Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.
Почему поверхностное натяжение зависит от вида жидкости
Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости из-за различной структуры и взаимодействия молекул вещества. Поверхностное натяжение жидкости зависит от. Причины поверхностного натяжения. Почему поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости?
Поверхностное натяжение воды. НПК.
Рис.2.5. Зависимость поверхностного натяжения неполярной жидкости от Т. Другие вещества менее строго следуют этой зависимости, но часто отклонениями можно пренебречь, т.к. dσ/dТ слабо зависит от температуры (для воды dσ/dТ= -0,16 10-3 Дж/м2). Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее. Найди верный ответ на вопрос почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости по предмету Физика, а если ответа нет или никто не дал верного ответа, то воспользуйся поиском и попробуй найти ответ среди похожих вопросов. Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости из-за различной структуры и взаимодействия молекул вещества. Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости из-за различной структуры и взаимодействия молекул вещества.
Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом
- Что такое поверхностное натяжение жидкости
- почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости
- Информация
- Почему поверхностное натяжение зависит от вида жидкости ℹ️
Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости: удивительные свойства поверхностного слоя
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.
Как будет изменяться высота подъема жидкости в капиллярной трубке при изменении температуры жидкости? Проанализировав зависимость поверхностного натяжения жидкости от ее температуры, приходим к выводу, что поверхностное натяжение уменьшается с ростом температуры с увеличением скорости движения молекул.
Если к проволочному кольцу в двух местах привязана нить, причем так, чтобы длина нити была несколько больше длины хорды, соединяющей точки крепления нити, и обмакнуть проволочное кольцо в мыльный раствор рис. Если теперь порвать пленку с одной стороны нити, мыльная пленка, оставшаяся с другой стороны нити, сократится и натянет нить рис. Эксперимент по обнаружению сил поверхностного натяжения Почему же так произошло? Дело в том, что оставшийся сверху мыльный раствор, то есть жидкость, стремится сократить площадь своей поверхности.
Таким образом, нить вытягивается вверх. Итак, в существовании силы поверхностного натяжения мы убедились. Теперь научимся ее рассчитывать. Для этого проведем мысленный эксперимент. Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна рис. Будем растягивать мыльную пленку, действуя на подвижную сторону рамки силой. Таким образом, на перекладину действуют три силы — внешняя сила и две силы поверхностного натяжения , действующие вдоль каждой поверхности пленки. Воспользовавшись вторым законом Ньютона, можем записать, что Рис. Вычисление силы поверхностного натяжения Если под действием внешней силы перекладина переместится на расстояние , то эта внешняя сила совершит работу.
Естественно, что за счет совершения этой работы площадь поверхности пленки увеличится, а значит, увеличится и поверхностная энергия, которую мы можем определить через коэффициент поверхностного натяжения:. Изменение площади, в свою очередь можно определить следующим образом: , — длина подвижной части проволочной рамки.
Для границы раздела фаз вода - воздух это соли, щелочи, минеральные кислоты, то есть любые соединения, образующие в растворе только неорганические ионы. Это видно из рис. Способность уменьшать поверхностное натяжение называется поверхностной активностью 2. Условное изображение молекулы ПАВ Полярные группы в воде гидратируются, неполярная часть молекул ПАВ представляют собой гидрофобную углеводородную цепь или радикал.
Капиллярные явления
В случае вогнутой поверхности результирующая сила направлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидкостью рис. Если смачивающая жидкость находится на открытой поверхности твердого тела рис. Если на открытой поверхности твердого тела находится несмачивающая жидкость, то она принимает форму, близкую к шаровой рис. 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. Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь поперечного сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться. Если поверхность жидкости вогнутая, то сила поверхностного натяжения направлена из жидкости рис.
Если поверхность жидкости выпуклая, то сила поверхностного натяжения направлена внутрь жидкости рис. Радиус кривизны положителен, если центр кривизны соответствующего сечения находится внутри жидкости, и отрицателен, если центр кривизны находится вне жидкости. 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. Капиллярные явления весьма распространены. Поднятие воды в почве, система кровеносных сосудов в легких, корневая система у растений, фитиль и промокательная бумага — капиллярные системы.
В итоге вся поверхность воды стремится стянуться под воздействием этих сил. Поверхностный слой находится в натяжении, которое называется поверхностным.
Благодаря этому натяжению поверхность жидкости ведет себя подобно упругой пленке. Для того, чтобы разорвать поверхность воды, требуется усилие, причем, как это ни странно, довольно значительное. Я решил определить существование поверхностного натяжения с помощью опытов. Водяная горка. Я взял стакан, наполнил его водой до краев и стал добавлять воду пипеткой по капельке. В процессе я понял, что эта процедура занимает много времени. Вода не скоро начнет выливаться из стакана.
Поверхность воды приподнялась над краями стакана и ведет себя так, будто ее удерживает эластичная пленка. С увеличением объема жидкости пленка «растягивается», и образуется водяная «горка». Это явление в физике называется поверхностным натяжением. Нетонущая скрепка. В этом опыте нам понадобятся стакан с водой и скрепка. Я поместил скрепку в центре небольшого бумажного квадратика и аккуратно опустил его на поверхность воды. С помощью зубочистки аккуратно утопил бумагу.
