверхности. Она направлена по касательной к поверхности раздела двух фаз в направлении сокращения площади поверхности и нормально по отношению у линии разрыва. — длина линии разрыва поверхности.

Имеется другое определение коэффициента поверхностного натяжения — энергетическое. Оно исходит из того, что если площадь поверхности жидкости увеличивается, то некоторое количество молекул из ее объема поднимается на слой поверхности. С этой целью внешние силы совершают работу () против сил сцепления молекул. Величина данной работы будет пропорциональна изменению площади поверхности жидкости ():

где коэффициентом пропорциональности является коэффициент поверхностного натяжения.

Тогда коэффициент поверхностного натяжения можно определить как физическую величину, равную работе, которая необходима для увеличения площади поверхности жидкости при изотермическом процессе не единицу:

Коэффициент поверхностного натяжения — это положительная физическая величина ( title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="45" style="vertical-align: 0px;">).

Молекулы поверхностного слоя жидкости имеют избыточную, в сравнении с молекулами внутренних слоев, потенциальную энергию. Потенциальную энергию поверхностного слоя можно вычислить как:

где S — площадь поверхности жидкости.

Свойства коэффициента поверхностного натяжения

Для чистых жидкостей при увеличении температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается.

Величина коэффициента связана с силами межмолекулярного взаимодействия. Он может принимать различные значения. У летучих (хорошо испаряющихся) жидкостей меньше, чем у нелетучих.

Коэффициент поверхностного натяжения воды зависит от концентрации примесей в ней. Так, при добавлении в воду биологически активных веществ (паста, мыло) поверхностное натяжение воды уменьшается.

Коэффициент поверхностного натяжения можно найти, используя капилляры. Для этого капилляр опускают в сосуд с водой и измеряют высоту подъема жидкости (h). При этом коэффициент находят, применяя формулу:

где — плотность жидкости, — радиус капилляра, — краевой угол, — ускорение свободного падения.

Вообще говоря, поверхностное натяжение существует на границе твердых, жидких и газообразных тел. Но чаще рассматривают поверхностное натяжение на границе газ — жидкость.

Коэффициент поверхностного натяжения входит в известную формулу Лапласа, которая определяет добавочного давление (), которое вызывает кривизна поверхности жидкости:

где и — радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений поверхности жидкости.

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ является:

Н/м = Дж/м 2

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Какова разность уровней жидкости в двух сообщающихся капиллярах при полном несмачивании, если внутренние диаметры капилляров равны и ?
Решение	Высоту поднятия жидкости в капилляре можно вычислить, применяя формулу: По условию задачи мы имеем полное несмачивание, следовательно, краевой угол считаем равным . Тогда высота, на которую поднимется жидкость в первом капилляре равна: во втором капилляре: Разность уровней жидкости в капиллярах получается равной:
Ответ

Силы притяжения между молекулами на поверхности жидкости удерживают их от движения за ее пределы.

Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения — на самом деле, именно благодаря этому жидкость моментально не улетучивается. На молекулы внутри жидкости силы притяжения других молекул действуют со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи, и результирующая сила притяжения направлена внутрь жидкости. В итоге вся поверхность воды стремится стянуться под воздействием этих сил. По совокупности этот эффект приводит к формированию так называемой силы поверхностного натяжения, которая действует вдоль поверхности жидкости и приводит к образованию на ней подобия невидимой, тонкой и упругой пленки.

Одним из следствий эффекта поверхностного натяжения является то, что для увеличения площади поверхности жидкости — ее растяжения — нужно проделать механическую работу по преодолению сил поверхностного натяжения. Следовательно, если жидкость оставить в покое, она стремится принять форму, при которой площадь ее поверхности окажется минимальной. Такой формой, естественно, является сфера — вот почему дождевые капли в полете принимают почти сферическую форму (я говорю «почти», потому что в полете капли слегка вытягиваются из-за сопротивления воздуха). По этой же причине капли воды на кузове покрытого свежим воском автомобиля собираются в бусинки.

Силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.

