Какова природа поверхностного натяжения жидкости

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Вещество, находящееся в жидком состоянии, характеризуется крайне плотным расположением молекул друг относительно друга. Отличаясь от твердых кристаллических тел, чьи молекулы формируют упорядоченные структуры по всему объему кристалла и ограничены в своих тепловых колебаниях фиксированными центрами, молекулы жидкости обладают значительной степенью свободы. Любая конкретная молекула жидкого вещества, как это происходит и в твердых телах, «зажата» соседними молекулами и может совершать тепловые колебания поблизости с некоторым положением равновесия. Несмотря на это, в какой-то момент, любая молекула может переместиться на соседнее вакантное место. Подобные перемещения в жидкостях происходят довольно часто, благодаря чему молекулы не привязаны к конкретным центрам, как в кристаллах, а имеют возможность перемещаться по всему объему жидкости. Именно на этом факте основывается текучесть жидкостей.

Тепловое расширение воды обладает важным для жизни на Земле эффектом. В условиях температуры ниже 4 ° С вода начинает расширяется при снижении температуры β < 0 . Максимальную плотность ρ в = 10 3 к г / м 3 вода приобретает при температуре 4 ° С .

Замерзая, вода расширяется, из-за чего лед продолжает плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом эквивалентна величине в 0 ° С . У дна водоема, то есть слоях воды, обладающих большей плотностью, температура держится около 4 ° С .

Поверхностное натяжение

Наличие свободной поверхности в жидкостях является одной из самых интересных ее особенностей. В отличие от газов, жидкость не заполняет весь объем сосуда, в котором она находится. Между жидкостью и газом, возможно паром, возникает граница раздела, находящаяся в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. В отличие от молекул в глубине жидкости, молекулы, располагающиеся в пограничном ее слое, окружены другими молекулами этой же жидкости не со всех сторон. В среднем воздействующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул силы межмолекулярного взаимодействия взаимно скомпенсированы. Каждая отдельно взятая молекула в пограничном слое притягивается находящимися внутри жидкости молекулами. При этом, силами, которые оказывают воздействие на такую молекулу жидкости со стороны молекул газа можно пренебречь. Вследствие этого возникает некая направленная вглубь жидкости равнодействующая сила. Поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости, с помощью действия сил межмолекулярного притяжения. Однако все молекулы, в том числе и принадлежащие пограничному слою, должны находиться в состоянии равновесия. Оно достигается за счет сокращения расстояния между молекулами в пограничном слое и ближайшими их соседями в жидкости. Как проиллюстрировано на рисунке 3 . 1 . 2 , в процессе уменьшения расстояния расстояния между молекулами появляются силы отталкивания. В случае, когда средняя величина расстояния между молекулами в жидкости равна r 0 , молекулы поверхностного слоя расположены плотнее, и по этой причине по сравнению с внутренними молекулами они имеют дополнительным запас потенциальной энергии, что можно увидеть на рисунке 3 . 1 . 2 .

Краевой угол θ является тупым (рисунок 3 . 5 . 5 ), в случае, если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела. В подобном случае можно сказать, что поверхность твердого тела не смачивается жидкостью. В условиях полного смачивания θ = 0 , полного несмачивания θ = 180 ° .

Рисунок 3 . 5 . 5 . Краевые углы смачивающей ( 1 ) и несмачивающей ( 2 ) жидкостей.

Капиллярные явления

Капиллярными явлениями называют процесс подъема или опускания жидкости в трубках малого диаметра, другими словами, в капиллярах.

Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рисунке 3 . 5 . 6 проиллюстрирована опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ капиллярная трубка, обладающая некоторым радиусом r . При этом верхний конец капилляра является открытым. Подъем жидкости в капилляре будет происходить до тех пор, пока сила тяжести F т → , оказывающая воздействие на столб жидкости в капилляре, не станет эквивалентна по модулю результирующей F н действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра сил поверхностного натяжения: F т = F н , где F т = m g = ρ h π r 2 g , F н = σ 2 π r cos θ .

Рисунок 3 . 5 . 6 . Подъем смачивающей жидкости в капилляре.