В результате скрепка полностью остается на поверхности воды, не погружаясь в нее. Из-за поверхностного натяжения поверхность жидкости ведет себя как упругое покрытие.
Если опустить кисточку для рисования в стакан с водой, то ее волоски распушатся. Если теперь вынуть эту кисточку из воды, то вы заметите, что все волоски прилипли друг к другу.
Это связано с тем, что площадь поверхности воды, налипшей на кисточку, в таком случае будет минимальной. И еще один пример. Если вы захотите построить замок из сухого песка, это у вас вряд ли получится, поскольку песок будет рассыпаться под действием силы тяжести. Однако если вы намочите песок, то он будет сохранять свою форму благодаря силам поверхностного натяжения воды между песчинками.
Наконец, отметим, что теория поверхностного натяжения помогает найти красивые и простые аналогии при решении более сложных физических задач. Например, когда нужно построить лёгкую и в то же время прочную конструкцию, на помощь приходит физика того, что происходит в мыльных пузырях. А построить первую адекватную модель атомного ядра удалось, уподобив это атомное ядро капле заряженной жидкости. Мякишев, Б.
Буховцев, Н. Гегузин «Пузыри», Библиотека Квант. Яворский, А. Пинский «Основы физики» т.
Ландсберг «Элементарный учебник физики» т.
Сферическая форма капли Капля жидкости, находящаяся в свободном состоянии, принимает сферическую форму. Это происходит из-за поверхностного натяжения, которое стремится уменьшить площадь поверхности капли до минимума. Сферическая форма обеспечивает наименьшую площадь поверхности для заданного объема жидкости. Сферическая форма капли также объясняет, почему капли воды на поверхности не расплываются, а образуют шарики. Поверхностное натяжение делает поверхность капли похожей на эластичную пленку, которая позволяет капле сохранять свою форму. Влияние поверхностного натяжения на форму жидкости Поверхностное натяжение также влияет на форму жидкости, находящейся в контейнере или на поверхности. Если поверхностное натяжение жидкости выше силы тяжести, то жидкость будет образовывать выпуклую поверхность, например, в случае капли на поверхности или в контейнере. Однако, если поверхностное натяжение жидкости ниже силы тяжести, то жидкость будет образовывать вогнутую поверхность.
Примером такой формы может быть жидкость, находящаяся в тонкой трубке или капилляре. В этом случае, поверхностное натяжение преодолевает силу тяжести и создает вогнутую форму. Поверхностное натяжение также может влиять на форму пузырьков воздуха, образующихся в жидкости. Они также принимают сферическую форму, так как поверхностное натяжение стремится уменьшить площадь поверхности пузырька. Все эти примеры демонстрируют, как поверхностное натяжение влияет на форму жидкости и объясняют некоторые явления, которые мы наблюдаем в повседневной жизни. Практическое применение поверхностного натяжения Поверхностное натяжение имеет множество практических применений в различных областях науки и техники. Вот некоторые из них: Мыльные пузыри Поверхностное натяжение играет ключевую роль в образовании мыльных пузырей. Мыльные пузыри образуются из мыльного раствора, который содержит поверхностно-активные вещества.
Почему поверхностное натяжение зависит от рода воды?
Температурная зависимость поверхностного натяжения между жидкой и паровой фазами чистой воды Температурная зависимость поверхностного натяжения бензола Поверхностное натяжение зависит от температуры. Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение это физическая величина, равная отношению силы поверхностного натяжения F, приложенной к границе поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к поверхности, к длине L этой границы.
Почему поверхностное натяжение зависит от состава и свойств жидкости
Если вы желаете заказать у меня помощь оставьте заявку на этом сайте. Ознакомиться с отзывами моих клиентов можно на этой странице. Белоусова Анэля Протасьевна - автор студенческих работ, заработанная сумма за прошлый месяц 91 600 рублей. За все время деятельности мы выполнили более 400 тысяч работ. Написанные нами работы все были успешно защищены и сданы. К настоящему моменту наши офисы работают в 40 городах. Рубрику ведут эксперты различных научных отраслей.
Если окунуть кончик тонкой трубочки капилляра в жидкость, то жидкость начнет подниматься по трубочке на достаточно большую высоту. Затягивает жидкость туда как раз сила натяжения, которую постепенно уравновешивает сила тяжести. Высота подъема зависит от двух факторов - она увеличивается при увеличении коэффициента поверхностного натяжения данной жидкости и при уменьшении диаметра трубочки. Предлагаю вашему вниманию три опыта на эту тему. Окрашивание растений за счет капиллярного эффекта Считается, что благодаря капиллярному эффекту происходит очень важный процесс - питание живых растений водой. Вода поднимается по тонким капиллярам внутри стебля именно благодаря поверхностному натяжению жидкости. Существует очень простой, понятный и красивый опыт, демонстрирующий капиллярный эффект в растениях. Если поместить белый цветок в подкрашенную воду, то через некоторое время порядка нескольких часов он окрасится в соответствующий цвет, поскольку краска вместе с водой будет подниматься по капиллярам. В видео показан таймлапс этого замечательного опыта. Крайне рекомендую к повторению!