Можно привести много примеров сил поверхностного натяжения в действии из нашей будничной жизни. Под воздействием ветра на поверхности океанов, морей и озер образуется рябь, и эта рябь представляет собой волны, в которых действующая вверх сила внутреннего давления воды уравновешивается действующей вниз силой поверхностного натяжения. Две эти силы чередуются, и на воде образуется рябь, подобно тому как за счет попеременного растяжения и сжатия образуется волна в струне музыкального инструмента.

Будет жидкость собираться в «бусинки» или ровным слоем растекаться по твердой поверхности, зависит от соотношения сил межмолекулярного взаимодействия в жидкости, вызывающих поверхностное натяжение, и сил притяжения между молекулами жидкости и твердой поверхностью. В жидкой воде, например, силы поверхностного натяжения обусловлены водородными связями между молекулами (см. Химические связи). Поверхность стекла водой смачивается, поскольку в стекле содержится достаточно много атомов кислорода, и вода легко образует гидрогенные связи не только с другими молекулами воды, но и с атомами кислорода. Если же смазать поверхность стекла жиром, водородные связи с поверхностью образовываться не будут, и вода соберется в капельки под воздействием внутренних водородных связей, обусловливающих поверхностное натяжение.

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели — сурфактанты , — не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие моющие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин после высыхания (см.

» мы сталкивались с таким явлением, как капля воды (в статьях «Капля воды — как она есть » и «Сколько весит капля воды «). За шарообразную форму воды отвечает поверхностное натяжение. Попробуем сегодня поговорить про фильтры для воды, поверхностное натяжение и здоровье . Посмотрим, есть ли здесь какая-нибудь важная (или полезная) взаимосвязь. А заодно посмотрим видео воды в невесомости.

Поверхностное натяжение воды и здоровье редко встречаются вместе. Обычно встречаются «минералы и здоровье», «живая и мёртвая вода «, « и «, «окислительно-восстановительный потенциал и здоровье» и так далее. Что на наш взгляд, странновато 🙂

Есть мнение: сниженное поверхностное натяжение воды хуже (лучше) влияет на человека. И причина — фильтры для воды. Ибо меняют его.

Натяжение — приложение силы к чему-то в разные стороны. Например, десять человек тянут простыню в разные стороны. Натяжение простыни увеличивается. На простыню даже можно попробовать спрыгнуть с высоты и не сильно удариться 🙂

Поверхностное натяжение воды — силы тянут поверхность в разные стороны.

Получается, что поврехность воды натягивается? За счёт чего она натягивается, что, так сказать, «тянет простыню»? Из-за строения молекулы воды. Как вы помните, молекула воды имеет положительный и отрицательный полюса. Которые образуют друг с другом водородные связи.

В объёме жидкости молекулы притягиваются отовсюду, силы притяжения уравновешены. А на поверхности — натяжение идёт только «снизу». Силы не уравновешены, поверхность тянет сама себя. И когда ей не мешает сила тяжести (например, в невесомости), эта сила добивается своего, вода в невесомости превращается в шар.

Иначе: молекулы в пограничном слое, в отличие от молекул в ее глубине, окружены только наполовину. Водородные связи тянут их внутрь и натягивают поверхность. Примерно так же было бы, если бы наши 10 человек завернулись в простыню и тянули её внутрь изо всех сил. Они образовали бы нечто вроде шара. Но между людьми есть пустоты, куда простыня может залезть. А у воды пустот нет. Вот мы и получаем идеальный шар 🙂

Если уж совсем глубоко копать: если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (то есть увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил, пропорциональную изменению площади поверхности. Итак, сила поверхностного натяжения равна силе, которая должна быть приложена, чтобы увеличить площадь поверхности на единицу площади. Для справки: поверхностное натяжение воды 0,07286 Н/м.

Примеры поверхностного натяжения из Википедии:

1. В невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех фигур одинаковой ёмкости).
2. Струя воды «слипается» в цилиндр.
3. Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади жидкости. Так, на поверхности воды может плавать иголка, маленькая монета.
4. Некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.
5. На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

Теперь переходим к фильтрам и поверхностному натяжению воды.

Могут ли они иметь какое-либо отношение к поверхностному нятяжению?

Пройдём весь путь воды.