При полном смачивании θ = 0 , cos θ = 1 . В таком случае:

Вода почти полностью смачивает чистую поверхность стекла. Ртуть же, строго наоборот, полностью не смачивает стеклянную поверхность. По этой причине уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже, чем уровень в сосуде.

Источник

Природа поверхностного натяжения и его характеристики

Молекулы жидкости в объёме и на её свободной поверхности находятся в неэквивалентных условиях (см. рис 3.1).

Каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех соседних молекул, находящихся в пределах сферы молекулярного действия радиусом r ₀, центр которой совпадает с данной молекулой. Равнодействующая всех сил для молекул в объеме жидкости (при r >2 r ₀) в среднем равна нулю. В приповерхностной области (при r < r _о) окружение каждой молекулы несимметрично и действие соседних молекул не скомпенсировано. Таким образом, на каждую молекулу, находящуюся в приповерхностном слое толщины ~ r ₀ действует результирующая сила f, направленная в объем жидкости. Под действием этой силы молекулы совершают более частые переходы в объем. Поэтому в приповерхностном слое концентрация молекул ниже, чем в объеме. Этот слой оказывается как бы растянутым, обладает дополнительной потенциальной (упругой) энергией и ведет себя подобно резиновой пленке, для молекул это означает, что они должны совершить работу против равнодействующей силы f, чтобы перейти из объема в приповерхностный слой.

Макроскопической удельной характеристикой избыточной энергии поверхностного слоя является коэффициент поверхностного натяжения – это его энергетическое определение

где – работа, затраченная на увеличение свободной поверхности жидкости (поверхностного слоя) на площадь . Работа идет на увеличение энергии поверхностного слоя, т. е. . Поэтому из определения коэффициента σ следует, что энергия поверхностного натяжения пленки площадью равна:

Всякая физическая система в состоянии равновесия стремится к минимуму потенциальной энергии. Поэтому, например, капля жидкости в состоянии свободного падения принимает форму шара, мыльный пузырь имеет сферическую форму и т. д., т. к. сфера имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме.

Стремление поверхностного слоя к сокращению приводит к тому, что на границе слоя действует сила. Если на границу пленки жидкости длиной действует сила Δ F, то при перемещении перпендикулярно границе на расстояние совершается работа . С другой стороны ,а – изменение площади пленки. Из сравнения этих работ силовое определение коэффициента поверхностного натяжения

где Δ F – сила, действующая на границу пленки жидкости длиной .

Обратное соотношение позволяет рассчитывать силу поверхностного натяжения

Необходимо помнить, что это соотношение справедливо для прямолинейного участка границы пленки. Для. криволинейных границ пленки силы Δ F нужно суммировать или в пределе при производить криволинейное интегрирование.

Другое важное следствие действия поверхностного натяжения состоит в том, что под искривлённой поверхностью жидкости создаётся избыточное давление . Согласно формуле Лапласа его величина

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны пленки жидкости в данной точке. Они определяются сечениями поверхности взаимно перпендикулярными плоскостями (см. рис. 3.2) и могут быть как положительными, так отрицательными. Например, для капли жидкости R₁=R₂=R – радиусу капли и .

Значения коэффициента поверхностного натяжения для некоторыхжидкостей приведены в, таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Коэффициенты поверхностного натяжения

№ п/п	Жидкость (20ºС)	Коэффициент
1	Бензин	21
2	Бензол	41,5
3	Вода	72,75
4	Мыльный раствор	40
5	Нефть	30
6	Спирт этиловый	22,0
7	Ртуть	513
8	Фреон-12	9,0

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Источник

Сила поверхностного натяжения

Одной из малозаметных сил, которая тем не менее играет немалую роль в природе, является сила поверхностного натяжения жидкостей. Познакомимся с действием сил поверхностного натяжения, выведем формулу этой силы.

Механизм образования поверхностного натяжения

В основе природы сил поверхностного натяжения лежит электростатическое притяжение молекул, находящихся на близком расстоянии в жидкости.

В самом деле, в жидкости, в отличие от газа, силы притяжения между молекулами больше, чем силы отталкивания, и энергия этого притяжения больше тепловой энергии, стремящейся распределить молекулы как можно шире. Поэтому равнодействующая сил, действующая на отдельную молекулу, будет направлена в сторону геометрического центра тела, образованного остальными молекулами.

