ОБЪЯСНИТЕ ПРИЧИНУ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СИЛ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Что такое поверхностное натяжение жидкости

Поверхностное натяжение — характеристика поверхности раздела двух фаз, которые находятся в равновесии. Характеристика определяется работой образования единицы площади этой поверхности раздела.

(mathcal F=sigmamathcal l), Н

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

— коэффициент поверхностного натяжения, Н/м

— длина, м

Направление силы: по касательной к поверхности.

В школе же это объясняли. Рассмотрите молекулу (например воды), которая находится внутри объёма жидкости. Её притягивают к себе все окружающие (соседние) молекулы (для упрощения, тоже воды). Поскольку их много, и они со всех сторон, то в результате равнодействующая сил притяжения, действующих на данную молекулу, равна нулю, поэтому в среднем можно считать, что на рассматриваемую молекулу никакие силы не действуют.

Теперь рассмотрим молекулу на поверхности жидкости (допустим, наверху). Соседние молекулы воды притягивают её к себе, но все они расположены ниже, поэтому равнодействующая сил притяжения этих молекул не равна нулю, и направлена внутрь объёма жидкости. Конечно, можно возразить, что эту молекулу воды притягивают к себе молекулы воздуха, но сила взаимодействия с молекулами воздуха неизмеримо меньше, и вообще, молекулы газов хаотически двигаются, сталкиваются как между собой, так и с молекулами воды на поверхности, но это взаимодействие не “вытягивает”, а наоборот, как бы “вбивает” рассматриваемую молекулу воды внутрь объёма.

Таким образом, все молекулы воды на поверхности стремятся уйти внутрь объёма, и таким образом сократить поверхность. Вот таким образом межмолекулярные взаимодействия приводят к возникновению поверхностного натяжения. Разумеется, это справедливо не только для воды, а для любой жидкости (и даже для твёрдых тел).

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 11 января 2023 года; проверки требуют 9 правок.

Монета, лежащая на поверхности воды благодаря силе поверхностного натяжения

Когезия формирует водяные капли, поверхностное натяжение делает их почти сферическими, а адгезия держит их на поверхности другого вещества

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности
 — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. В СИ он измеряется в ньютонах на метр.
Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии в джоулях на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение возникает на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно под термином «поверхностное натяжение» имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе жидкость — газ. В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.

Прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.

Поверхностное
натяжение – это характеристика
поверхности раздела двух фаз, находящихся
в равновесии. Поверхностное натяжение
имеет место на границах твердое
тело-жидкость, жидкость-газ,
жидкость-жидкость, твердое тело-газ.
Поверхностное натяжение имеет двойной
физический смысл — энергетический
(термодинамический) и силовой
(механический). Энергетическое
(термодинамическое) определение:
поверхностное натяжение — это
удельная работа увеличения поверхности
при её растяжении при условии постоянства
температуры. Силовое (механическое)
определение: поверхностное натяжение —
это сила, действующая на единицу длины
линии, которая ограничивает поверхность
жидкости. Сила поверхностного натяжения
направлена по касательной к поверхности
жидкости, перпендикулярно к участку
контура, на который она действует и
пропорциональна длине этого участка.
Коэффициент пропорциональности


сила, приходящаяся на единицу длины
контура — называется коэффициентом
поверхностного натяжения. Он измеряется
в ньютонах на метр. Но более правильно
дать определение поверхностному
натяжению, как энергии (Дж) на разрыв
единицы поверхности (м²). В этом случае
появляется ясный физический смысл
понятия поверхностного натяжения.
Объяснить явления, происходящие на
поверхности жидкости можно основываясь
на представлениях о ее молекулярном
строении. Вероятно, молекулы, образующие
поверхностный слой жидкости, чем-то
отличаются от молекул, расположенных
в ее глубинных слоях. Действительно,
они находятся в различных условиях.
Если рассматривать границу раздела
жидкости и воздуха, ситуация может
выглядеть следующим образом. Молекулы
внутри жидкости притягиваются соседними
молекулами со всех сторон, поэтому
молекулярные силы здесь скомпенсированы.
Молекулы, расположенные на поверхности
жидкости, притягиваются соседними
молекулами в основном внутрь жидкости,
так как плотность водяных паров,
находящихся над жидкостью, несравнимо
меньше плотности самой жидкости. Сумма
сил, действующих на молекулы поверхностного
слоя, направлена внутрь жидкости. Если
сам предложенный механизм появления
сил поверхностного натяжения верен,
то становится понятным, что такие силы
могут возникать не обязательно на
границе жидкость–воздух, но и вообще
на границе раздела жидкости с другой
средой – газом, инородной жидкостью,
твердым телом.