• Вода сначала идёт на фильтр грубой очистки, где уходит песок и прочие соразмерные частицы.
• Далее, чаще всего, вода проходит через фильтр с активированным углём. Удалены хлор (если он есть) и органика (если уголь это может).
• Обычно далее обратный осмос — полупроницаемая преграда; в стакан вытекает чистая вода, а прочие соли и т.д. сливаются в канализацию.

На каких этапах с водой происходит нечто, что меняет её способность держаться за саму себя? То есть, меняет поверхностное натяжение? Если это и есть, то на стадии обратного осмоса, ведь вода протискивается сквозь очень маленькие волокна и в некотором роде взвихривается.

Примерно то же самое происходит при кипении (тоже очистка воды) — объём воды дробится на более мелкие относительно неподвижные части. Кстати, в результате получается температурно-активированная вода . У которой, согласно ряду исследователей, поверхностное натяжение меньше, чем у исходной воды.

К сожалению, точных данных, насколько снижается поверхностное натяжение при кипении или очистке обратным осмосом, мы не нашли.

Ещё один пример — электромагнитная обработка воды. Здесь снижение поверхностного натяжения подтверждается интересным опытом. Так, растения, которые поливаются солоноватой водой, плохо растут. Причина — им сложно втягивать воду с солями, соли плохо выпускают воду в растение. Однако, солоноватая вода после электромагнитной обработки легче проходит в растения, и они не настолько сильно подавлены.

Однако, и здесь численных данных и опытов нет.

Теперь возвращаемся к основному вопросу:

Связаны ли поверхностное натяжение и здоровье?

Опять же, экспериментальных данных нет. Но можно предположить теоретически, на основе наших знаний о поверхностном натяжении воды.

Так, чем меньше поверхностное натяжение воды, тем лучше она всасывается в клетки (поскольку не сопротивляется и не препятствует поверхностное натяжение). Следовательно, из клеток будут быстрее выводиться продукты метаболизма и прочие вредные вещества. В целом, организм будет в большей степени здоров, чем тот, у которого продукты обмена веществ и ядовитые вещества выводятся медленнее.

Так что вывод прост:

Если фильтры и уменьшают поверхностное натяжение, то на здоровье это не повлияет.

По материалам http://voda.blox.ua/

Основная часть.

Для понимания основных свойств и закономерностей жидкого состояния вещества необходимо рассмотреть следующие аспекты:

Строение жидкости. Движение молекул жидкости .

Жидкость – это нечто такое, что может течь.

В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным.

Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к ней других частиц становится все менее упорядоченным, и довольно быстро порядок в расположении частиц совсем исчезает.

Молекулы жидкости движутся гораздо более свободно, чем молекулы твердого тела, хотя и не так свободно, как молекулы газа.

Каждая молекула жидкости в течение некоторого времени движется то туда, то сюда, не удаляясь, однако от своих соседей. Но время от времени молекула жидкости вырывается из своего окружения и переходит в другое место, попадая в новое окружение, где опять в течение некоторого времени совершает движения, подобные колебанию. Значительные заслуги в разработке ряда проблем теории жидкого состояния принадлежит советскому ученому Я. И. Френкелю.

Cогласно Френкелю, тепловое движение в жидкостях имеет следующий характер. Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула меняет место равновесия, скачком перемещаясь на новое положение, отстоящего от предыдущего на расстояние порядка размеров самих молекул. То есть, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест.Таким образом, движение молекул жидкости представляет собой нечто вроде смеси движений в твердом теле и в газе: колебательное движение на одном месте сменяется свободным переходом из одного места в другое.

Давление в жидкости

Повседневный опыт учит нас, что жидкости действуют с известными силами на поверхность твердых тел, соприкасающихся с ними. Эти силы называются силами давления жидкости.

Прикрывая пальцем отверстие открытого водопроводного крана, мы ощущаем силу давления жидкости на палец. Боль в ушах, которую испытывает пловец, нырнувший на большую глубину, вызвана силами давления воды на барабанную перепонку уха. Термометры для измерения температуры на глубине моря должны быть очень прочными, чтобы давление воды не могло раздавить их.

Давление в жидкости обусловлено изменением ее объема – сжатием. По отношению к изменению объема жидкости обладают упругостью. Силы упругости в жидкости – это и есть силы давления. Таким образом, если жидкость действует с силами давления на соприкасающиеся с ней тела, это значит, что она сжата. Так как при сжатии плотность вещества растет то можно сказать, что жидкости обладают упругостью по отношению к изменению плотности.

