Попытаемся выяснить, как поверхностное натяжение зависит от рода жидкости, наличия примесей, температуры.
Что такое поверхностное натяжение?
Если силы межмолекулярного притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между жидкостью и поверхностью, то мы наблюдаем смачивание. Так ведет себя вода на стекле. Посмотрим же на смачивание и не смачивание в эксперименте. Капля воды на парафине не смачивание. Капля воды на стекле смачивание. Капля ртути не смачивание. И есть еще один волшебный опыт от Павла Андреевича. Если закоптить некоторую поверхность, а после капнуть на нее аккуратно водичкой, то капля воды будет вести себя как при полном не смачивании практически. Очень симпатишно! Смачивание и капиллярный эффект Давайте посмотрим, как влияет смачивание на капиллярный эффект.
Напомню, что чем меньше диаметр капилляра, тем эффект заметнее. Если в сообщающиеся сосуды разного диаметра вливать воду, то наибольшая высота жидкости будет соответствовать трубке с наименьшим диаметром. Так происходит потому, что вода смачивает поверхность стекла, и капиллярный эффект направлен на подъем жидкости. А вот если наливать ртуть, которая не смачивает поверхность стекла, то получим ровно обратную картину - высота жидкостного столбика будет наибольшей в трубке с наибольшим диаметром. Причина такого поведения довольно проста. Молекулы воды сильнее притягиваются к стеклу, чем к друг другу, поэтому капиллярный эффект в них направлен на подъем жидкости. Чем уже капилляр, тем подъем выше. Молекулы же ртути притягиваются сильнее друг к другу, поэтому они сопротивляются подъему и тем сильнее, чем уже капилляр.
Поэтому маленькие капельки росы на листьях растений принимают форму, близкую к шарообразной рис. От теории к практике Докажите, что при слиянии нескольких капель воды в одну при неизменной температуре выделяется энергия. Считая форму капель сферической, сравните поверхностную энергию всех мелких капель с поверхностной энергией энергией капли, получившейся при их слиянии. Учтите, что объём шара , а площадь его поверхности Рис. Опустим проволочное кольцо с привязанной к нему нитью в мыльный раствор. Контур кольца, извлечённого из раствора, затянут мыльной плёнкой, а нить в ней размещается случайным образом рис. Если проколоть плёнку по одну сторону нити, то оставшаяся часть плёнки сократится так, что площадь её поверхности станет минимальной при заданной длине нити рис. Следовательно, на нить со стороны плёнки действуют силы, удерживающие её в натянутом состоянии и стремящиеся сократить свободную поверхность жидкости. Рассмотрим молекулы М1 и М2, находящиеся на поверхности жидкости рис. Эти молекулы взаимодействуют не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами, расположенными на её поверхности в пределах сферы молекулярного действия. Модуль результирующей молекулярных сил притяжения, направленных вдоль поверхности жидкости, действующих на молекулу М1,. Модуль же результирующей молекулярных сил притяжения, которыми молекулы этой жидкости, находящиеся на её поверхности, действуют на молекулу М2, разместившуюся у края поверхности,.
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. Если силы межмолекулярного притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между жидкостью и поверхностью, то мы наблюдаем смачивание.
Эта избыточная энергия является частью внутренней энергии жидкости и называется поверхностной энергией Wпов. Поверхностное натяжение жидкости — физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости: Единица поверхностного натяжения в СИ — ньютон на метр: Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит: от природы жидкости: у летучих жидкостей эфир, спирт, бензин поверхностное натяжение меньше, чем у нелетучих ртуть, жидкие металлы ; температуры жидкости: чем выше температура жидкости, тем меньше поверхностное натяжение; присутствия в составе жидкости поверхностно активных веществ — их наличие уменьшает поверхностное натяжение; свойств газа, с которым жидкость граничит. В таблицах обычно приводят значение поверхностного натяжения на границе жидкости и воздуха при определенной температуре табл. 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.
