Сила поверхностного натяжения природа силы

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

Почему это важно

Хорошо известно, что при лечении различных заболеваний большинство жидких препаратов рекомендуется принимать по рецептуре в определенном количестве капель.

Эти капли образуются при медленном истечении жидкости из небольшого отверстия, причём форма капли определяется силами поверхностного натяжения и силой тяжести. В состоянии невесомости силы тяжести нет, и форма капель полностью определяется силами поверхностного натяжения, стремящимися уменьшить площадь поверхности до минимума и придающими каплям строго шарообразную форму – форму объекта с минимальной площадью поверхности.

С поверхностным натяжением связаны диспергирование (измельчение, распыление) твёрдых тел и жидкостей на малые частицы или капли, коалесценция (слияние капель или пузырьков в эмульсиях, туманах, пенах), коагуляция (агрегирование частиц дисперсной фазы). Все эти явления важны для фармакологии.

Капиллярные явления также объясняются поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение определяет форму клеток и их частей. Изменение сил поверхностного натяжения влияет на фагоцитоз (захват клетками соседних частиц), пиноцитоз (захват клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами), а значит и на динамику действия используемых фармакологических лекарственных средств.

Рассмотрим явление поверхностного натяжения подробнее.

Поверхностное натяжение – это явление, при котором вещество (прежде всего, жидкость) стремится приобрести форму с минимально возможной площадью поверхности. Это достигается за счёт наличия сил поверхностного натяжения. Приближение к шаровой форме достигается тем больше, чем слабее силы тяжести. Но даже при нормальной силе тяжести небольшие количества жидких сред стремятся принять шарообразную форму, соответствующую наименьшей величине поверхности, т.к. у малых капель сила поверхностного натяжения значительно превосходит силу тяжести.

Природа сил поверхностного натяжения

Жидкое состояние вещества характеризуется значительно меньшим расстоянием между молекулами, чем в газе, более значительными силами притяжения между молекулами и весьма значительными силами отталкивания, проявляющимися при объемном сжатии. Молекулярное движение частиц жидкости – это, в основном, колебательное движение около среднего положения. Поступательное движение ограничивается обменом местами с соседними частицами.

Строго говоря, всякое тело находится не в вакууме, а в какой-либо другой среде, например в атмосфере. Поэтому следует говорить не просто о поверхности тел, а о поверхностях раздела двух сред.

На поверхностях раздела жидкости и ее насыщенного пара, двух несмешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела возникают силы, обусловленные различным межмолекулярным взаимодействием граничащих сред: прежде всего водородными связями и более слабыми неполярными взаимодействиями.

Молекулы внутри жидкости окружены со всех сторон такими же молекулами (рис.1б), поэтому силы притяжения со стороны соседей скомпенсированы. Векторная сумма сил притяжения со стороны соседей равна 0 – молекула находится в равновесии. Молекулы, расположенные вблизи поверхности в некотором тонком поверхностном слое (рис.1а), находятся в условиях, отличных от условий внутри тела: молекулы же вблизи поверхности имеют одинаковых с ними соседей лишь с трёх сторон. Поэтому силы притяжения со стороны соседей не скомпенсированы, а значит, на неё действует нескомпенсированная сила, направленная внутрь жидкости. Из-за этого молекула стремится перейти туда же, вглубь. При этом поверхность жидкости стремиться уменьшиться.

Это приводит к тому, что энергия молекул в поверхностном слое отлична от их энергии внутри тела. Разность между энергией всех молекул вблизи поверхности раздела и той энергией, которую эти молекулы имели бы, если бы они находились внутри тела, называется поверхностной энергией.

Поверхностная энергия – это избыток энергии поверхностного слоя на границе раздела фаз (по сравнению с энергией вещества внутри тела), обусловленный различием межмолекулярных взаимодействий в обеих веществах.

Очевидно, что поверхностная энергия Е_пов пропорциональна площади S поверхности раздела: Е_пов= σ·S. Коэффициент σ (греческая буква «сигма») называется коэффициентом поверхностного натяжения и зависит от природы соприкасающихся сред и от их состояния. Часто этот коэффициент называют коротко поверхностным натяжением. Не следует путать явление поверхностного натяжения с коэффициентом поверхностного натяжения, характеризующим это явление.

Известно из механики, что силы действуют всегда так, чтобы привести тело в состояние с наименьшей энергией. В частности, и поверхностная энергия Е_пов стремится принять наименьшее возможное значение.

Из этого следует, что поверхность раздела двух сред всегда стремится уменьшиться. Именно с этим связано стремление капелек жидкости (или пузырьков газа) принять сферическую форму: при заданном объёме шар обладает наименьшей из всех фигур поверхностью. Этому стремлению противодействует влияние сил тяжести, но для маленьких капелек это влияние слабо и их форма близка к сферической.

При этом молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь жидкости. Для перемещения молекул из жидкости на ее поверхность требуется совершить работу А, по модулю равную поверхностной энергии, т.е. А = Е_пов=σ·S. Отсюда следует определение коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения (поверхностное натяжение) σ равен работе А, требуемой для образования поверхности жидкости площадью S при постоянной температуре: .

Поверхностное натяжение может быть определено не только энергетически. Поверхностное натяжение проявляет себя как сила в следующем простом примере. Представим себе плёнку жидкости (например, мыльную плёнку), натянутую на квадратную проволочную рамку, каждая из сторон которой имеет длину L. Благодаря стремлению поверхности уменьшиться, на проволочку будет действовать сила, которую можно непосредственно измерить. При постоянной силе F работа равна А= F L. Тогда:

.

Таким образом, на линию, ограничивающую поверхность тела (или какой-либо участок этой поверхности), действуют силы, направленные перпендикулярно этой линии по касательной к поверхности, внутрь её. Поверхностный слой жидкости всегда ограничен линией возможного разрыва и находится под действием сил поверхностного натяжения в постоянном натяжении, стремящемся сократить поверхность. Сокращение поверхности возможно при условии, если силы поверхностного натяжения будут касательными к поверхности и перпендикулярны к линии возможного разрыва.

Отсюда следует второе определение: коэффициент поверхностного натяжения σ равен силе поверхностного натяжения F, действующей на единицу длины L отрезка, на котором действует эта сила (линии возможного разрыва): .

Размерность σ вытекает из его определения и может быть представлена в различных видах: энергия на единицу площади (Дж/м 2 ) или сила на единицу длины (Н/м). Анализ размерностей показывает равнозначность этих единиц: Дж/м 2 = Н • м/м 2 = Н/м.

При указании значения коэффициента поверхностного натяжения надо указывать, о соприкосновении каких именно двух сред идёт речь. Просто поверхностным натяжением жидкости (без указания второй среды) часто называют поверхностное натяжение на границе данной жидкости и её пара. Эта величина уменьшается с повышением температуры линейно.

Силы поверхностного натяжения никак не изменяются по мере сокращения площади поверхности пленки, так как плотность жидкости, а, следовательно, и среднее расстояние между молекулами на поверхности не изменяется.

Ниже приведены значения поверхностного натяжения для некоторых жидкостей при температуре 20°С (табл. 1).

Таблица 1. Значение коэффициента поверхностного натяжения σ (в миллиньютонах на метр) для некоторых жидкостей при температуре 20°С (второй фазой является воздух).

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