Поверхностное натяжение и температура Поверхностное натяжение жидкости зависит от различных факторов, включая род жидкости и температуру.
Капиллярные явления
Естественно, возникают силы поверхностного натяжения, равнодействующая которых противоположна направлению силы тяжести, и которые не дают капельке растягиваться рис. Когда вы нажимаете на резиновый колпачок пипетки, вы тем самым создаете дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, и в результате, капля падает вниз. Принцип работы пипетки Приведем еще один пример из повседневной жизни. 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.
Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Сила поверхности натяжения зависит от плотности жидкости. Я занимаюсь написанием студенческих работ уже более 4-х лет. За это время, мне еще ни разу не возвращали выполненную работу на доработку!
Зависимость от температуры жидкости Температура также оказывает значительное влияние на коэффициент поверхностного натяжения. Обычно с увеличением температуры коэффициент поверхностного натяжения у жидкостей снижается. Это связано с увеличением средней кинетической энергии молекул и усилением их движения. Более активные молекулы могут преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия и слабее притягиваться друг к другу. В результате, сила на единицу длины на поверхности жидкости уменьшается, что приводит к снижению коэффициента поверхностного натяжения. Выводы Коэффициент поверхностного натяжения зависит от ряда факторов, включая род жидкости, наличие примесей и температуру.
Вайскопфом в США [5]. Поверхностное натяжение возникает на границе газообразных , жидких и твёрдых тел. Обычно под термином «поверхностное натяжение» имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе жидкость — газ. В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.
Как можно объяснить поверхностное натяжение жидкостей?
Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и той среды, с которой она граничит, наличия растворённых в жидкости других веществ и от её температуры (таблица 1). Повышение температуры жидкости, добавление в неё так называемых поверхностно-активных веществ. Таким образом, рода жидкости влияют на поверхностное натяжение различными способами, причем эффект температуры может варьироваться для каждого рода жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры.
Загадки поверхностного натяжения: почему жидкость любит себя?
Форму шара приобретают тонкие мыльные пленки мыльные пузыри. Поверхностным натяжением объясняется образование пены: пузырек газа, достигнув поверхности жидкости, имеет над собой тонкий слой жидкости; если пузырек мал, то архимедовой силы недостаточно, чтобы разорвать двойной поверхностный слой, и пузырек «застревает» вблизи поверхности. Благодаря поверхностному натяжению жидкость не выливается из маленького отверстия тоненькой струйкой, а капает рис. Почему одни жидкости собираются в капли, а другие растекаются Наличие сил поверхностного натяжения проявляется в сферической форме мелких капелек росы, в каплях воды, разбегающихся по раскаленной плите, в капельках ртути на поверхности стекла. Однако при соприкосновении с твердым телом сферическая форма капли, как правило, не сохраняется. Форма свободной поверхности жидкости зависит также от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, жидкость не смачивает поверхность твердого тела рис. Например, ртуть не смачивает стекло, а вода не смачивает покрытую сажей поверхность.
Капля несмачивающей жидкости принимает форму, близкую к сферической, а поверхность жидкости вблизи стенки сосуда является выпуклой Если же капельку ртути поместить на цинковую пластину, то капелька будет стремиться растечься по поверхности пластины; так же ведет себя и капелька воды на стекле рис. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости меньше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, жидкость смачивает поверхность твердого тела. Капля смачивающей жидкости стремится растечься по поверхности твердого тела, а вблизи стенки сосуда поверхность жидкости принимает вогнутую форму Почему жидкость поднимается в капиллярах В природе часто встречаются тела, пронизанные многочисленными мелкими капиллярами от лат. Такую структуру имеют бумага, дерево, почва, многие ткани и строительные материалы. В цилиндрических капиллярах искривленная поверхность жидкости представляет собой часть сферы, которую называют мениском. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск рис. Под вогнутой поверхностью жидкость смачивает капилляр лапласово давление отрицательное и жидкость втягивается в капилляр.
Так поднимаются влага и питательные вещества в стеблях растений, керосин по фитилю, влага в почве.
Поверхностное натяжение зависит: а от рода жидкости, б от объема сосуда, в от давления. Подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра называется: а капиллярными явлениями, б смачиванием, в диффузией. Какую форму принимает жидкость в условиях невесомости? Почему капля воды имеет форму шара?
Когда вода находится в контакте с воздухом, возникает напряженная плотная пленка на ее поверхности, которая имеет свойство сокращаться. При наличии слабых межмолекулярных взаимодействий на поверхности жидкости образуется слабая плёнка и, следовательно, меньшее поверхностное натяжение.
В то же время, сильные межмолекулярные связи приводят к образованию более плотной пленки и большему поверхностному натяжению. Знание роли межмолекулярных взаимодействий в поверхностном натяжении позволяет улучшить понимание физико-химических явлений в природе и создать инновационные материалы с желаемыми свойствами. Изучение и изменение межмолекулярных взаимодействий могут привести к разработке новых жидкостей с оптимальными поверхностными свойствами для конкретных приложений, таких как промышленность, медицина и наука. Эффект температуры на поверхностное натяжение разных родов жидкостей Влияние температуры на поверхностное натяжение может быть разным для разных родов жидкостей. Обычно поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при повышении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, что приводит к увеличению количества молекул, обладающих достаточной энергией для преодоления межмолекулярных сил и выхода на поверхность жидкости. Однако у разных родов жидкостей этот эффект может проявляться по-разному.