Цветку лучше оставить короткую ножку, поскольку так эффект проявляется быстрее. Смачивание и не смачивание Есть в физике поверхностного натяжения жидкостей такие понятия как смачивание и не смачивание. Если говорить простыми словами, то степень смачивания определяет то, как жидкость взаимодействует с той или иной поверхностью. В случае полного не смачивания жидкость останется практически идеальной сферой как мы ранее видели с ртутью и золотом. В случае полного смачивания жидкость полностью растечется по поверхности. Поясняющую картинку прилагаю. A - полное не смачивание S - полное смачивание Если силы межмолекулярного притяжения между молекулами жидкости больше, чем между жидкостью и поверхностью, то мы наблюдаем не смачивание. Так ведет себя ртуть на стекле.
Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости? Силы взаимодействия между молекулами в различного рода жидкостях разные, избыточная потенциальная энергия их молекул на свободной поверхности жидкости также различная. Поэтому поверхностное натяжение в разных жидкостях разное.
Изучив подробно силы, лежащих в основе капиллярных явлений, стоит перейти непосредственно к капиллярам. Так, опытным путём можно пронаблюдать, что смачивающая жидкость например, вода в стеклянной трубке поднимается по капилляру. При этом, чем меньше радиус капилляра, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость. Жидкость, не смачивающая стенки капилляра например, ртуть с стеклянной трубке , опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде. Так почему же смачивающая жидкость поднимается по капилляру, а несмачивающая опускается? Не трудно заметить, что непосредственно у стенок сосуда поверхность жидкости несколько искривлена. Если молекулы жидкости, соприкасающиеся со стенкой сосуда, взаимодействуют с молекулами твёрдого тела сильнее, чем между собой, в этом случае жидкость стремится увеличить площадь соприкосновения с твёрдым телом смачивающая жидкость. При этом поверхность жидкости изгибается вниз и говорят, что она смачивает стенки сосуда, в котором находится. Если же молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем с молекулами стенок сосуда, то жидкость стремится сократить площадь соприкосновения с твёрдым телом, её поверхность искривляется вверх. В этом случае говорят о несмачивании жидкостью стенок сосуда. В узких трубочках, диаметр которых составляет доли миллиметра, искривлённые края жидкости охватывают весь поверхностный слой, и вся поверхность жидкости в таких трубочках имеет вид, напоминающий полусферу. Это так называемый мениск. Он может быть вогнутым, что наблюдается в случае смачивания, и выпуклым при несмачивании. Радиус кривизны поверхности жидкости при этом того же порядка, что и радиус трубки. Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в узкой трубке капилляре поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, и это ведёт к опусканию несмачивающей жидкости. Знак капиллярного давления «плюс» или «минус» зависит от знака кривизны. Центр кривизны выпуклой поверхности находится внутри соответствующей фазы. Выпуклые поверхности имеют положительную кривизну, вогнутые — отрицательную. Из рис. Полученная формула, определяющая высоту поднятия жидкости в капиллярной трубочке, носит название формулы Жюрена. Очевидно, что чем меньше радиус трубки, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость. Кроме того, высота поднятия растёт с увеличением коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Подъём смачивающей жидкости по капилляру можно объяснить и по-другому. Как было сказано ранее, под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости стремится сократиться. Вследствие этого поверхность вогнутого мениска стремится выпрямиться и сделаться плоской. При этом она тянет за собой частицы жидкости, лежащие под ней, и жидкость поднимается по капилляру вверх. Но поверхность жидкости в узкой трубке плоской оставаться не может, она должна иметь форму вогнутого мениска. Как только в новом положении данная поверхность примет форму мениска, она снова будет стремиться сократиться и т. В результате действия этих причин смачивающая жидкость и поднимается по капилляру. Поднятие прекратится, когда сила тяжести Fтяж поднятого столба жидкости, которая тянет поверхность вниз, уравновесит равнодействующую силу F сил поверхностного натяжения, направленных касательно к каждой точке поверхности. В случае несмачивающей жидкости последняя, стремясь сократить свою поверхность, будет опускаться вниз, выталкивая жидкость из капилляра. Выведенная формула применима и для несмачивающей жидкости. В этом случае h — высота опускания жидкости в капилляре. Капиллярные явления в природе Капиллярные явления также весьма распространены в природе и часто используются в практической деятельности человека. Дерево, бумага, кожа, кирпич и очень многие другие предметы, окружающие нас, имеют капилляры. За счет капилляров вода поднимается по стеблям растений и впитывается в полотенце, когда мы им вытираемся.
Проекты по теме:
- 1. Почему коэффициент поверхностного натяжения жидкостей зависит от рода жидкости?2. Чому
- Ответы : почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?
- 2.2.3. Факторы, влияющие на величину поверхностного натяжения
- Молекулярная структура воды
- Как можно объяснить поверхностное натяжение жидкостей?
- почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости- вопрос-ответ
Содержание
- Оглавление
- Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости? - Есть ответ!
- Понятие и характеристики поверхностного натяжения
- Поверхностное натяжение и адгезия (видео 17) | Жидкости | Физика - YouTube
Сила поверхностного натяжения
| Поверхностное натяжение • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания» | Все описанные явления называют «эффектами поверхностного натяжения» и говорят, что жидкость имеет поверхностное натяжение, подобное натяжению растянутой резиновой оболочки. |
| Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости? - Физика | ма») называется коэффициентом поверхностного натяжения и зависит от природы соприкасающихся сред и от их состояния. |
Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?