В результате из-за отсутствия других сил молекулы жидкости всегда собираются в шарообразное тело. Равнодействующая сил, действующих на молекулы в глубине этого тела, практически равна нулю. Равнодействующая сил, действующая на молекулы на границе тела, направлена в сторону центра. Это приводит к тому, что плотность молекул внутри жидкости больше, чем плотность молекул, находящихся на границе. В результате в поверхностном слое возникают силы, стремящиеся к сокращению площади поверхности, — это и есть сила поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения

Из-за разницы плотности, у молекул на поверхности имеется некоторый избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами в глубине. Таких молекул тем больше, чем больше площадь поверхности. А значит, общая поверхностная энергия прямо пропорциональна площади поверхности жидкости:

Значение коэффициента $\sigma$ в этой формуле зависит от свойств жидкости, он называется коэффициентом поверхностного натяжения. Его физический смысл состоит в том, что это поверхностная энергия слоя жидкости с единичной площадью. Размерность — джоуль на квадратный метр или ньютон на метр.

Для определения силы поверхностного натяжения представим себе квадратную рамку со стороной $l$, затянутую пленкой жидкости (например, мыльной).

При растягивании рамки в одном из направлений на расстояние $h$, площадь поверхности жидкости увеличится на:

Коэффициент 2 в формуле возникает потому, что пленка жидкости имеет две стороны. Из предыдущей формулы получим, что поверхностная энергия при этом возрастет на:

Вся эта энергия возникла в результате действия внешней силы, растягивающей рамку на расстояние $h$, которая в свою очередь равна сумме двух сил поверхностного натяжения (у пленки две стороны):

Приравнивая левые части двух последних формул, имеем:

Направлена эта сила по касательной к поверхности и перпендикулярно границе поверхностного слоя. В данном случае перпендикулярно подвижной стороне рамки.

В обычной жизни мы не замечаем сил поверхностного натяжения. Однако их сил хватает, чтобы удерживать на воде клопов-водомерок или отклонять пламя свечи воздухом, выходящим из надутого мыльного пузыря.

Что мы узнали?

Плотность молекул внутри жидкости больше, чем плотность молекул в поверхностном слое. Это приводит к тому, что равнодействующая сил притяжения и отталкивания в поверхностном слое стремится к его сокращению. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.

Источник

Какова природа силы поверхностного натяжения? Какова природа силы поверхностного натяжения?

Между любыми молекулами в жидкости существует притяжение. Если молекула расположена в объеме жидкости, то силы притяжения, действующие на нее со стороны окружающих молекул (а силы — это векторы) взаимно компенсируются, и равнодействующая равна нулю. Если молекула расположена на поверхности жидкости, то равнодействующая сил притяжения со стороны других молекул жидкости не равна нулю, и она направлена внутрь объема. В газовой фазе тоже есть молекулы, но количество их в таком же объеме в сотни раз меньше, и равнодействующая их сил притяжения хоть и направлена вне жидкости, но она гораздо меньше, чем равнодействующая со стороны жидкости. В итоге, каждая молекула жидкости, находящаяся на поверхности жидкости как бы «затягивается внутрь жидкости. Но все молекулы не могут находиться внутри объема, какие-то непременно находятся на поверхности. Чтобы сумма сил, затягивающих все такие молекулы внутрь объема жидкости была минимальна, жидкость стремится уменьшить свою поверхность. А минимальной поверхностью при заданном объеме обладает шар, поэтому любая жидкость, предоставленная сама себе, когда на нее не действуют другие силы, стремится принять форму шара. В невесомости это так и происходит. В условиях гравитации сила тяжести стремится «раскатать» жидкость в тонкую пленку, но при этом поверхность ее значительно увеличивается. Силы поверхностного натяжения, наоборот, стремятся «скатать» жидкость в шар. Поэтому жидкость на твердой (несмачиваемой) поверхности имеет форму приплюснутого шара.
Некоторая аналогия — поведение выводка щенят, когда они без мамы спят на холоде. Щенкам, находящимся с краю, холодно, и они стремятся пролезть внутрь кучки.

Источник