Что такое поверхностное натяжение и в каких единицах оно измеряется? Каковы причины его возникновения?

Поверхностное
натяжение — термодинамическая характеристика
поверх-ности раздела двух находящихся
в равновесии фаз,
определяемая работой обратимого
изотермокинетического образования
единицы площади этой поверхности раздела
при условии, что температура, объём
системы и химические
потенциалы всех
компонентов в обеих фазах остаются
постоянными.

Поверхностное
натяжение имеет двойной физический
смысл — энергетический (термодинамический)
и силовой (механический). Энергетическое
(термодинамическое) определение:
поверхностное натяжение — это
удельная работа увеличения поверхности
при её растяжении при условии постоянства
температуры. Силовое (механическое)
определение: поверхностное натяжение —
это сила, действующая на единицу длины
линии, которая ограничивает поверхность
жидкости.

Сила
поверхностного натяжения направлена
по касательной к поверхности жидкости,
перпендикулярно к участку контура, на
который она действует и пропорциональна
длине этого участка. Коэффициент
пропорциональности


сила, приходящаяся на единицу длины
контура — называется коэффициентом
поверхностного натяжения. Он измеряется
в ньютонах на метр. Но более правильно
дать определение поверхностному
натяжению, как энергии (Дж) на разрыв
единицы поверхности (м²). В этом случае
появляется ясный физический смысл
понятия поверхностного натяжения.

2.
Как зависит поверхностное натяжение
от природы вещества образующего
поверхность?

Поверхностное
натяжение зависит от природы жидкости,
т.е. от сил притяжения между молекулами
данной жидкости и от температуры (с
увеличением температуры поверхностное
натяжение уменьшается).

3.
Как и почему зависит поверхностное
натяжение от температуры? Что называется
критической температурой кипения?

С
увеличением температуры величина
поверхностного натяжения уменьшается
и равна нулю при критической температуре.
Наиболее известная эмпирическая
зависимость поверхностного натяжения
от температуры была предложена Лорандом
Этвёшом,
так называемое правило
Этвёша(англ. Eötvös
rule).
В настоящее время получен вывод
теоретической зависимости поверхностного
натяжения от температуры в области до
критических температур, подтверждающей
правило Этвёша

4.
Какие методы используются для определения
поверхностного натяжения жидкостей и
твердых тел? На чем основано измерение
поверхностного натяжения жидкостей
методом наибольшего давления пузырька
воздуха?

Способы
определения поверхностного натяжения
делятся на статические и динамические.
В статических методах поверхностное
натяжение определяется у сформировавшейся
поверхности, находящейся в равновесии.
Динамические методы связаны с разрушением
поверхностного слоя. В случае измерения
поверхностного натяжения растворов
(особенно полимеров или ПАВ) следует
пользоваться статическими методами. В
ряде случаев равновесие на поверхности
может наступать в течение нескольких
часов (например, в случае концентрированных
растворов полимеров с высокой вязкостью).
Динамические методы могут быть применены
для определения равновесного поверхностного
натяжения и динамического поверхностного
натяжения. Например, для раствора мыла
после перемешивания поверхностное
натяжение 58 мДж/м², а после отстаивания —
35 мДж/м² . То есть поверхностное натяжение
меняется. До установления равновесного
оно будет динамическое.

5.
Что называется адсорбцией и как её
количественно характеризуют? Напишите
фундаментальное адсорбционное уравнение
Гиббса и дайте определение избыточной
адсорбции (Г).

Адсорбция —
увеличение концентрации растворенного
вещества у поверхности раздела
двух фаз (твердая
фаза-жидкость,
конденсированная фаза – газ) вследствие
нескомпенсированности сил межмолекулярного
взаимодействия на разделе фаз. Адсорбция
является частным случаем сорбции,
процесс, обратный адсорбции – десорбция.

