'В таблице 4 показано как зависит поверхностное натяжение и вязкость воды от ее температуры. Попытаемся выяснить, как поверхностное натяжение зависит от рода жидкости, наличия примесей, температуры. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости, от температуры и от наличия примесей. Поверхностное натяжение и температура Поверхностное натяжение жидкости зависит от различных факторов, включая род жидкости и температуру.
Поверхностные явления
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.
Вследствие лапласового давления салфетки или ткань впитывают воду, брюки в дождливую погоду сильно намокают снизу и т. Под выпуклой поверхностью жидкость не смачивает капилляр лапласово давление положительное и жидкость в капилляре опускается. Чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема или опускания жидкости см. Пример решения задачи Капиллярную трубку радиусом r одним концом опустили в жидкость, смачивающую внутреннюю поверхность капилляра.
Чему равно лапласово давление под вогнутой поверхностью капилляра? Смачивание считайте полным. Решение: На жидкость в капилляре действуют сила тяжести и сила поверхностного натяжения направлена вертикально вверх по касательной к поверхности мениска.
Дальше я решил узнать, зависит ли поверхностное натяжение жидкости от рода жидкости, и провел следующий опыт.
Опыт 3. Поверхностное натяжение различных жидкостей. Взял лоток с водой, аккуратно на поверхность воды положил бумажную модель лодки. Во внутреннее отверстие капаем жидкое мыло с помощью пипетки.
Жидкое мыло стремится вырваться наружу через узкий канал. А лодка при этом движется вперед. Повторил опыты, заменяя жидкое мыло средством для мытья посуды и маслом. Мы видим, чем больше скорость больше расстояние пройденное лодкой , тем больше способность раствора уменьшать поверхностное натяжение.
Гипотеза подтверждается, поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости, т. Опыт 4. Ну и наконец, я проверил, зависит ли поверхностное натяжение жидкости от температуры. Так же взял лоток с водой, на поверхность воды положил бумажную модель лодки, во внутреннее отверстие капнул жидкое мыло с помощью пипетки.
Жидкое мыло так же стремится вырваться наружу через узкий канал. Это связано с силой поверхностного натяжения жидкого мыла. А лодка при этом устремится вперед. Повторил опыт, изменяя температуру.
Мы видим, что с увеличением температуры скорость движения лодки уменьшается меньше расстояние, пройденное лодкой.
Летом для перевозки на санях единицы груза придется затратить намного больше энергии, чем зимой, так как разная при этом будет сила трения полозьев о поверхность. Точно так же обстоят дела и при использовании поверхностно-активных веществ — они уменьшают водородные связи между молекулами воды и поверхность последней при этом увенчивается. Но тибетские физики или только Фланаган полагали, что снижение поверхностного натяжения происходило в результате затраты некоей энергии, поэтому они и ставили такой вопрос — откуда берется эта энергия. Ответ был так же прост, как и бездоказателен — энергию поставляют сверхновые звезды. Мне кажется, что всем давно уже должно быть ясно, что все мы живем за счет энергии одного лишь Солнца. А от сверхновых звезд к нам приходит столько энергии, что в лучшем случае благодаря этому они сами на некоторое время становятся видимыми, а поэтому вряд ли такое количество энергии может как-то повлиять на поверхностное натяжение жидкостей. Поэтому этот исследователь и стремился в дальнейшем найти приемлемый способ понижения поверхностного натяжения воды, не поясняя механизма связи этого фактора со здоровьем человека.
И если мы отбросим в сторону весь тот частокол из слов, которым Кристофер Бёрд окружил исследования Фланагана, то станет ясно, что последний нашел в хунзакутской воде одно только необычное качество — ее поверхностное натяжение было ниже поверхностного натяжения обычной воды. И все последующие исследования Фланагана велись уже только в этом направлении. Слишком даже живая. Ею можно стирать белье без мыла, отбеливателей, без стиральной машины. Но она не опьяняет человека, а дает огромный прилив сил — замечает исследователь. То, что в такой воде можно стирать без мыла, легко понять — мыло снижает поверхностное натяжение воды, а в указанном выше случае поверхностное натяжение значительно снижается не с помощью мыла, а с помощью каких-то иных веществ. Ну и что с того — для стирки ведь важен сам фактор снижения поверхностного натяжения. Объяснение, на мой взгляд, самое простое.