Форум самогонщиков, пивоваров, виноделов
| Форум самогонщиков, пивоваров, виноделов | 6 ответов на вопрос “Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?”. |
| Поверхностное натяжение жидкости | Поскольку поверхностное натяжение определяется на молекулярном уровне, любое изменение компонентов жидкости, поверхностно-активных веществ, топлива или соединений в жидкости может привести к изменению поверхностного натяжения. |
| Что такое поверхностное натяжение? | | Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит. |
| Поверхностное натяжение воды. НПК. | Поверхностное натяжение зависит от свойств молекул жидкости и внешних условий, таких как температура и давление. |
Поверхностные явления
6 ответов на вопрос “Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?”. 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 жидкости: определение в физике. Как определить коэффициент поверхностного натяжения, формула, примеры решения.
Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры. Коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Н/м. Величина σ зависит от рода жидкости, температуры, наличия при-месей. Сила поверхности натяжения зависит от плотности жидкости. (следовательно и от рода жидкости). Сила поверхности натяжения зависит от плотности жидкости.(следовательно и от рода жидкости).
Как можно объяснить поверхностное натяжение жидкостей?
Поверхностное натяжение Свойства поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение. Физическая химия.
Способность жидкости сокращать свою поверхность называют: а смачиванием, б поверхностным натяжением, в капиллярными явлениями.
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?
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. Учитывая это, можно записать, что работа внешней силы равна. Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины линии, ограничивающей поверхность Проявления сил поверхностного натяжения в природе Итак, мы еще раз убедились в том, что жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной.
Можно показать, что при заданном объеме площадь поверхности будет минимальной у шара.
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. Кроме того, оно позволяет сделать полезные рекомендации: 1 Для улучшения смачивания мечта прачек надо сделать F2 больше, чем F1, т.
Это можно осуществить, применяя молекулы-посредники, которыми на практике являются молекулы мыла. Таким образом, мы раскрыли секрет мыла и указали путь к созданию новых синтетических моющих средств. На вопрос: «Какой толщины должно быть покрытие? На вопрос: «Какова толщина молекулы? Это особенно заметно, когда жидкости поднимаются в очень узких трубках; «капиллярность» — полезное свойство жидкостей, и мы сейчас его разберем.
Нагрейте кусок стеклянной трубки, растяните его в очень тонкую трубку и опустите один ее конец в чернила фиг. Окрашенная вода поднимается вверх вопреки силе тяжести, опровергая правило: «вода в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне». Однако в U-образной трубке с колонами разного сечения жидкость все же устанавливается на одном уровне фиг. Если вспомнить обсуждение относительной роли поверхностных и объемных эффектов, можно догадаться, что влияние поверхностного натяжения будет более заметно в приборах малых размеров; например, в небольшой U-образной трубке фиг. Конечно, это то же самое, что мы уже видели при погружении тонкой трубки в чернила.
Наброски, представленные на фиг. Если жидкость поднимается в тонких трубках, то в еще более тонких она должна подняться еще выше. Проверьте это см. Капиллярные явления. Поскольку это следствие поверхностного натяжения проявляется в трубках, «тонких, как волос», оно получило название от латинского слова «волос» — capilla.
Таким образом, капиллярность — это старое название поверхностного натяжения, которое еще применяется, чтобы охарактеризовать поведение жидкостей в тонких трубках. Это красивое название, но оно не объясняет подъема жидкости. Сказать, что вода поднимается по тонкой трубке вследствие капиллярности, по существу то же, что сказать «вследствие поведения тонких трубок». Рассматривая через увеличительное стекло мениск поверхность жидкости в тонкой трубке, мы увидим, что он висит, как прикрепленный к стеклу изогнутый мешок, весьма похожий на одеяло пожарников, которые ловят выбрасывающегося из окна горящего дома тяжелого мужчину фиг. Снова возникает мысль о резиновой оболочке.
Если измерить силы, удерживающие оболочку, то видно, что эти же силы определяют форму маленьких капель. Можно даже говорить, что оболочка удерживает поднимающуюся по трубке жидкость[75], но более реально говорить о молекулах, которые вскарабкиваются по внутренней поверхности трубки и образуют изогнутый мениск. Жидкости поднимаются не только в круглом стеклянном капилляре. Капиллярность проявляется в любом узком пространстве. Когда вода стекает между щетинками малярной кисти или увлажняет в ванне ваши волосы, то она заполняет не полые волоски, а узкие промежутки между отдельными волосками.