Физическая химия. Поверхностное натяжение Поверхностное натяжение видео 3 - Силы межмолекулярного взаимодействия - Химия Коэффициент поверхностного натяжения.
При повышении температуры вода может «распадаться» на отдельные молекулы и образовывать пар, что приводит к увеличению доступных для образования поверхностного слоя молекул и, как следствие, уменьшению поверхностного натяжения. С другими родами жидкостей, такими как масла или спирты, эффект температуры на поверхностное натяжение может быть менее значительным. Это связано с более слабыми межмолекулярными взаимодействиями в этих жидкостях, что делает эффект температуры на поверхностное натяжение менее выраженным. Таким образом, рода жидкости влияют на поверхностное натяжение различными способами, причем эффект температуры может варьироваться для каждого рода жидкости.
Это явление имеет важное значение в различных областях науки и технологии, таких как химия, физика, биология и материаловедение. Практическое применение знаний о влиянии рода жидкости на поверхностное натяжение Знание о влиянии рода жидкости на поверхностное натяжение имеет практическое применение в различных областях науки и промышленности. Например, в фармацевтической индустрии изучение поверхностного натяжения позволяет разрабатывать более эффективные лекарственные препараты. Оно влияет на способность проникать активным веществам через клеточные мембраны и эффективность их взаимодействия с организмом. В области материаловедения знание о поверхностном натяжении позволяет подбирать оптимальные материалы для создания различных покрытий и пленок с заданными свойствами. Например, в производстве упаковки, подбор материала с оптимальным поверхностным натяжением помогает предотвратить проникновение влаги и защитить продукты.
В текстильной промышленности знание о поверхностном натяжении используется при обработке тканей и создании водоотталкивающих покрытий.
Молекулы жидкости имеют слабые притяжения друг к другу, называемые межмолекулярными силами. Эти силы определяют поверхностное натяжение — силу, с которой молекулы жидкости притягиваются к поверхности. Разные жидкости имеют разные межмолекулярные силы и, следовательно, разное поверхностное натяжение.
Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее. Как можно снизить поверхностное натяжение воды? Существуют способы снижения поверхностного натяжения. Это нагревание, добавление биологически активных веществ стиральных порошков, мыла, паст и т. Степень поверхностного натяжения определяет «жидкость» воды. Что влияет на поверхностное натяжение? Поверхностное натяжение существенно зависит от температуры и давления, а также от химического состава жидкости и соприкасающейся с ней фазы газ или вода.
С повышением температуры поверхностное натяжение убывает и при критической температуре равно нулю. Значения поверхностного натяжения для некоторых веществ. В чем выражается поверхностное натяжение? Коэффициент поверхностного натяжения — отношение модуля F силы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя L к этой длине есть величина постоянная, не зависящая от длины L. Эту величину называют коэффициентом поверхностного натяжения и обозначают буквой s сигма. Что такое поверхностное натяжение простыми словами? Силовое механическое определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.
Как поверхностное натяжение зависит от температуры?
Что такое поверхностное натяжение?
Главная» Новости» Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости. Поверхностное натяжение – порыв жидкости уменьшить собственную свободную поверхность, то есть сократить избыток потенциальной энергии на границе разъединения с газообразной фазой. #ФизикаЖидкостиKhanAcademyВ этом видео мы поговорим о том, почему иголка может свободно плавать на поверхности воды, но тут же утонет, если на неё надавать. Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит. Таким образом, можно сделать вывод, что поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и ее химических свойств. Главная» Новости» Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости.
2.2.3. Факторы, влияющие на величину поверхностного натяжения
Поверхностное натяжение и температура Поверхностное натяжение жидкости зависит от различных факторов, включая род жидкости и температуру. Поверхностное натяжение это физическая величина, равная отношению силы поверхностного натяжения F, приложенной к границе поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к поверхности, к длине L этой границы. Потому что поверхностное натяжение зависит от межмолекулярных взаимодействий жидкости, а оно у всех жидкостей отличается. Почему поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости?
Как можно объяснить поверхностное натяжение жидкостей?
То есть вдоль поверхности жидкости действуют силы, которые пытаются стянуть эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на натянутую резиновую пленку, однако упругие силы в резиновой пленке зависят от площади ее поверхности от того, насколько пленка деформирована , а поверхность жидкости всегда «натянута» одинаково, то есть силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. Наличие сил поверхностного натяжения можно доказать с помощью такого опыта. Если проволочный каркас с закрепленной на нем нитью опустить в мыльный раствор, каркас затянется мыльной пленкой, а нить приобретет произвольную форму рис. Если осторожно проткнуть иглой мыльную пленку по одну сторону от нити, сила поверхностного натяжения мыльного раствора, действующая с другой стороны, натянет нить рис.
Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна. На рамке образуется мыльная пленка рис. Будем растягивать эту пленку, действуя на перекладину подвижную сторону рамки с некоторой силой. Заказать решение задач по физике Где проявляется поверхностное натяжение В жизни вы постоянно сталкиваетесь с проявлениями сил поверхностного натяжения. Так, благодаря ему на поверхности воды удерживаются легкие предметы рис.