Давление в жидкости перпендикулярно любой поверхности, помещенной в жидкость. Давление в жидкости на глубине h равно сумме давления на поверхности и величины, пропорциональной глубине:

Благодаря тому, что жидкости могут передавать статическое давление, практически не менее своей плотности они могут использоваться в устройствах, дающих выигрыш в силе: гидравлическом прессе.

Закон Архимеда

На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют силы давления. Так как давление увеличивается с глубиной погружения, то силы давления, действующие на нижнюю часть жидкости и направленные вверх, больше, чем силы, действующие на верхнюю его часть и направленные вниз, и мы можем ожидать, что равнодействующая сил давления будет направлена вверх. Равнодействующая сил давления на тело, погруженное в жидкость, называется поддерживающей силой жидкости.

Если тело, погруженное в жидкость, предоставить самому себе, то оно потонет, останется в равновесии или всплывет на поверхность жидкости в зависимости от того, меньше ли поддерживающая сила, чем сила тяжести, действующая на тело, равна ей или больше ее.

Закон Архимеда заключается в том, что на тело, находящееся в жидкости, действует направленная вверх выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости. На тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила (называемая силой Архимеда)

где ρ - плотность жидкости (газа), - ускорение свободного падения, а V - объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности).

Если тело, погруженное в жидкость, подвешено к чаше весов, то весы показывают разность между весом тела в воздухе и весом вытесненной жидкости. Поэтому закону Архимеда придают иногда следующую формулировку: тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

Интересно отметить такой экспериментальный факт, что, находясь внутри другой жидкости большего удельного веса, жидкость по закону Архимеда «теряет» свой вес и принимает свою естественную, шарообразную форму.

Испарение

В поверхностном слое и вблизи поверхности жидкости действуют силы, которые обеспечивают существование поверхности и не позволяют молекулам покидать объем жидкости. Благодаря тепловому движению некоторая часть молекул имеет достаточно большие скорости, чтобы преодолеть силы, удерживающие молекулы в жидкости, и покинуть жидкость. Это явление называется испарением. Оно наблюдается при любой температуре, но его интенсивность возрастает с увеличением температуры.

Если покинувшие жидкость молекулы удаляются из пространства вблизи поверхности жидкости, то, в конце концов, вся жидкость испарится. Если же молекулы, покинувшие жидкость не удаляются, то они образуют пар. Молекулы пара, попавшие в область вблизи поверхности жидкости, силами притяжения втягиваются в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

Таким образом, в случае неудаления молекул скорость испарения уменьшается со временем. При дальнейшем увеличении плотности пара достигается такая ситуация, когда число молекул, покидающих жидкость за некоторое время, будет равно числу молекул, возвращающихся в жидкость за то же время. Наступает состояние динамического равновесия. Пар в состоянии динамического равновесия с жидкостью называется насыщенным.

С повышением температуры плотность и давление насыщенного пара увеличиваются. Чем выше температура, тем большее число молекул жидкости обладает энергией, достаточной для испарения, и тем большей должна быть плотность пара, чтобы конденсация могла сравняться с испарением.

Кипение

Когда при нагревании жидкости достигается температура, при которой давление насыщенных паров равно внешнему давлению, устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. При сообщении жидкости дополнительного количества теплоты происходит немедленное превращение соответствующей массы жидкости в пар. Этот процесс называется кипением.

Кипение – это интенсивное испарение жидкости, происходящее не только с поверхности, но и во всем ее объеме, внутрь образующихся пузырьков пара. Чтобы перейти из жидкости в пар, молекулы должны приобрести энергию, необходимую для преодоления сил притяжения, удерживающих их в жидкости. Например, для испарения 1 г воды при температуре 100° С и давлении, соответствующем атмосферному давлению на уровне моря, требуется затратить 2258 Дж, из которых 1880 идут на отделение молекул от жидкости, а остальные – на работу по увеличению объема, занимаемого системой, против сил атмосферного давления (1 г водяных паров при 100° С и нормальном давлении занимает объем 1,673 см 3 , тогда как 1 г воды при тех же условиях – лишь 1,04 см 3).