Такое быстрое действие алкогольных напитков объясняется очень быстрым проникновением их в кровь благодаря низкому поверхностному натяжению, а точнее — благодаря ослабленным водородным связям в этих жидкостях. Старик приобретает прыткость молодого. Здесь я снова хочу напомнить читателям, что высокое поверхностное натяжение воды обеспечивают прежде всего водородные связи, имеющиеся между молекулами воды. И если мы видим по конечному результату некоего воздействия на воду, что ее поверхностное натяжение значительно снижается, то можем предполагать, что в основе такого снижения лежит разрыв водородных связей между множеством молекул воды. Например, входя в воду, мы никак не чувствуем поверхностного натяжения этой воды и также не чувствуем суммарного действия водородных связей между молекулами воды. Но если вода замерзнет, то мы спокойно можем пройти, а то и проехать на машине по льду, — на поверхности воды нас будут удерживать водородные связи. А при температуре нашего тела оно равно 70 единицам. Как видите, с повышением температуры воды все больше водородных связей разрывается.
Почему хунзакутская вода имеет пониженное поверхностное натяжение — Фланаган об этом ничего не говорит. И неужели в хунзакутской воде нет больше ничего примечательного кроме пониженного поверхностного натяжения?
Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры? Если температура увеличивается, то скорость движения молекул соответственно увеличивается, а силы сцепления между молекулами - уменьшаются. Чем температура жидкости выше, тем слабее силы поверхностного натяжения.
Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли? Изменится незначительно, так как в формулу входит величина g - ускорения свободного падения.
почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости
Это объясняет их более низкое поверхностное натяжение по сравнению с водой. Таким образом, род жидкости является одним из факторов, определяющих поверхностное натяжение. Знание этого свойства помогает в понимании различных процессов, связанных с поверхностными явлениями, как в науке, так и в повседневной жизни. История изучения поверхностного натяжения Однако полноценное изучение явления поверхностного натяжения началось только в конце XVIII века, благодаря работам немецкого ученого Иоганна Фромма. Фромм открыл, что поверхностное натяжение вызывается силами, действующими на молекулы на поверхности жидкости, и предложил метод ее измерения. Он использовал метод капиллярного подъема жидкости в тонкой трубке, с помощью которого было возможно определить коэффициент поверхностного натяжения. Затем исследования в области поверхностного натяжения продолжались и в XX веке. Были разработаны более точные методы измерения этой физической величины, а также открыты различные законы, описывающие зависимость поверхностного натяжения от различных факторов, таких как температура, давление и состав жидкости.
Сегодня изучение поверхностного натяжения является важной частью физической химии и находит применение во многих областях, включая технику, медицину, пищевую промышленность и другие. Понятие поверхностного натяжения Поверхностное натяжение возникает из-за этих сил притяжения между молекулами. Оно вызывает образование поверхностной тонкой пленки на границе раздела жидкости с другим веществом или с воздухом. Эта пленка стремится минимизировать свою площадь, создавая известное «сопротивление» при изменении формы или разделении на меньшие капли. Поверхностное натяжение проявляется в силе сокращения или смятия капли, и именно эта сила определяет форму капли и влияет на ее поведение во внешней среде. Значение поверхностного натяжения зависит от рода жидкости. У разных жидкостей это значение может быть разным.
Оно может зависеть от структуры молекул, температуры, давления и наличия добавленных веществ солей, кислот и т. Жидкости с высоким поверхностным натяжением имеют более сильные силы притяжения между молекулами, что делает их менее податливыми к изменению формы и более устойчивыми к внешним воздействиям. Напротив, жидкости с низким поверхностным натяжением имеют слабые силы притяжения между молекулами, что делает их более податливыми к изменению формы и менее устойчивыми к внешним воздействиям. Понимание поверхностного натяжения и его зависимости от рода жидкости имеет практическое значение в различных областях, таких как химия, физика, биология и технология. Знание о свойствах поверхностного натяжения позволяет управлять поведением жидкостей, контролировать процессы смачивания, пенивания и пенообразования, а также разрабатывать новые материалы и технологии. Таким образом, изучение поверхностного натяжения и его зависимости от рода жидкости является важной частью науки и промышленности.
Опыт 7. Мыльный пузырь на воронке сжимается, задувая пламя свечи фиг. Опыт 8. На проволочной рамке, нижний край которой подвижен, создается мыльная пленка. Ее растягивают, спуская за нить скользящую часть шторы вниз, а затем нить отпускают фиг. Опыт 9. На квадратной проволочной рамке создают мыльную пленку. На пленку кладут шелковую нить, связанную в виде небольшой петли фиг. Затем пленку внутри петли разрывают. Опыт 10. Опыт «оконная штора» повторяют с помощью рамки, имеющей подвижные стержни сверху и снизу фиг. Верхний стержень удерживается небольшой пружиной. Мыльная пленка создается между двумя стержнями, после чего нижний стержень двигают с помощью нити вверх и вниз. Опыт 11. 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.