Монетка удерживается на поверхности воды благодаря силе поверхностного натяжения. Чтобы провести такой опыт, монетку нужно потереть между пальцев и осторожно опустить на поверхность воды. Когда вы ныряете, ваши волосы расходятся во все стороны, но как только вы окажетесь над водой, волосы слипнутся, так как в этом случае площадь свободной поверхности воды намного меньше, чем при раздельном расположении прядей в воде. По этой же причине можно лепить фигуры из влажного песка: вода, обволакивая песчинки, прижимает их друг к другу. Капля удерживается около небольшого отверстия до тех пор, пока сила поверхностного натяжения уравновешивает силу тяжести Стремлением жидкости уменьшить площадь поверхности объясняется и тот факт, что в условиях невесомости вода принимает форму шара, — при заданном объеме шарообразной форме соответствует наименьшая площадь поверхности.
На концах Т-образной трубки выдувают два мыльных пузыря разного размера фиг. Затем конец, через который производили выдувание, закрывают, и оба пузыря остаются соединенными. Мыльные пузыри. Задача 2 Запишите ваши наблюдения о каждом из описанных опытов, а затем скажите, какие выводя можно сделать из них относительно мыльных пленок и их «поверхностного натяжения». Плоская фигура с максимальной площадью при заданном периметре есть круг. Важное следствие из опыта 8 исключает простейшее объяснение опыта 11. Общие пояснения Что говорят эти опыты о поверхностях жидкостей? Капли, образующиеся в водопроводном кране, выглядят так, как будто они заключены в резиновый мешок.
Взяв настоящую оболочку из тонкой резины, мы можем сделать большую искусственную «каплю», которая по мере того, как внутрь оболочки будет вливаться все больше воды, примет форму реальной капли; однако возрастающее натяжение резины помешает точной аналогии. Капли дождя и лужицы жидкости на столе, по-видимому, стремятся принять круглую форму, что также наводит на мысль об оболочке, которая сжимает их и противодействует силе тяжести. Обдумав эти наблюдения, можно сделать два вывода, расплывчатых и рискованных, но заслуживающих дальнейшей проверки. Поверхности жидкостей ведут себя так, будто их удерживает эластичная оболочка, стремящаяся придать им круглую форму. Классификация и терминология Поверхностное натяжение. Все описанные явления называют «эффектами поверхностного натяжения» и говорят, что жидкость имеет поверхностное натяжение, подобное натяжению растянутой резиновой оболочки. Пока это просто удобное название, которое само по себе не может ничего доказать или объяснить. В лучшем случае оно стимулирует обсуждение и позволяет легко определить, о чем идет речь.
В худшем случае — приводит людей к неправильной мысли о том, что на поверхности существует реальная пленка, которую можно содрать с капли, как шнурку с кролика. Краевой угол. По своей форме лужицы жидкости на столе делятся на два типа. Если стол наклонить, то такие капли будут скатываться. Эти два случая различаются по углу А угол внутри жидкости между поверхностью стола и поверхностью жидкости в месте их соприкосновения , который называют краевым углом. Тот же угол существует и на других границах раздела, например в том месте, где поверхность воды встречается со стенками стакана. Если угол А мал, жидкость смачивает твердую поверхность. Это снова только название.
Выбрав этот угол и дав ему название, мы ничего не узнали и не объяснили, а лишь облегчили обсуждение[68]. Попытка построить теорию Молекулы. Примем данное химиками определение молекул как мельчайших частиц вещества, из которых построены более крупные предметы, и приведем несколько рассуждений. Хотя такие предметы, как молекулы, видимо, существуют, их в обычный микроскоп не видно впоследствии, правда, будут приведены убедительные косвенные доказательства их существования , поэтому они должны быть очень малы и многочисленны. Судя по тому, как жидкости льются, их молекулы, очевидно, легко скользят относительно друг друга. Жидкость трудно сжимается; это наводит на мысль, что молекулы в ней расположены тесно. Другие данные, с которыми вы познакомитесь позднее, позволяют думать, что молекулы жидкости постоянно находятся в быстром движении, сталкиваясь друг с другом, подобно людям в толпе, причем с повышением температуры движение это усиливается. Действительно, поведение жидкости можно имитировать с помощью стальных шариков или зерен песка, если эти большие «молекулы» заставить непрерывно вибрировать.
Молекулярные силы: притяжение и отталкивание. Рассмотрим жидкость с точки зрения такой молекулярной картины. Сразу же возникает мысль, что молекулы жидкости сопротивляются их растаскиванию в разные стороны, т, е. Вода в наполовину полном кувшине не расширяется и не улетучивается в отличие от газа, который стремится заполнить весь сосуд и быстро улетучивается, или диффундирует. Если сосуд открыт, жидкость остается в сосуде и ее молекулы, по-видимому, притягивают друг друга. Пока мысль о притяжении является лишь смутной догадкой. Именно в поверхностном натяжении, как и в некоторых других явлениях, эта мысль находит основательное подтверждение. Тот факт, что жидкости сильно сопротивляются сжатию, говорит о сопротивлении молекул жидкости более тесному сближению; следовательно, они должны отталкивать друг друга.