На таком поведении жидкостей основано всасывание масла в ламповый фитиль, воды в банное полотенце и т. Задача 3 трудная. Формула капиллярности Допустим, что подъем жидкости в капилляре определяется разностью давлений по обе стороны мениска. Вернитесь к опыту с двумя соединенными друг с другом мыльными пузырями см. Какой вывод только из этого опыта можно сделать о соотношении между высотой подъема в капилляре и его диаметром?
Задача 4. Капиллярность в несмачиваемой трубке Возьмем жидкость, которая образует со стенками трубки большой краевой угол. К задаче 4. Уровень ртути в широкой трубке показан, но рисунки не закончены. Набросайте в тетради все эти рисунки и закончите их.
Применения капиллярности Чтобы жидкость втягивалась в капилляр, а не только поднималась вверх, и вообще проникала в поры, необходим малый краевой угол между жидкостью и стенками пор. При большой величине краевого угла предметы будут оставаться сухими. Ниже приведены примеры, которые демонстрируют роль капиллярности и смачивания в природе и в быту. Чернила на конце пера щель на конце пера подает чернила на бумагу вследствие капиллярности; стальные перья, применявшиеся прежде, когда они бывали новыми, имели большой краевой угол, и для улучшения работы перья следовало смочить слюной. Чернила на бумаге но поры в бумаге должны быть закрыты.
Кровь на бинтах. Капли от насморка на слизистой оболочке носа. Припой на металле для уменьшения краевого угла применяют флюс. Слюна на пище. Растворитель для краски на сухом порошке красителя.
Жидкая краска на окрашиваемых поверхностях с этим связан ряд вопросов в технике живописи. Мыльная вода при стирке грязной одежды. Вода на стеклах очков здесь нет узких промежутков, но при небольшом краевом угле конденсирующаяся на стекле вода создает плоскую пленку, а не туман из капелек. Блинное тесто на сковороде. Вода на полу в ванной.
Вода на стеклах очков мелкие капли быстрее испаряются. Важную роль капиллярность играет в садоводстве. Вода проникает в тонкие промежутки между частицами почвы. Разрыхление и вскапывание изменяет размеры этих промежутков и затрудняет доступ воды из глубины почвы к поверхности, предотвращая тем самым ее испарение. Кирпичи пористы.
Кирпичные дома на высоте 30 см или более от поверхности земли должны иметь изоляцию от влаги из непористого материала. Объяснение капиллярности с молекулярной точки зрения По всей трубке вверх поднимается очень тонкий слой жидкости, возможно, толщиной в одну молекулу, а за ним ползет основная масса жидкости, образуя искривленный мениск. Силы F1 и F2 для случаев малого и большого краевого угла схематически изображены на фиг. Молекулярные силы, краевой угол и капиллярность. Поверхность жидкости располагается перпендикулярно равнодействующей R сил притяжения, действующих на ее молекулы.
Это является результатом короткодействующих сил, которые проявляются при столкновениях с другими молекулами. Когда краевой угол равен нулю, стеклянная стенка, вероятно, на всем протяжении покрыта тонким слоем жидкости толщиной в несколько молекул. Мениск всползает по этому слою жидкости. Рисунки весьма упрощены, так как на них не учтена сила тяжести. Вещества, облегчающие смачивание: мыла и моющие средства Очень часто, когда нужен малый краевой угол, природа дает нам большой.
Овечья шерсть, например, не смачивается водой; это мешает обработке отары растворами при дезинсекции. С обеденной посуды вода скатывается, как со спины утки, и даже на чайных стаканах порой остаются несмачиваемые отпечатки пальцев. А новые посудные полотенца, поступающие со склада с ужасной восковой отделкой! Нам необходимы молекулы-посредники, которые образовывали бы промежуточный слой и уменьшали бы краевой угол между водой и жирными тарелками, покрытыми воском волокнами одежды и т. Сейчас эту роль выполняют моющие средства, предшественником которых было мыло.
Мыло действует на жир с помощью поверхностного натяжения, помогая воде заползать под жир и отрывать его частички, которые смываются в виде эмульсии скопление мелких частиц жира, взвешенных в воде.
Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости: удивительные свойства поверхностного слоя
Почему поверхностное натяжение воды зависит от рода жидкости. Например, из-за сил поверхностного натяжения формируется капля, лужица, струя и т.д. Летучесть (испаряемость) жидкости тоже зависит от сил сцепления молекул. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. 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).