Температурой кипения является та температура, при которой давление насыщенных паров становится равным внешнему давлению. При увеличении давления температура кипения увеличивается, а при уменьшении - уменьшается.

По причине изменения давления в жидкости с высотой ее столба, кипение на различных уровнях в жидкости происходит, строго говоря, при различной температуре. Определенную температуру имеет лишь насыщенный пар над поверхностью кипящей жидкости. Его температура определяется только внешним давлением. Именно эта температура имеется в виду, когда говорят о температуре кипения.

Температуры кипения различных жидкостей сильно отличаются, между собой и это находит широкое применение в технике, например, при разгонке нефтепродуктов.

Количество тепла, которое необходимо подвести, для того чтобы изотермически превратить в пар определенное количество жидкости, при внешнем давлении, равном давлению ее насыщенных паров, называется скрытой теплотой парообразования. Обычно эту величину соотносят к одному грамму, или одному молю. Количество теплоты, необходимое для изотермического испарения моля жидкости называется молярной скрытой теплотой парообразования. Если эту величину поделить на молекулярный вес, то получится удельная скрытая теплота парообразования.

Поверхностное натяжение жидкости

Свойство жидкости сокращать свою поверхность до минимума называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости. На поверхности жидкости молекулы испытывают действие сил, которые не являются симметричными. На находящуюся внутри жидкости молекулу со стороны соседей в среднем равномерно со всех сторон действует сила притяжения, сцепления. Если поверхность жидкости увеличивать, то молекулы будут двигаться против действия удерживающих сил. Таким образом, сила, стремящаяся сократить поверхность жидкости, действует в противоположном направлении внешней растягивающей поверхность силе. Эта сила называется силой поверхностного натяжения и вычисляется по формуле:

Коэффициент поверхностного натяжения()

Длина границы поверхности жидкости

Обратим внимание, что у легко испаряющихся жидкостей (эфира, спирта) поверхностное натяжение меньше, чем у жидкостей нелетучих (у ртути). Очень мало поверхностное натяжение у жидкого водорода и, особенно, у жидкого гелия. У жидких металлов поверхностное натяжение, наоборот, очень велико. Различие в поверхностном натяжении жидкостей объясняется различием в силах сцепления у разных молекул.

Измерения поверхностного натяжения жидкости показывают, что поверхностное натяжение зависит не только от природы жидкости, но и от его температуры: с повышением температуры различие в плотностях жидкости уменьшаются, в связи с этим уменьшается и коэффициент поверхностного натяжения - .

Благодаря поверхностному натяжению любой объем жидкости стремится уменьшить площадь поверхности, уменьшая таким образом и потенциальную энергию. Поверхностное натяжение – одна из упругих сил, ответственных за движение ряби на воде. В выпуклостях поверхностное тяготение и поверхностное натяжение тянут частицы воды вниз, стремясь сделать поверхность снова гладкой.

Жидкостные пленки

Все знают, как легко получить пену из мыльной воды. Пена – это множества пузырьков воздуха, ограниченных тончайшей пленкой из жидкости. Из жидкости, образующей пену, легко можно получить и отдельную пленку.

Эти пленки очень интересны. Они могут быть чрезвычайно тонки: в наиболее тонких частях их толщина не превосходит стотысячной доли миллиметра. Несмотря на свою тонкость, они иногда очень устойчивы. Мыльную пленку можно растягивать и деформировать, сквозь мыльную пленку может протекать струя воды, не разрушая ее.

Чем же объяснить устойчивость пленок? Непременным условием образования пленки является прибавление к чистой жидкости растворяющихся в ней веществ, притом таких, которые сильно понижают поверхностное натяжение

В природе и технике мы обычно встречаемся не с отдельными пленками, а с собранием пленок – пеной. Часто можно видеть в ручьях, там, где небольшие струйки падают в спокойную воду, обильное образование пены. В этом случае способность воды пениться связана с наличием в воде особого органического вещества, выделяющегося из корней растений. В строительной технике используют материалы, имеющие ячеистую структуру, вроде пены. Такие материалы дешевы, легки, плохо проводят теплоту и звуки и достаточно прочны. Для их изготовления добавляют в растворы, из которых образуются стройматериалы, вещества, способствующие пенообразованию.