Таким же образом должны вести себя и молекулы газа при очень тесном сближении[69], и молекулы твердых тел[70]. Например, молекулы указательного и большого пальца отталкиваются при сжатии — какая другая причина могла бы помешать пальцам проникнуть один в другой? Но твердые вещества тоже сопротивляются попыткам растащить их в разные стороны; молекулы этих веществ должны притягивать друг друга. Мы представляем себе, что между молекулами твердых тел действуют два типа сил: силы отталкивания, которые, как показывает опыт, действуют только на очень малых расстояниях, т. В обычном ненапряженном твердом теле каждая молекула занимает нейтральное положение, так что равнодействующая этих сил равна нулю. При сжатии твердого тела возрастающее отталкивание между молекулами оказывает сопротивление. Молекулы в твердом теле, жидкости и газе. Молекулы сохраняют более или менее постоянное положение, но по мере нагревания тела они колеблются все больше и больше; б — в жидкостях молекулы расположены близко друг к другу, как в твердых телах, но свободно перемещаются среди своих соседей.
Чем выше температура, тем быстрее движение и тем более бурно происходят столкновения молекул; в — в газах молекулы находятся далеко друг от друга и быстро движутся, время от времени сталкиваясь чем выше температура, тем быстрее они движутся. Во время столкновений молекулы должны отталкиваться, в остальное время их действие друг на друга пренебрежимо мало. При растяжении твердого тела отталкивание уменьшается больше, чем притяжение, и снова возникает напряжение, сопротивляющееся нашим усилиям. Опыты показывают, что притяжение действует не на очень больших расстояниях, а лишь на расстоянии одного или двух диаметров молекул. Тут как будто возникает противоречие. Жидкости должны были бы хоть немного растягиваться при растяжении, на самом же деле при попытке растяжения они распадаются на части и в них образуются пузырьки пара. Однако если позаботиться о тщательном удалении растворенного воздуха, жидкость можно заставить выдержать растяжение и вести себя необычным образом. Например, вода или ртуть держатся в верхней части барометра намного выше «высоты атмосферного столба», а сифон может работать в вакууме!
Жидкости оказываются «слабыми, как вода» только в результате вредного влияния маленьких пузырьков воздуха. Молекулярное объяснение поверхностного натяжения. Итак, тот факт, что жидкости сохраняют свой объем, мы «объяснили» наличием дальнодействующих сил притяжения. Посмотрим, не смогут ли эти силы объяснить существование поверхностного натяжения. Представим себе состояние молекулы А в середине сосуда с водой фиг. Со всех сторон ее толкают другие молекулы. Кроме того, со всех сторон ее притягивают ближайшие соседи — и равнодействующая сила притяжения равна нулю. Силы, действующие на молекулы, в жидкости.
Теперь рассмотрим другую молекулу В, находящуюся на поверхности воды. Ее тоже толкают, но не со всех сторон, и тоже притягивают, но не во всех направлениях. В области действия сил притяжения у нее есть соседи снизу и с каждой стороны, но нет соседей сверху. Равнодействующая сил притяжения направлена внутрь жидкости и уравновешивается действием столкновений снизу. Таким образом, молекула В испытывает притяжение вниз, наподобие дополнительного веса. Во внутренних областях большой круглой капли молекулы будут, подобно молекуле А, испытывать равномерное притяжение со всех сторон. Молекулы на поверхности, подобно молекуле В, будут втягиваться внутрь. Так как такие молекулы В будут пытаться приблизиться к центру капли, поверхность будет стремиться сжаться; по существу создается впечатление, что капля имеет сжимающуюся оболочку.
Очевидно, если на поверхности образуется гребень, молекулярное притяжение распрямит его, несмотря на мешающие возмущения небольшое углубление на поверхности также исчезнет, хотя это менее очевидно ; в результате притяжения молекул все неровности на поверхности будут сглаживаться фиг. Поверхностные силы в небольшой капле жидкости. Действующее на молекулы типа В притяжение соседей стремится придать массе жидкости сферическую форму. Заметьте, что сфера имеет минимальную поверхность при заданном объеме. Если на поверхности появляются небольшие неправильности, поверхностные силы стремятся устранить их. Чтобы представить себе общую картину, сравните заполненную молекулами каплю с толпой людей, привлеченных уличной дракой. Прибывает все больше и больше заинтересованных зевак. Опоздавшие плохо видят, что происходит, они напирают на впереди стоящих — их притягивает любопытство, но они напирали бы так же, если бы их притягивали просто стоящие впереди соседи.
Как влияет это притяжение к центру на толпу в целом? Подвижная толпа стягивается в круг с минимальным внешним периметром. Круг имеет меньшую протяженность периметра, нежели любая другая фигура с той же общей площадью. Человек А, находящийся в глубине толпы, оказывается сжатым, и если ему позволяет рост, то видит, что его неприятные ощущения вызваны напирающими на него людьми, нажимающими внутрь. Он будет страдать точно тай же, если накинуть на толпу огромный пояс и затягивать его. Натянутый пояс будет влиять на внешнюю форму толпы и на тесноту внутри нее точно так же, как и стремление людей, находящихся снаружи, пробиться к середине. Поможет ли эта аналогия[72] понять, каким образом молекулярное притяжение оказывает то же действие, что и эластичная оболочка, растянутая по всей поверхности жидкости? С молекулярной точки зрения на поверхности жидкостей существует не реальная «шкурка», как у кролика, а особый слой внешних молекул.