Физическая
адсорбция является самопроизвольным
процессом, идущим с уменьшением свободной
поверхностной энергии и описывается
уравнением Гиббса: Гi = —
(dσ/dμi)т,
где Гi —
избыток компонента i в поверхностном
слое по сравнению с его равновесной
концентрацией в объемной фазе; σ —
поверхностное натяжение; μi —
химический потенциал i-го компонента;
Т — температура. Физическая адсорбция
из растворов может быть положительной
(при которой поглощается растворенное
вещество) или отрицательной (поглощается
растворитель). Положительно адсорбирующиеся
вещества, вызывающие понижение
поверхностного натяжения, называются
поверхностно-активными (ПАВ),
а отрицательно — поверхностно-инактивными
(ПИВ).

Величина
избыточной адсорбции Гиббса рассчитывалась
по формуле:

где
Г – избыточная адсорбция Гиббса,
ммоль/г; с –
исходная концентрация диметиламина,
ммоль/дм3; ср –
равновесная концентрация диметиламина,
ммоль/дм3; V –
объем исследуемого раствора, дм3; m –
масса навески адсорбента , г.

Водомерка на поверхности воды.

Так как увеличение площади поверхности раздела жидкость — газ требует совершения работы, жидкость «стремится» уменьшить площадь своей 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.

Капиллярные явления

При
взаимодействии со стенками узкого
сосуда силы поверхностного натяжения
стремятся либо поднять уровень жидкости
(стенки трубки смачиваемые), либо опустить
(стенки трубки несмачиваемые), см. рисунок
5. Причина этих явлений – поверхностное
натяжение.


ОБЪЯСНИТЕ ПРИЧИНУ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СИЛ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Рис.5. Жидкости в
капиллярах

Свободная
поверхность жидкости около твердой
поверхности искривлена и называется
мениском. Давление столба жидкости в
трубке, поднятой на высоту h компенсируется
давлением, создаваемым поверхностным
натяжением искривленной поверхности
и направленным вверх (вода-стекло-вода).
Аналогично и с опусканием на глубину
(вода-стекло-ртуть). Когда поверхность
жидкости не плоская, то стремление ее
к сокращению под действием сил
поверхностного натяжения приводит к
возникновению давления, дополнительного
к тому, которое испытывает жидкость с
плоской поверхностью. В случае выпуклой
поверхности это давление положительно
(рис.6), в случае вогнутой – отрицательно
(в последнем случае поверхностный слой,
стремясь сократиться, растягивает
жидкость).

Величину
давления, создаваемого силами
поверхностного натяжения, рассчитаем
при рассмотрении мыльного пузыря
радиусом r.
Избыточное по сравнению с атмосферным
давление

газа внутри пузыря уравновешивается
давлением со стороны стенок пузыря,
обусловленным поверхностным натяжением.
При изменении давления внутри пузыря
его радиус увеличивается на dr
и при этом совершается работа

,
которая переходит в свободную энергию
поверхности пузыря, которая согласно

равна

,
причем dS
является
суммарным увеличением внутренней и
внешней поверхности мыльного пузыря,
т.е.

.
По закону сохранения энергии

причем
это давление создается двумя изогнутыми
поверхностями мыльного пузыря (внутренней
и внешней).

Одна поверхность
создает давление, в два раза меньшее:

(иногда
его называют лапласовым давлением)
обуславливает изменение уровня жидкости
в капиллярных трубках. Поэтому его еще
называют капиллярным давлением.

Жидкость
поднимается или опускается в капилляре
до тех пор, пока добавочное давление ∆Р
не сравняется
с гидростатическим давлением поднявшегося
или опустившегося столба жидкости. Если
считать, что жидкость полностью смачивает
поверхность капилляра, то радиус кривизны
мениска r
совпадает с внутренним радиусом трубки
R.
По равенству лапласова и гидростатического
давления можно записать:

где
ρ – плотность жидкости, h
– высота ее
поднятия, g
– ускорение
силы тяжести.

Из
равенства

можно определить коэффициент
поверхностного натяжения:

Формула

используется в качестве рабочей при
определении коэффициента поверхностного
натяжения капиллярным методом.