Почему поверхностное натяжение зависит от вида жидкости?
Амебы и поверхностное натяжение Каким образом мелкие простейшие организмы, живущие в воде, передвигаются и находят пищу? Некоторое представление об этом можно получить с помощью грубых химических моделей, вроде движущейся зигзагами «лодки» из камфары или искусственной ртутной «амебы» фиг. На небольшую лужицу ртути на часовом стекле в блюдце наливают разбавленную азотную кислоту. Около ртути помещают кристалл бихромата калия. Ртуть начинает двигаться подобно амебе; ее перемещения вызваны изменениями поверхностного натяжения вследствие химических или электрических эффектов. Настоящая амеба тоже образует такие неправильные выступы и впадины, возможно также используя изменения поверхностного натяжения.
Здесь приведены некоторые красивые опыты, демонстрирующие изменения поверхностного натяжения. Опыт 16. Швейную иглу или тонкий листочек металла можно заставить плавать в блюдце с водой. Если поверхностное натяжение уменьшить, предмет потонет. Попробуйте добавить к воде спирт или мыло.
Опыт 17. Посыпьте поверхность чистой воды несмачиваемым порошком сажей, тальком или ликоподием. По движению порошка можно обнаружить ослабление поверхностного натяжения. Если на поверхность нанести капли спирта, порошок разбежится в стороны фиг. Капли спирта падают на воду, которая посыпана порошком.
Обычное объяснение таково: спирт образует слабую оболочку, и порошок растаскивается в стороны прочной оболочкой чистой воды. Но иногда предпочитают говорить, что молекулы спирта, растекаясь, создают «поверхностное давление» и расталкивают порошок. Хотя эти взгляды различны, любой из них полезен для объяснения опытов. Опыт 18. На посыпанную порошком чистую поверхность воды нанесите оливковое масло.
Его требуется так мало, что достаточно погрузить в масло спичку и затем вытереть ее насухо. Даже палец, потертый о волосы, соберет достаточное количество природного жира. В предыдущем опыте после действии спирта поверхность восстанавливается, но влияние жира остается, поэтому этот опыт требует очень чистых, свободных от жира приспособлений. Мыло и слюна действуют подобно спирту. Личинки москитов живут в прудах и просовывают наружу расположенные в хвосте дыхательные трубки.
Масло, нанесенное на поверхность, проникает в эти трубки и убивает личинку. Прежнее объяснение, согласно которому масло настолько ослабляет поверхностную пленку, что личинки не могут висеть на ней и дышать, следует отбросить. Опыт 19. Небольшая капля масла, помещенная в большое блюдо со слегка припудренной чистой водой, очень быстро растекается в большое круглое пятно, которое потом сохраняет свои размеры. Так ведут себя растительные масла; они являются «жирными кислотами», и у них один конец, кислотный, имеет сродство к воде: Молекулы минерального масла, у которых инертны оба конца, видимому, располагаются по поверхности воды и движутся подобно двумерному газу, растекаясь случайным образом.
Кажется, что пленка масла сверху «давит» на поверхность раздела. Такое объяснение представляется более правильным, чем «ослабление поверхностного натяжения воды». Сейчас это внешнее давление измеряют с помощью точных весов, которые взвешивают давление пленки масла на подвижную перекладину. Применение длинных молекул масла Смазывание. При смазывании высокоскоростных подшипников молекулы растительного масла присоединяются к металлу металл вытесняет водород из кислотного конца молекулы масла , и масло образует мономолекулярные бархатистые «ковры», инертные внешние слои которых удобно скользят друг по другу.
К смазке добавляют также минеральные масла, чтобы между этими «коврами» получить инертные масляные «ролики». При крайне небрежном обращении с металла сдираются даже бархатистые монослои; тогда движущиеся металлические детали с большой силой прилипают друг к другу «схватываются» , и это чревато неприятными последствиями. Ланолиновый жир пристает к коже и проникает в нее, перенося с собой необходимые медикаменты, тогда как инертные минеральные масла беспорядочно распределяются на коже в виде жирных комков; поэтому избегайте мазей, изготовленных не на ланолине, а на минеральных маслах. К коже пристают и молекулы хорошей ваксы, а парафин разновидность минерального масла с более длинной цепью образует беспорядочные пятна[81]. Полировка обуви щеткой облегчает прилипание и распределяет молекулы по поверхности более равномерно.