Соотношение между поверхностными и объемными эффектами. Насекомые и поверхностное натяжение Почему эта «оболочка» превращает маленькие капли в совершенные по форме шарики вопреки действию силы тяжести и не может сделать этого с более крупными лужами? С молекулярной точки зрения согласно нашей теории, если вам угодно это обусловлено особым поведением молекул, расположенных на поверхности. Эти силы действуют на поверхности и не связаны с основной массой жидкости. Но сила тяжести действует на всю жидкость, равным образом на ее внешние и внутренние слои. Поверхностное натяжение — это «поверхностный эффект», а вес — «объемный эффект», и их относительная важность будет изменяться в зависимости от реального размера капли или лужи. Представим себе, что поверхностные силы возрастают прямо пропорционально величине поверхности[73], тогда как вес, конечно, возрастает пропорционально объему. Рассмотрим превращение небольшой капли в каплю, в 10 раз большую.
Для простоты представим, что капли имеют вид кубиков[74]: маленького С1 фиг. Как соотносятся их поверхности? Кубические «капли». Сравнение поверхности и объема. Каждый куб имеет шесть граней. Куб с десятикратными линейными размерами имеет в 102, или в 100 раз, большую поверхность. Как соотносятся объемы этих кубов? Они соответственно равны а3 и 10а 3, т.
Объем одного куба превышает объем другого в 103, или в 1000 раз, и, следовательно, вес воды в нем будет в 1000 раз больше. При переходе от малого кубика к большому поверхностные эффекты возрастут только в 100 раз, но действие силы тяжести возрастет в 1000 раз; таким образом, ее относительное значение увеличится в 10 раз. На самом же деле силы поверхностного натяжения растягивают каждую границу, или край, поверхности. Поэтому они возрастают пропорционально линейным размерам, т. Для очень больших объемов сила тяжести во много раз превосходит влияние поверхностного натяжения; поэтому поверхность прудов плоская, а пролитое на пол ведро воды растекается под действием силы тяжести. На форму маленьких капель сильно влияет поверхностное натяжение, для очень маленьких капель это влияние становится определяющим. Для ныряющего в воду человека главную опасность представляет давление на него воды. Для крошечного клопа, ползущего по капле дождя, непреодолимы силы поверхностного натяжения.
Теперь понятно, почему маленькие водяные насекомые могут бегать по поверхности пруда не проваливаясь? Они ничем не рискуют: большинство из них водой не смачивается и провалиться не может. Даже если их насильно затолкнуть под воду, они немедленно выскочат наружу, причем помогает им поверхностный слой. Для крошечных насекомых, тело которых имеет способность намокать, капля воды оказывается тюрьмой. Частично смачиваемые водой насекомые могут держаться на ее поверхности, если они достаточно малы, но, погрузившись однажды в воду, случайно проскочив через упругую поверхность, они уже не смогут выбраться наружу. В жизни еще более мелких существ, например микробов, все определяется поверхностными силами; вес едва ли имеет для них какое-либо значение. Весь контакт с внешним миром они осуществляют через свою поверхность; через нее поступает пища, и, если они хотят двигаться, им надо изменять-форму своей поверхности. Не удивительно поэтому, что такие существа можно уничтожать с помощью ядов, которые покрывают их поверхность, подобно тому как краска наносится на волокна одежды.
Размышления завели нас далеко от экспериментальных фактов. Некоторые из развитых идей подтверждаются последующими опытами, другие стоят лишь немногим более простой игры воображения, и их следует использовать только в той мере, в какой они приводят к плодотворным предположениям. Краевой угол с молекулярной точки зрения Все же мы можем развить дальше молекулярную картину и обсудить, как жидкости соприкасаются с твердыми телами, т. Возвращаясь к небольшим лужицам на столе и к классификации по краевым углам, нарисуем каплю, поверхность которой принимает выпуклую форму под влиянием поверхностных сил, действующих на молекулы фиг. Поверхностное натяжение и краевой угол с молекулярной точки зрения. В том месте, где лужица соприкасается со столом, угловые молекулы должны также притягиваться столом. Совместное притяжение стола и жидкости и определяет краевой угол. Складывая силы притяжения как векторы, получаем равнодействующую R сил притяжения со стороны соседних молекул как жидкости, так и стола.
Для поверхности жидкости эта равнодействующая играет роль «вертикали», и поверхность расположится перпендикулярно к ней, точно так же, как поверхность большой лужи принимает горизонтальное положение, перпендикулярно силе тяжести. Итак, краевой угол определяется направлением равнодействующей сил притяжения R; прежде чем продолжить обсуждение, рассмотрим подробнее силы, которые определяют форму поверхности.
Объект исследования: свойство жидкостей, всасываясь, подниматься или опускаться по капиллярам. Предмет исследования: капиллярные явления в живой и неживой природе.