Смачивание

Небольшие капельки ртути, помещенные на стеклянную пластинку, принимают шарообразную форму. Это является результатом действия молекулярных сил, стремящихся уменьшить поверхность жидкости. Ртуть, помещенная на поверхность твердого тела, не всегда образует круглые капли. Она растекается по цинковой пластинке, причем общая поверхность капельки, несомненно, увеличится.

Капля анилина имеет шарообразную форму тоже только тогда, когда она не касается стенки стеклянного сосуда. Стоит ей коснуться стенки, как она тотчас прилипает к стеклу, растягиваясь по нему и приобретая большую общую поверхность.

Это объясняется тем, что в случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекулы жидкости с молекулой твердого тела. В случае ртути и стекла силы сцепления между молекулами ртути и стекла малы по сравнению с силами сцепления между молекулами ртути, и ртуть собирается в каплю.

Такая жидкость называется не смачивающей твердое тело. В случае же ртути и цинка силы сцепления между молекулами жидкости и твердого тела превосходят силы сцепления, действующие между молекулами жидкости, и жидкость растекается по твердому телу. В этом случае жидкость называется смачивающей твердое тело.

Отсюда следует, что, говоря о поверхности жидкости, надо иметь в виду не только поверхность, где жидкость граничит с воздухом, но также и поверхность, граничащую с другими жидкостями и ли с твердым телом.

В зависимости от того, смачивает ли жидкость стенки сосуда или не смачивает, форма поверхности жидкости у места соприкосновения с твердой стенкой и газом имеет тот или иной вид. В случае несмачивания форма поверхности жидкости у края круглая, выпуклая. В случае смачивания жидкость у края принимает вогнутую форму.

Капиллярные явления

В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела часто впитывают их в себя. На этом основано действие полотенца при вытирании рук, действие фитиля в керосиновой лампе и т. д. Подобные явления можно также наблюдать в узких стеклянных трубочках. Узкие трубочки называются капиллярными или волосными.

При погружении такой трубочки одним концом в широкий сосуд в широкий сосуд происходит следующее: если жидкость смачивает стенки трубки, то она поднимется над уровнем жидкости в сосуде и притом тем выше, чем уже трубка; если жидкость не смачивает стенки, то наоборот уровень жидкости в трубке устанавливается ниже, чем в широком сосуде. Изменение высоты уровня жидкости в узких трубках или зазорах получило название капиллярности. В широком смысле под капиллярными явлениями понимают все явления, обусловленные существованием поверхностного натяжения.

Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках зависит от радиуса канала в трубке, поверхностного натяжения и плотности жидкости. Между жидкостью в капилляре и в широком сосуде устанавливается такая разность уровней h, чтобы гидростатическое давление rgh уравновешивало капиллярное давление:

где s - поверхностное натяжение жидкости

R – радиус капилляра.

Высота поднятия жидкости в капилляре пропорциональна ее поверхностному натяжению и обратно пропорциональна радиусу канала капилляра и плотности жидкости (закон Жюрена)

Наиболее характерным свойством жидкости, отличающим ее от газа, является то, что на границе с газом жидкость образует свободную поверхность, наличие которой приводит к возникновению явлений особого рода, называемых поверхностными. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи свободной поверхности.

На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих ее молекул, расположенных от нее на расстоянии порядка 10 -9 м (радиус молекулярного действия). На молекулу M 1 , расположенную внутри жидкости (рис. 1), действуют силы со стороны таких же молекул, и равнодействующая этих сил близка к нулю.

Для молекул M 2 равнодействующие сил отличны от нуля и направлены внутрь жидкости, перпендикулярно к ее поверхности. Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создает давление на жидкость (молекулярное давление) .

Чтобы переместить молекулу M 3 , расположенную непосредственно под поверхностным слоем, на поверхность, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления. Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией .

Очевидно, что величина поверхностной энергии тем больше, чем больше площадь свободной поверхности. Пусть площадь свободной поверхности изменилась на ΔS , при этом поверхностная энергия изменилась на \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\), где σ - коэффициент поверхностного натяжения. Так как для этого изменения необходимо совершить работу

\(~A = \Delta W_p ,\) то \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)

Отсюда \(~\sigma = \dfrac{A}{\Delta S}\) .

Единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является джоуль на квадратный метр (Дж/м 2).

- величина, численно равная работе, совершенной молекулярными силами при изменении площади свободной поверхности жидкости на 1 м 2 при постоянной температуре.

Так как любая система, предоставленная сама себе, стремится занять такое положение, в котором ее потенциальная энергия наименьшая, то жидкость обнаруживает стремление к сокращению свободной поверхности. Поверхностный слой жидкости ведет себя подобно растянутой резиновой пленке, т.е. все время стремится сократить площадь своей поверхности до минимальных размеров, возможных при данном объеме.

Например, капля жидкости в состоянии невесомости имеет сферическую форму.

Поверхностное натяжение

Свойство поверхности жидкости сокращаться можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Молекула M 1 (рис. 2), расположенная на поверхности жидкости, взаимодействует не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами, находящимися на поверхности жидкости, расположенными в пределах сферы молекулярного действия. Для молекулы M 1 равнодействующая \(~\vec R\) молекулярных сил, направленных вдоль свободной поверхности жидкости, равна нулю, а для молекулы M 2 , расположенной у границы поверхности жидкости, \(~\vec R \ne 0\) и \(~\vec R\) направлена по нормали к границам свободной поверхности и по касательной к самой поверхности жидкости .

Равнодействующая сил, действующих на все молекулы, находящиеся на границе свободной поверхности, и есть сила поверхностного натяжения . В целом она действует так, что стремится сократить поверхность жидкости.

Можно предположить, что сила поверхностного натяжения \(~\vec F\) прямо пропорциональна длине l границы поверхностного слоя жидкости, ведь на всех участках поверхностного слоя жидкости молекулы находятся в одинаковых условиях:

\(~F \sim l .\)

Действительно, рассмотрим вертикальный прямоугольный каркас (рис. 3, а, б), подвижная сторона которого уравновешена. После извлечения рамки из раствора мыльной пленки подвижная часть перемещается из положения 1 в положение 2 . Учитывая, что пленка представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности, найдем работу, совершаемую при перемещении поперечины на расстояние h = a 1 ⋅ a 2: A = 2F⋅h , где F - сила, действующая на каркас со стороны каждого поверхностного слоя. С другой стороны, \(~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).

Следовательно, \(~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Rightarrow F = \sigma \cdot l\), откуда \(~\sigma = \dfrac Fl\).

Согласно этой формуле единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является ньютон на метр (Н/м).

Коэффициент поверхностного натяжения σ численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости, от температуры и от наличия примесей. При увеличении температуры он уменьшается.

• При критической температуре, когда исчезает различие между жидкостью и паром, σ = 0.

Примеси в основном уменьшают (некоторые увеличивают) коэффициент поверхностного натяжения.

Таким образом, поверхностный слой жидкости представляет собой как бы эластичную растянутую пленку, охватывающую всю жидкость и стремящуюся собрать ее в одну «каплю». Такая модель (эластичная растянутая пленка) позволяет определять направление сил поверхностного натяжения. Например, если пленка под действием внешних сил растягивается, то сила поверхностного натяжения будет направлена вдоль поверхности жидкости против растяжения. Однако это состояние существенно отличается от натяжения упругой резиновой пленки. Упругая пленка растягивается за счет увеличения расстояния между частицами, при этом сила натяжения возрастает, при растяжении же жидкой пленки расстояние между частицами не меняется, а увеличение поверхности достигается в результате перехода молекул из толщи жидкости в поверхностный слой. Поэтому при увеличении поверхности жидкости сила поверхностного натяжения не изменяется (она не зависит от площади поверхности).

См. также

1. Кикоин А.К. О силах поверхностного натяжения // Квант. - 1983. - № 12. - С. 27-28

Смачивание

В случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Смачивание - явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют смачивающей ; если силы притяжения жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют несмачивающей это тело.

Одна и та же жидкость может быть смачивающей и несмачивающей по отношению к разным телам. Так, вода смачивает стекло и не смачивает жирную поверхность, ртуть не смачивает стекло, а смачивает медь.