Укрощение штормов в море. Укрощение бурных морей с помощью масла — отнюдь не сказка. Достаточно вылить за борт совсем немного подходящего масла, чтобы оно распространилось по большой поверхности. Ветер пытается создать большие волны, раскачивая небольшую рябь, масло сдувается в лужи неправильной формы, и различие поверхностного натяжения помешает действию ветра, создав своего рода поверхностное трение. Поэтому в таком месте образуется меньше больших волн.
А волны, приходящие издалека, не смогут по крайней мере создать разрушительных гребней. Поверхностное натяжение играет важную роль при образовании вспененных гребней, и масло может помешать их образованию. Как изменится поверхностное натяжение при повышении температуры? Попробуйте нагреть припудренную поверхность воды, поднося к ней раскаленную докрасна кочергу. Опыт 21.
Распылите по чистой воде камфару. Каждая частица совершает беспорядочные движения. Это происходит потому, что камфара медленно растворяется в воде, ослабляя поверхностную оболочку. Каждую частицу вперед тянет чистая вода, а назад — слабее вода с камфарой, поэтому частица плывет вперед, подобно лодке, крутясь и поворачиваясь из-за своей неправильной формы. Попробуйте добавить еще немного масла.
Движение камфары сразу прекратится. Не правда ли, это красивый несложный опыт, немного похожий на детскую забаву? Однако эта забава играет важную роль в одном из великих экспериментов атомной физики — в измерении размеров молекулы. Размер молекулы Шестьдесят лет назад лорд Рэлей наблюдал за растеканием масла по воде. В то время, когда ученые строили различные предположения о размерах молекул, он догадался, что самый тонкий слой масла, который может полностью покрыть водную поверхность, будет иметь толщину как раз в одну молекулу, и решил определить эту толщину.
Рэлей представил себе растекание капли масла как хаотическое движение молекул, карабкающихся друг на друга и сваливающихся назад, пока каждая не достигнет поверхности воды и не сможет прицепиться к воде эти масла состоят из молекул с длинной цепью, на одном конце которых находится химическая группа, имеющая сродство к воде. Как только все молекулы масла расположатся таким способом, они будут держаться в виде мономолекулярного покрова и перестанут стремиться к дальнейшему растеканию фиг. Масло на воде. Капля масла, нанесенная на чистую поверхность воды, растекается и покрывает ее слоем толщиной в одну молекулу. Молекулы масла, вероятно, стоят «дыбом» подобно ворсу на ковре.
Если масла как раз достаточно для данной поверхности воды, слой будет иметь толщину в одну молекулу, и все молекулы будут плотно упакованы по вертикали, подобно ворсинкам бархата. При меньшем количестве масла останутся участки открытой воды. Если масла будет …??? Лорд Рэлей вымыл и заполнил водой круглый большой таз, имевший 82 см в поперечнике. На поверхность воды он поместил взвешенную каплю масла и наблюдал, как оно растекается и закрывает всю поверхность.
Затем он опять взял чистую воду и каплю меньшего размера, затем еще меньшую, пока не дошел до такой капли, которая уже не могла полностью закрыть всю поверхность. Как же он обнаружил, что закрыта не вся поверхность? Если перед опытом распылить на поверхности порошок, можно изменить свойства поверхности. Поэтому Рэлей после масла распылял камфару помните детскую забаву? Пока поверхность воды была полностью покрыта маслом, камфара не находила чистой воды, по которой она могла бы танцевать, но когда капля масла была мала, на поверхности открывались участки чистой воды.
Условия приведенной ниже задачи 5 следуют за ходом вычислений Рэлея. Используя результаты его измерений, определите размеры молекул масла. Задача 5. Измерение размеров молекулы Рэлей наносил каплю оливкового масла на чистую воду в большом сосуде. Для простоты примем, что сосуд был прямоугольным с размером зеркала воды 0,55 м х 1,00 м это даст ту же площадь, что и в круглом тазу, взятом Рэлеем.
Предположим, что плотность остается такой же и в очень тонкой пленке. Помните, что поскольку масло менее плотно, чем вода, его объем должен быть больше объема той же массы воды. Поверим химикам, что это масло имеет «длинные» молекулы, один конец которых сильно притягивается водой. Какой вывод можно сделать из вопроса а относительно размеров молекул? Длина молекул очень мала; чтобы образовать линию в 1 см их требуются миллионы.