Задачи: Изучить теоретический материал о свойствах жидкости. Ознакомиться с материалом о капиллярных явлениях. Провести серию экспериментов с целью выяснения причины поднятия жидкости в капиллярах. Обобщить изученный в ходе работы материал и сформулировать вывод.
Прежде чем перейти к изучению капиллярных явлений, надо ознакомиться со свойствами жидкости, которые играют немалую роль в капиллярных явлениях. Поверхностное натяжение Сам термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Так, молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул; молекулы же поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды.
Например, на поверхности раздела жидкость — воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха. Это и является причиной различия свойств поверхностного слоя жидкости от свойств её внутренних объёмов. Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Поверхностное натяжение различных жидкостей неодинаково, оно зависит от их мольного объёма, полярности молекул, способности молекул к образованию водородной связи между собой и др.
При увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается по линейному закону. На поверхностное натяжение жидкости оказывают влияние и находящиеся в ней примеси. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными ПАВ. По отношению к воде ПАВ являются нефтепродукты, спирты, эфир, мыло и др.
Некоторые вещества увеличивают поверхностное натяжение. Примеси солей и сахара, например. Объяснение этому даёт МКТ. Если силы притяжения между молекулами самой жидкости больше сил притяжения между молекулами ПАВ и жидкости, то молекулы жидкости уходят внутрь из поверхностного слоя, а молекулы ПАВ вытесняются на поверхность.
Очевидно, что молекулы соли и сахара будут втянуты в жидкость, а молекулы воды вытеснены на поверхность. Таким образом, поверхностное натяжение — основное понятие физики и химии поверхностных явлений — представляет собой одну из наиболее важных характеристик и в практическом отношении. Следует отметить, что всякое серьёзное научное исследование в области физики гетерогенных систем требует измерения поверхностного натяжения. История экспериментальных методов определения поверхностного натяжения, насчитывающая более двух столетий, прошла путь от простых и грубых способов до прецизионных методик, позволяющих находить поверхностное натяжение с точностью до сотых долей процента.
Интерес к этой проблеме особенно возрос в последние десятилетия в связи с выходом человека в космос, развитием промышленного строения, где капиллярные силы в различных устройствах часто играют определяющую роль. Один из таких методов определения поверхностного натяжения основан на поднятии смачивающей жидкости между двумя стеклянными пластинками. Их следует опустить в сосуд с водой и постепенно сближать параллельно друг другу. Вода начнёт подниматься между пластинками — её будет втягивать сила поверхностного натяжения, о которой сказано выше.
Вода поднимется и образует между пластинками удивительно правильную поверхность. Сечение этой поверхности вертикальной плоскостью — гипербола. Для доказательства достаточно в формулу 1 вместо d подставить новое выражение для зазора в данном месте. Из подобия соответствующих треугольников см.
Здесь D — зазор на конце, L — по-прежнему длина пластинки, а x — расстояние от места соприкосновения пластинок до места, где определяется зазор и высота уровня. Смачивание и несмачивание Для детального изучения капиллярных явлений следует рассмотреть и некоторые молекулярные явления, обнаруживающиеся на трёхфазной границе сосуществования твёрдой, жидкой, газообразной фаз, в частности рассматривается соприкосновение жидкости с твёрдым телом. Если силы сцепления между молекулами жидкости больше, чем между молекулами твёрдого тела, то жидкость стремится уменьшить границу площадь своего соприкосновения с твёрдым телом, по возможности отступая от него. Капля такой жидкости на горизонтальной поверхности твёрдого тела примет форму сплюснутого шара.
Таким образом, можно использовать любую из них в зависимости от предпочтений и системы измерения. Единицы измерения поверхностного натяжения позволяют оценить силу, необходимую для изменения формы жидкости или создания капель. Они также используются для сравнения поверхностного натяжения различных жидкостей и изучения их свойств.
Факторы, влияющие на поверхностное натяжение Поверхностное натяжение жидкости зависит от нескольких факторов, которые определяют ее свойства и поведение на поверхности. Вот некоторые из основных факторов, влияющих на поверхностное натяжение: Межмолекулярные силы Межмолекулярные силы, такие как ван-дер-ваальсовы силы, диполь-дипольные взаимодействия и водородные связи, играют важную роль в определении поверхностного натяжения. Чем сильнее эти силы, тем выше поверхностное натяжение.
Например, вода, которая обладает сильными водородными связями, имеет высокое поверхностное натяжение. Температура Температура также влияет на поверхностное натяжение. Обычно поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры.
Это связано с тем, что при повышении температуры молекулы жидкости получают больше энергии и могут легче преодолевать силы, вызывающие поверхностное натяжение. Примеси Наличие примесей в жидкости может изменить ее поверхностное натяжение. Некоторые вещества могут увеличивать поверхностное натяжение, а другие — уменьшать его.
Например, добавление моющего средства к воде может снизить ее поверхностное натяжение, что позволяет легче смывать грязь и жир. Давление Давление также может влиять на поверхностное натяжение. Обычно поверхностное натяжение уменьшается с увеличением давления.
Это связано с тем, что при повышенном давлении молекулы жидкости сжимаются и более плотно упаковываются, что снижает силы, вызывающие поверхностное натяжение.