Например, у некоторых жидкостей, таких как вода, эффект температуры на поверхностное натяжение может быть наиболее выраженным и значительным. 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.
Обратно, если известно поверхностное натяжение и длина линии, можно вычислить силу, действующую на единицу длины на поверхности жидкости.
Формула поверхностного натяжения является важным инструментом для изучения свойств жидкостей и их поведения на поверхностях. Она позволяет оценить силу, необходимую для изменения формы жидкости или создания капель, а также объясняет явления, связанные с поверхностным натяжением. Единицы измерения поверхностного натяжения Поверхностное натяжение измеряется в различных единицах, которые отражают соответствующие величины силы и длины.
Она определяется как сила, действующая на единицу длины на поверхности жидкости. Она также определяется как сила, действующая на единицу длины на поверхности жидкости. 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.
Поверхностные явления
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости в силу межмолекулярных взаимодействий. Правильный ответ здесь, всего на вопрос ответили 1 раз: Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости? Важно понимать, что поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и может быть сильным или слабым в зависимости от типа взаимодействия между молекулами. Поверхностное натяжение жидкости зависит от её рода из-за молекулярных сил, действующих на поверхности жидкости. Получи верный ответ на вопрос Почему поверхностное натяжение зависит от вида жидкости?
Глава 6 Поверхностное натяжение: капли и молекулы
Значение коэффициента поверхностного натяжения зависит от вида жидкости и ее температуры, то есть с увеличением температуры жидкости коэффициент его поверхностного натяжения уменьшается и при критической температуре равен нулю. Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью. Ответил (1 человек) на Вопрос: Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры. 1. Почему коэффициент поверхностного натяжения жидкостей зависит от рода жидкости? Иными словами, в зависимости от силы взаимодействия молекул жидкостного раствора зависит значение сила натяжения поверхности.
Поверхностные явления
Гипотеза подтверждается, поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости, т. е. от сил притяжения между молекулами данной жидкости. Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и от ее температуры: с повышением температуры оно уменьшается. Почему у воды поверхностное натяжение больше, чем у других жидкостей?
Почему зависит поверхностное натяжение от рода жидкости
Следовательно, твердые тела, как и жидкости, обладают поверхностным натяжением. При рассмотрении явлений на границе раздела различных сред следует иметь в виду, что поверхностная энергия жидкости или твердого тела зависит не только от свойств данной жидкости или твердого тела, но и от свойств того вещества, с которым они граничат. Только если одно вещество газообразно, химически не реагирует с другим веществом и мало в нем растворяется, можно говорить просто о поверхностной энергии или коэффициенте поверхностного натяжения второго жидкого или твердого тела. Граница жидкости, газа и твердого тела Если граничат друг с другом сразу три вещества: твердое, жидкое и газообразное рис. В частности, контур, по которому граничат все три вещества, располагается на поверхности твердого тела таким образом, чтобы сумма проекций всех приложенных к каждому элементу контура сил поверхностного натяжения на направление, в котором элемент контура может перемещаться т.
Из рис. В соответствии с 37. Это имеет место в двух случаях.
Условия и подробности в письме после регистрации. Лапласовское давление — дополнительное давление, которое создается искривленной поверхностью жидкости. При смачивании вогнутый мениск оно направлено от жидкости, а при несмачивании выпуклый мениск — внутрь жидкости. Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом R лапласовское довление выражается формулой Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра — капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие — опускаются. Подъем смачивающей жидкости в капилляре. Верхний конец капилляра открыт. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр. Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде, а уровень воды в стеклянном капилляре поднимается. Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим капиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т. Процесс кровообращения связан с капиллярностью. Кровеносные сосуды являются капиллярами. В технике капиллярные явления имеют огромное значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т. Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров. В бумажной промышленности приходится учитывать капиллярность при изготовлении различных сортов бумаги.