В те времена, когда Рэлей производил свои измерения, ученые делали грубые, поспешные предположения о размере и массе молекул; их косвенные догадки основывались на трении в газах, на рассеянии солнечного света в небе молекулами и на некоторых сомнительных электрических аргументах. Здесь же был поразительно простой эксперимент и, вероятно, надежный. С тех пор метод был улучшен и обобщен многими, особенно Ленгмюром в США. Оливковое масло, которое применял Рэлей, было неопределенной смесью маслянистых веществ. Позднейшие исследователи применяли чистые химические соединения, часто используя несколько членов «гомологического ряда» или, иначе, химической семьи.
Например, Ленгмюр применял «жирные кислоты». Их получают из природных жиров и масел, и они дают мыло, соединяясь с натрием или калием. Они имеют длинные молекулы с одним инертным, а другим «кислым» концом, который притягивается водой. Существует целый ряд таких соединений, причем молекула каждого представителя этого ряда больше своего предшественника на один атом углерода и два атома водорода. Очень давно химики изобразили молекулы различных членов этих рядов структурными формулами, подобными трем приведенным на стр.
Это были лишь догадки, основанные на химических данных, но они наводили на мысль о длинных цепных молекулах, удлиняющихся на группу СН3 при переходе от одного члена семьи к другому. Задача 6 основана на усовершенствовании метода Рэлея, осуществленном Ленгмюром, Адамом и другими. Задача 6. Точное измерение размеров молекул Адам использовал прямоугольную ванну шириной 0,14 м и длиной 0,5 м. Ванна была наполнена водой до краев; исследуемая область ограничивалась положенными сверху на расстоянии около 0,4 м друг от друга брусками А и В фиг.
Упрощенный рисунок прибора Адама. Пленка масла ограничена брусками А и В. Брусок В был подвижен; он свободно плавал по воде и был соединен с измерительным устройством, которое имело пружину или грузик и позволяло обнаружить любое горизонтальное смещение бруска, а также предотвращало его случайные движения. Брусок А клали поперек ванны, он имел выступающие края и его можно было перемещать рукой. Ванну и бруски покрывали воском, чтобы уровень воды мог подниматься немного выше краев, так что бруски А и В отсекали центральную часть поверхности.
Располагая сначала брусок А далеко от бруска В, Адам помещал на водную поверхность между брусками небольшое измеренное количество пальмитиновой кислоты. Брусок В не смещался. Затем передвигался брусок А, собирая пленку масла на все меньшей и меньшей площади, пока вдруг брусок В не испытывал заметного толчка; это позволяло думать, что молекулы вобрались в сплошной слой. В реальных экспериментах толкающее усилие не возрастало абсолютно резко от нуля до полного значения. Оно появлялось при определенной величине поверхности и быстро росло при дальнейшем перемещении, достигая постоянной величины, после которой дальнейшее сближение, вероятно, заставляло «слой» изгибаться.
По графику легко было найти момент, в который появляется значительное усилие. Для нанесения жирных кислот на поверхность вода Адам растворял их в бензоле и наносил несколько капель раствора. Бензол быстро испарялся. Вот типичные результаты измерений это не подлинные данные Адама, но они основаны на его записях : Бензольный раствор. Состав: 4 г пальмитиновой кислоты растворены в 996 г бензола.
Следовательно, каждый килограмм раствора содержит 0,004 кг пальмитиновой кислоты. Размер капель. В сосуд капают 100 капель раствора и сосуд взвешивают. Масса 100 капель раствора равна 0,33 г, или 0,00033 кг. Основной опыт.
На воду наносят 5 капель раствора. Когда бензол испаряется остается невидимая нерастворимая поверхностная пленка пальмитиновой кислоты , брусок А двигают по направлению к бруску В. Последний испытывает сильный толчок, когда расстояние между А и В составляет 0,23 м. В этот момент поверхность воды между брусками составляет 0,23 м в длину и 0,14 м в ширину. Задание: предполагая, что пленка пальмитиновой кислоты имеет ту же плотность, с помощью приведенной ниже инструкции определите размеры ее молекул.