Таким образом, возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, и она скомпенсирует силу тяжести. Иголка на поверхности воды Таким же образом можно объяснить принцип действия пипетки. Капелька, на которую действует сила тяжести, вытягивается вниз, тем самым увеличивая площадь своей поверхности. 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.
Эти силы определяют поверхностное натяжение — силу, с которой молекулы жидкости притягиваются к поверхности. Разные жидкости имеют разные межмолекулярные силы и, следовательно, разное поверхностное натяжение. Например, у воды поверхностное натяжение выше, чем у многих других жидкостей, из-за сильных водородных связей между молекулами.
почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости
Род жидкости также оказывает влияние на зависимость поверхностного натяжения 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. Будет жидкость собираться в «бусинки» или ровным слоем растекаться по твердой поверхности, зависит от соотношения сил межмолекулярного взаимодействия в жидкости, вызывающих поверхностное натяжение. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Сила поверхности натяжения зависит от плотности жидкости.(следовательно и от рода жидкости). Поверхностное натяжение жидкости (коэффициент поверхностного натяжения жидкости) – это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости. Как зависит поверхностное натяжение жидкости от полярности еѐ молекул?
ПОЧЕМУ ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЗАВИСИТ ОТ РОДА ЖИДКОСТИ
Наличие на поверхности жидкости молекул, неуравновешенных межмолекулярными силами, создает в поверхностном слое свободную поверхностную энергию, стремящуюся уменьшиться. То есть, на поверхности жидкости как бы образуется пленка, обладающая поверхностным натяжением. Поэтому, чтобы увеличить поверхность раздела, то есть преодолеть поверхностное натяжение, необходимо затратить работу против сил молекулярного сцепления. Для чистых жидкостей поверхностное натяжение зависит от природы жидкости и температуры, а для растворов — от природы растворителя, природы и концентрации растворенного вещества. С повышением температуры, как установил Д. Менделеев, поверхностное натяжение уменьшается и практически становится равным нулю.
Растворенные вещества изменяют поверхностное натяжение воды. Одни из них значительно понижают поверхностное натяжение. Такие вещества называются поверхностно-активными ПАВ. По отношению к воде поверхностно-активными являются органические вещества с меньшим, чем у воды поверхностным натяжением: спирты, эфиры, углеводороды и их производные, нефть, мыло, синтетические моющие средства и др. Лэнгмюр и Гаркинс независимо друг от друга показали, что поверхностная активность определяется химическим строением их молекул.
Подборка состоит из классических опытов и демонстраций с кратким описанием. Стягивание двух стержней силами натяжения Существует в физике такое дивное понятие, как поверхностное натяжение жидкостей. Суть его довольно проста - поверхность жидкости представляет собой тончайшую пленку, как будто бы сделанную из резины или чего-то такого же упругого. Причина натяжения пленки заключается в том, что между атомами и молекулами действуют силы притяжения - именно они ответственны за то, что у нас молекулы газа собираются в жидкость, а молекулы жидкости формируются в кристаллическую решетку твердого тела. Если рассмотреть атом в середине жидкости, то другие атомы тянут его к себе со всех сторон, то есть, суммарная сила будет равна нулю. Однако атомы на границе жидкости притягиваются только нижними атомами, создавая ненулевую силу. Именно эта сила и ответственна за натяжение жидкостей. В видео показана классическая демонстрация поверхностного натяжения жидкостей. С помощью мыльного раствора создается пленка между двумя металлическими стержнями.
Эта пленка стягивает два стержня, будто пружинка. Вода удерживается над стаканом силами поверхностного натяжения Еще один классический эксперимент, который каждый может повторить дома, на работе, в детском саду,... В стакан наливают воду до краев и начинают дозированно увеличивать объем содержимого. Можно использовать пипетку или докидывать в стакан небольшие тела. Аналогичный опыт проводят с монеткой. Мы с вами видели, как мыльная пленка стягивала два металлических стержня. Это приводит к довольно интересной вещи - капельки ртути силами поверхностного натяжения стягиваются так, что представляют собой практически идеальные шарики, если они небольшого размера. С увеличением размера капли сил натяжения больше не хватает, и капля "расползается". Поэтому при плавке золото собирается в большой красивый шарик, который даже при больших размерах имеет почти идеальную сферическую форму.
Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют смачивающей; если силы притяжения жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют несмачивающей это тело. Одна и та же жидкость может быть смачивающей и несмачивающей по отношению к разным телам. Так, вода смачивает стекло и не смачивает жирную поверхность, ртуть не смачивает стекло, а смачивает медь. Смачивание или несмачивание жидкостью стенок сосуда, в котором она находится, влияет на форму свободной поверхности жидкости в сосуде. Если большое количество жидкости налито в сосуд, то форма ее поверхности определяется силой тяжести, которая обеспечивает плоскую и горизонтальную поверхность. Однако у самых стенок явление смачивания и несмачивания приводят к искривлению поверхности жидкости, так называемые краевые эффекты. 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.
Это и является особенностью жидкостей. Так на молекулы в поверхностном слое действует некомпенсированная сила со стороны внутренних слоев. По теоретическим оценкам это давление составляет примерно 11 тыс. Расстояние между молекулами воды можно вычислить через число Авогадро, молярную массу и плотность воды:.
Как можно объяснить поверхностное натяжение жидкостей?
Гипотеза подтверждается, поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости, т. е. от сил притяжения между молекулами данной жидкости. Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. По причине воздействия сил поверхностного натяжения на капли жидкости и их действия внутри мыльных пузырей появляется некоторое избыточное давление. Как зависит поверхностное натяжение жидкости от полярности еѐ молекул? Почему поверхностное натяжение воды зависит от рода жидкости.
почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости
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. Поднятие воды по мельчайшим отверстиям в куске сахара, забор крови из пальца — это тоже примеры капиллярных явлений. Кровеносная система человека, начинаясь с весьма толстых сосудов, заканчивается очень разветвленной сетью тончайших капилляров. Могут вызвать интерес, например, такие данные.
Площадь поперечного сечения аорты равна 8 см2. Диаметр же кровеносного капилляра может быть в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса при длине 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется порядка 160 млрд капилляров. Их общая длина доходит до 80 тыс.
По многочисленным капиллярам, имеющимся в почве, вода из глубинных слоев поднимается к поверхности и интенсивно испаряется. Чтобы замедлить процесс потери влаги, капилляры разрушают путем разрыхления почвы с помощью борон, культиваторов, рыхлителей. Опустим один из концов капилляра в сосуд с водой -вода поднимется выше уровня воды в сосуде. Поверхностное натяжение способно поднимать жидкость на сравнительно большую высоту.
Поднятие жидкости вследствие действия сил поверхностного натяжения воды можно наблюдать в простом опыте. Возьмем чистую тряпочку и опустим один ее конец в стакан с водой, а другой свесим наружу через край стакана. Вода начнет подниматься по порам ткани, аналогичным капиллярным трубкам, и пропитает всю тряпочку. Избыток воды будет капать с висящего конца см.
Если для опыта брать ткань светлого цвета, то на фото очень плохо видно как вода распространяется по ткани. Также следует иметь в виду, что не для всякой ткани избыток воды будет капать со свисающего конца. Я этот опыт делал дважды. Поднятие жидкости по капиллярам происходит тогда, когда силы притяжения молекул жидкости друг к другу меньше сил их притяжения к молекулам твердого тела.
В этом случае говорят, что жидкость смачивает твердое тело. Если взять не очень тонкую трубочку, набрать в нее воды и пальцем закрыть нижний конец трубки, можно увидеть, что уровень воды в трубке вогнут рис. Это результат того, что молекулы воды сильнее притягиваются к молекулам стенок сосуда, чем друг к другу. Не все жидкости и не во всяких трубках «цепляются» за стенки.
Бывает и так, что жидкость в капилляре опускается ниже уровня в широком сосуде, при этом ее поверхность — выпуклая. Про такую жидкость говорят, что она не смачивает поверхность твердого тела. Притяжение молекул жидкости друг к другу сильнее, чем к молекулам стенок сосуда. Так ведет себя, например, ртуть в стеклянном капилляре.
Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей силе. Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх, а несмачивающая - опускается вниз. Высота поднятия жидкости в капилляре прямо пропорциональна поверхностному натяжению её и обратно пропорциональна радиусу канала капилляра и плотности жидкости. Поделитесь в соц.
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?
Различные роды жидкостей обладают различными значениями сил притяжения между частицами. Например, вода имеет относительно высокое поверхностное натяжение из-за сильных водородных связей между молекулами. Это делает воду такой «липкой» и способной образовывать капли на поверхности.