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. Молекулярные силы и поверхность жидкости Чтобы понять, почему поверхность жидкости располагается перпендикулярно равнодействующей сил притяжения R, вернемся к обсуждению сил, действующих на молекулу. На молекулы действуют: дальнодействующие силы: б притяжение соседей только в пределах нескольких диаметров молекул ; короткодействующие силы: в сильное отталкивание во время столкновений с соседями на расстоянии долей диаметра молекулы. Для описания поведения молекул вряд ли стоит применять термин «равновесие», но все же можно сказать, что в покоящейся жидкости каждая молекула в среднем находится в равновесии. Коротко- и дальнодействующие силы. На любую молекулу на поверхности жидкости короткодействующие силы действуют со всех сторон и снизу, поэтому равнодействующая будут перпендикулярна поверхности. Равнодействующая дальнодействующих сил, которая уравновешивает эти короткодействующие силы, должна иметь противоположное направление, а следовательно, она также будет перпендикулярна поверхности. Из последнего утверждения следует и обратное — поверхность должна быть перпендикулярна равнодействующей сил притяжения, в противном случае все силы перемещали бы поверхность, пока она не приняла бы этого положения. Конечно, в молекулярном масштабе сама поверхность исчезает в хаосе беспорядочных движений, подобно границе толпы. Она представляется гладкой, только когда ее рассматривают издалека. Две из названных сил действуют на поверхность и меняют свое направление, когда поверхность изгибается. Это — короткодействующее отталкивание и дальнодействующее притяжение соседей. Третья сила — земное притяжение — всегда направлена вертикально вниз. В большом пруду основное направление задается силой тяжести, которая превращает всю поверхность в горизонтальную плоскость; поэтому две другие силы также вертикальны. На молекулы же, расположенные вблизи твердой стенки или на поверхности небольшой искривленной капли, притяжение соседей влияет намного больше, чем сила тяжести. Поэтому для объяснения искривленного мениска или краевого угла силой тяжести можно пренебречь. Просто говорят: «Поверхность располагается перпендикулярно равнодействующей сил притяжения, которые действуют на молекулу, находящуюся на поверхности». Краевой угол и молекулярные силы Чтобы объяснить природу краевого угла с точки зрения молекулярных сил, рассмотрим силы притяжения, действующие на молекулу С, которая находится в том месте, где лужица жидкости соприкасается с твердым столом фиг. Силы, действующие на молекулу, находящуюся на краю небольшой лужицы жидкости. Лужица находится на столе, который сильно притягивает молекулы жидкости. Во-первых, на нее действует притяжение соседей, находящихся внутри слоя жидкости; равнодействующая этих сил равна F1 и направлена по биссектрисе угла клина направление подсказано симметрией. Во-вторых, ее притягивают молекулы твердого стола с равнодействующей F2, которая перпендикулярна столу снова по соображениям симметрии. Векторное сложение сил F1 и F2 и дает их равнодействующую R; поверхность жидкости должна расположиться перпендикулярно R. Это схематически изображено на фиг. В таком случае краевой угол невелик и жидкость смачивает стол. Можно сказать, что сильно притягивающий стол побуждает жидкость растекаться. Таким образом, смачивание зависит от относительной силы молекулярного притяжения. Если молекулы жидкости притягиваются молекулами твердого тела сильнее, чем соседними молекулами самой жидкости, жидкость будет смачивать стол и растекаться. С другой стороны, если молекула жидкости предпочитает своих собратьев молекулам стола, силу F1 следует нарисовать больше F2 и картина примет такой вид, как на фиг. Для «водоотталкивания», по-видимому, требуется, чтобы молекулы жидкости испытывали со стороны соседних молекул стола меньшее притяжение, чем со стороны соседних молекул жидкости. Лужица находится на столе, который слабо притягивает молекулы жидкости. Водоотталкивание и смачивание Таково молекулярное объяснение смачивания и краевого угла. Разве это не просто волшебная сказка, выдуманная для того, чтобы свести концы с концами? Нет, это объяснение совсем не так плохо, поскольку оно основано на молекулярных представлениях, которые используются в других областях физики и химии.
Как упоминалось ранее, поверхностное натяжение важно для водомерок, одного из немногих существ, которые могут перемещаться по поверхности воды, не падая внутрь. Это явление происходит потому, что ноги водомерки «не смачиваются», то есть ноги водомерки отталкивают воду и захватывать воздух, позволяя им существенно вдавливать поверхность воды, не нарушая ее. Волосы также увеличивают площадь поверхности водяных струй, что означает, что на поверхность воды воздействует меньшее усилие. Это ошеломляющее сочетание тонкой силы и идеальной адаптации. Однако, что наиболее важно, и то, что мало кто осознает, поверхностное натяжение позволяет вещам плавать, от листьев и семян до молекул и белков. Когда вы опускаетесь до микроскопического масштаба, поверхность любого водоема очень жива и поддерживается поверхностным натяжением молекул воды. Наши экосистемы не смогут выжить или даже развиваться без воздействия поверхностного натяжения, а сам состав воды будет менее стабильным, постоянно поступая и выходя из газообразного состояния. Поверхностное натяжение - это одна из тех деталей научного мира, которые, возможно, трудно осмыслить или оценить в вашей повседневной жизни, но на самом деле она лежит в основе всей жизни, как мы ее знаем.
Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости кратко
Ru Для того чтобы дать полноценный ответ, был привлечен специалист, который хорошо разбирается требуемой тематике "Физика". Ваш вопрос звучал следующим образом: Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости? После проведенного совещания с другими специалистами нашего сервиса, мы склонны полагать, что правильный ответ на заданный вами вопрос будет звучать следующим образом: Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами 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.
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. 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. 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 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. 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.
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. Внутри краевого угла всегда находится жидкость рис. При смачивании он будет острым рис. 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.