Смачивание или несмачивание жидкостью стенок сосуда, в котором она находится, влияет на форму свободной поверхности жидкости в сосуде. Если большое количество жидкости налито в сосуд, то форма ее поверхности определяется силой тяжести, которая обеспечивает плоскую и горизонтальную поверхность. Однако у самых стенок явление смачивания и несмачивания приводят к искривлению поверхности жидкости, так называемые краевые эффекты .

Количественной характеристикой краевых эффектов служит краевой угол θ - угол между плоскостью касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела. Внутри краевого угла всегда находится жидкость (рис. 4, а, б). При смачивании он будет острым (рис. 4, а), а при несмачивании – тупым (рис. 4, б). В школьном курсе физики рассматривают только полное смачивание (θ = 0º) или полное несмачивание (θ = 180º).

Силы, связанные с наличием поверхностного натяжения и направленные по касательной к поверхности жидкости, в случае выпуклой поверхности дают результирующую, направленную внутрь жидкости (рис. 5, а). В случае вогнутой поверхности результирующая сила направлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидкостью (рис. 5, б).

Если смачивающая жидкость находится на открытой поверхности твердого тела (рис. 6, а), то происходит ее растекание по этой поверхности. Если на открытой поверхности твердого тела находится несмачивающая жидкость, то она принимает форму, близкую к шаровой (рис. 6, б).

Смачивание имеет важное значение как в быту, так и в промышленности. Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотоматериалов, нанесении лакокрасочных покрытий, при склеивании материалов, при пайке, во флотационных процессах (обогащение руд ценной породой). И наоборот, при сооружении гидроизоляционных устройств необходимы материалы, не смачиваемые водой.

Капиллярные явления

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда особенно отчетливо видно в узких трубках, где искривляется вся свободная поверхность жидкости. В трубках с узким сечением эта поверхность представляет собой часть сферы, ее называют мениском . У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 7, а), а у несмачивающей - выпуклый (рис. 7, б). Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь поперечного сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться.

Силы поверхностного натяжения создают дополнительное (лапласово) давление под искривленной поверхностью жидкости.

Если поверхность жидкости вогнутая , то сила поверхностного натяжения направлена из жидкости (рис. 8, а), и давление под вогнутой поверхностью жидкости меньше, чем под плоской, на \(~p = \dfrac{2 \sigma }{R}\). Если поверхность жидкости выпуклая , то сила поверхностного натяжения направлена внутрь жидкости (рис. 8, б), и давление под выпуклой поверхностью жидкости больше, чем под плоской, на ту же величину.

Рис. 8

• Эта формула является частным случаем формулы Лапласа, определяющей избыточное давление для произвольной поверхности жидкости двоякой кривизны:

\(~p = \sigma \cdot \left(\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} \right),\)

где R 1 и R 2 - радиусы кривизны двух любых взаимно перпендикулярных нормальных сечений поверхности жидкости. Радиус кривизны положителен, если центр кривизны соответствующего сечения находится внутри жидкости, и отрицателен, если центр кривизны находится вне жидкости. Для цилиндрической поверхности (R 1 = l ; R 2 = ∞) избыточное давление \(~p = \dfrac{\sigma}{R}\) .

Если поместить узкую трубку (капилляр ) одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие наличия силы лапласова давления жидкость в капилляре поднимается (если жидкость смачивающая) или опускается (если жидкость несмачивающая) (рис. 9, а, б), так как под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет.

Явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких сосудах называются капиллярными явлениями .

Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту h , при которой сила гидростатического давления столба жидкости уравновешивается силой избыточного давления, т.е.

\(~\dfrac{2 \sigma}{R} = \rho \cdot g \cdot h .\)

Откуда \(~h = \dfrac{2 \sigma}{\rho \cdot g \cdot R}\). Если смачивание не полное θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), то, как показывают расчеты, \(~h = \dfrac{2 \sigma}{\rho \cdot g \cdot R} \cdot \cos \theta\).

Капиллярные явления весьма распространены. Поднятие воды в почве, система кровеносных сосудов в легких, корневая система у растений, фитиль и промокательная бумага - капиллярные системы.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 178-184.