С другой стороны, некоторые жидкости, такие как спирты, имеют более низкое поверхностное натяжение из-за отсутствия или слабости водородных связей. Это позволяет им распространяться по поверхностям и проникать в более тонкие межмолекулярные промежутки. Также некоторые жидкости, например, масла, обладают очень низким поверхностным натяжением, что делает их еще более распространенными и гладкими по поверхности. Это связано с отсутствием водородных связей и большей подвижностью молекул.
Температура также оказывает влияние на поверхностное натяжение. В общем случае, с повышением температуры поверхностное натяжение жидкости уменьшается. Это связано с возрастающей кинетической энергией молекул, что позволяет им преодолевать силы притяжения и более легко отделяться от поверхности.
Различия в межмолекулярных силах разных жидкостей влияют на их способность образовывать пленку на поверхности. Вода, например, имеет особенно высокое поверхностное натяжение, потому что межмолекулярные силы, включая водородные связи, создают сильное притяжение между молекулами. Это приводит к тому, что вода образует сферическую форму на поверхности и обладает поверхностным натяжением. В других жидкостях межмолекулярные силы могут быть слабее или отличаться по характеру от тех, которые присутствуют в воде. Это может привести к различиям в их поверхностном натяжении и способности образовывать пленку на поверхности.
Например, нектар и масло имеют меньшее поверхностное натяжение, чем вода, из-за более слабых межмолекулярных сил. Связь молекулярных свойств с поверхностным натяжением Связь молекулярных свойств с поверхностным натяжением проявляется через силы взаимодействия молекул. Вода — это полярная молекула, которая образует водородные связи между соседними молекулами. Эти связи создают силы притяжения, которые удерживают молекулы на поверхности воды.
Капиллярные явления
Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит. Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и от ее температуры: с повышением температуры оно уменьшается. Для чистых жидкостей поверхностное натяжение зависит от природы жидкости и температуры, а для растворов – от природы растворителя, природы и концентрации растворенного вещества. По причине воздействия сил поверхностного натяжения на капли жидкости и их действия внутри мыльных пузырей появляется некоторое избыточное давление.
Поверхностное натяжение жидкости - формулы и определение с примерами
Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит. Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и от ее температуры: с повышением температуры оно уменьшается. Для чистых жидкостей поверхностное натяжение зависит от природы жидкости и температуры, а для растворов – от природы растворителя, природы и концентрации растворенного вещества.
Поверхностное натяжение и его зависимость от температуры и рода жидкости
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.
В этом случае жидкость называется несмачивающей твёрдое тело. В этом случае твёрдая поверхность, несмачиваемая жидкостью называется гидрофобной, или олоефильной. Если же силы сцепления между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами жидкости и твёрдого тела, то жидкость стремится увеличить границу соприкосновения с твёрдым телом. Поверхность же будет носить название гидрофильная. Однако это практически никогда не наблюдается, так как между молекулами жидкости и твёрдого тела всегда действуют силы притяжения. Полное смачивание или полное несмачиваение являются крайними случаями. Между ними в зависимости от соотношения молекулярных сил промежуточное положение занимают переходные случаи неполного смачивания.
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. 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.
Жидкости стремятся принять форму, которая требует минимальной площади поверхности. Силы поверхностного натяжения Силы поверхностного натяжения работают вдоль поверхности жидкости перпендикулярно контуру. Сокращают ее площадь. Это похоже на пленку, которая стягивает объем. На сам объем силы не оказывают влияние. Вычислите коэффициент поверхностного натяжения.
Равнодействующая этих сил равна нулю. Равнодействующая же сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, не равна нулю так как над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше, чем плотность жидкости и направлена внутрь жидкости. Под действием этой силы молекулы поверхностного слоя стремятся втянуться внутрь жидкости, число молекул на поверхности уменьшается, и площадь поверхности сокращается. Но все молекулы, разумеется, не могут уйти вовнутрь. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности оказывается минимальной в каждом конкретном случае — при заданном объеме жидкости, силах, действующих на жидкость. Для перенесения молекул из глубины объема жидкости в ее поверхностный слой необходимо совершить работу по преодолению равнодействующей сил притяжения, действующих на молекулу в поверхностном слое.
Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?
'В таблице 4 показано как зависит поверхностное натяжение и вязкость воды от ее температуры. Таким образом, можно сделать вывод, что поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и ее химических свойств. Будет жидкость собираться в «бусинки» или ровным слоем растекаться по твердой поверхности, зависит от соотношения сил межмолекулярного взаимодействия в жидкости, вызывающих поверхностное натяжение.