Даже одна арифметическая ошибка может превратить решение этой задачи в бессмыслицу. Расчет объема взятого масла пальмитиновой кислоты является простой задачей на дроби, подобно расчету рецепта теста для пирога или разбавления соков. Он требует знания элементарных арифметических правил и уверенности. Чтобы избежать ошибок, лучше производить его по стадиям, например, по количеству раствора 5 капель , нанесенного на воду, рассчитать: а массу нанесенного на воду раствора; б массу пальмитиновой кислоты, содержащейся в этом количестве раствора; в объем, который займет эта масса пальмитиновой кислоты 850 кг занимают 1 м3, следовательно….
Изучение этих свойств помогает лучше понять поведение жидкостей и разрабатывать новые технологии и материалы. Что такое поверхностное натяжение? Каждая молекула внутри жидкости оказывается под влиянием сил притяжения со стороны других молекул. Однако, на поверхности жидкости, молекулы находятся только с одной стороны, поэтому здесь силы притяжения оказываются более сильными, что создает поверхностное натяжение. Силы притяжения молекул на поверхности жидкости стремятся уменьшить площадь поверхности, так как таким образом они занимают более устойчивое состояние и сложнее испаряются.
Поверхностное натяжение является играющим огромную роль во многих процессах, таких как капиллярное действие, смачивание, образование пузырьков, и даже движение вязкой жидкости по трубе. Оно также зависит от температуры и рода жидкости. Как поверхностное натяжение зависит от температуры? Температура является одним из факторов, которые влияют на поверхностное натяжение жидкости. Обычно, с увеличением температуры поверхностное натяжение уменьшается. Это происходит из-за того, что с повышением температуры молекулы жидкости получают больше кинетической энергии и начинают двигаться быстрее.
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. 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.
Молекулярные силы притяжения и отталкивания между молекулами влияют на поверхностное натяжение.
Благодаря этим силам, молекулы на поверхности жидкости организовываются в компактный слой и создают натяжение. Деликтная теория: Деликтная теория поверхностного натяжения основывается на предположении о существовании внутренних деликтных сил внутри жидкости. Известно, что жидкость состоит из молекул, связанных друг с другом. Делектные силы между этими молекулами создают сопротивление изменениям формы жидкости. Деликтные силы направлены внутрь жидкости и противодействуют деформации.
Именно эти силы порождают поверхностное натяжение на границе раздела между жидкостью и воздухом. Роль водородных связей в поверхностном натяжении Водородные связи представляют собой электростатическое взаимодействие между атомами водорода, связанными с электроотрицательными атомами, такими как кислород, азот или фтор. В жидкостях, обладающих возможностью образовывать водородные связи, молекулы образуют сеть связей между собой, что приводит к более высокому поверхностному натяжению. Водородные связи имеют свойства притягивать другие молекулы ко всему будучи притянутыми молекулярному возвышению, что способствует укреплению поверхности жидкости. Это объясняет, почему жидкости, такие как вода и многие органические соединения, обычно имеют более высокое поверхностное натяжение, потому что они образуют больше водородных связей в сравнении с другими жидкостями.
Более сильные взаимодействия водородных связей между молекулами создают более прочную поверхность, что приводит к более высоким значениям поверхностного натяжения. На практике это проявляется в способности жидкостей с высоким поверхностным натяжением образовывать капли сферической формы, так как энергия поверхности молекул жидкости минимизируется при минимальном контакте с внешней средой. Таким образом, водородные связи играют важную роль в определении поверхностного натяжения жидкости. Изучение этих связей и их влияния на физические свойства различных жидкостей имеет большое значение в научных и технических областях, таких как фармакология, материаловедение и биохимия. Зависимость поверхностного натяжения от температуры При повышении температуры, поверхностное натяжение жидкости обычно снижается.
Это происходит из-за увеличения теплового движения молекул в жидкости. Более интенсивное движение молекул приводит к увеличению наружных сил, стремящихся расширить поверхность жидкости и уменьшить ее площадь. Температурная зависимость поверхностного натяжения может быть описана законом Гейскирха, который устанавливает, что поверхностное натяжение жидкости обратно пропорционально температуре. Простыми словами, чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение. Зависимость поверхностного натяжения от температуры имеет важные практические применения.