Задача
1. Определение коэффициента поверхностного
натяжения методом отрыва капель

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов (например, в случае концентрированных растворов полимеров с высокой вязкостью). Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения.
Например, для раствора мыла после перемешивания поверхностное натяжение 58 мДж/м², а после отстаивания — 35 мДж/м². То есть поверхностное натяжение меняется.
До установления равновесного оно будет динамическое.

Коэффициент поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения () — сила, которая действует на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости (Н/м).

Коэффициент поверхностного натяжения – коэффициент, равный работе, которую необходимо совершить для образования поверхности жидкости площадью при постоянной температуре.

— площадь поверхности жидкости

Расчет поверхностного натяжения в задачах

Имеется пипетка с диаметром отверстия  мм. В ходе опыта выяснилось, что  капель имеют массу равную  г. Вычислите коэффициент поверхностного натяжения.

Найдем массу одной капли и длину окружности.

(mathcal l=mathrmpimathcal d\)

Напишем условие равновесия капли из пипетки.

Выразим коэффициент поверхностного натяжения.

Сосуд со ртутью имеет отверстие диаметром 70 мкм. Возможно ли без измерения определить максимальную высоту слоя ртути, при которой она не будет вытекать через отверстие?

Ртуть начнет вытекать тогда, когда произойдет увеличение силы ее давления относительно силы поверхностного натяжения.

Ответ: м

Есть игла длиной  см и массой  г. Сможем ли мы произвести следующее действие: положить иголку на поверхность воды. Или же она утонет? Какие силы действуют на иголку?

На иглу действует сила тяжести. Если мы найдем ее и сравним с силой поверхностного натяжения, то узнаем ответ.

Сравниваем силы и видим, что значение силы тяжести больше величины поверхностного натяжения.

Ответ: Игла утонет.

Почему возникают сложности с тем, чтобы снять мокрые перчатки с рук?

Ответ: Молекулы воды взаимодействуют с молекулами перчатки. По этой причине мы чувствуем сопротивление при стягивании перчаток с рук.

Есть капиллярная трубка ( мм). В ней столб жидкости высотой 11 мм. Определите плотность жидкости, если

Воспользуемся формулой для капилляра.

Алюминиевое кольцо массой 7 г и радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Какую силу нужно приложить, чтобы оторвать кольцо от жидкости? Раствор имеет комнатную температуру.

Помимо натяжения на кольцо действует внешняя сила и сила тяжести.

Важно то, что кольцо соприкасается жидкости двумя сторонами. Умножаем на 2.

Ответ: 11 Н

Чем вызвано поверхностное натяжение

Причина возникновения явления поверхностного напряжения: молекулы, которые составляют верхний слой жидкости. Они создают взаимодействие между собой, возникает натяжение.

Жидкости стремятся принять форму, которая требует минимальной площади поверхности.

Пояснение возникновения силы поверхностного натяжения. Молекулы на границе раздела испытывают силы, стремящиеся втянуть их в жидкость, так как со стороны газа на них не действуют силы притяжения.

Поверхность жидкости обладает свободной энергией:

Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Таким образом задача о форме жидкости сводится к изопериметрической задаче при заданных дополнительных условиях (начальное распределение, объём и т. п.). Свободная капля стремится принять форму шара, однако при более сложных начальных условиях задача о форме поверхности жидкости становится математически исключительно сложной.

Рассмотрим тонкую жидкую плёнку, толщиной которой можно пренебречь. Стремясь минимизировать свою свободную энергию, плёнка создаёт разность давления с разных сторон. Этим объясняется образование мыльных пузырей: плёнка сжимается до тех пор, пока давление внутри пузыря не будет превышать атмосферное на величину добавочного давления поверхностного натяжения плёнки. Добавочное давление в точке поверхности зависит от средней кривизны в этой точке и задаётся формулой Лапласа:

Здесь  — радиусы главных кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный знак — если по разную сторону. Например, для сферы центры кривизны в любой точке поверхности совпадают с центром сферы, поэтому:

Для случая поверхности кругового цилиндра радиуса имеем:

Так как должна быть непрерывной функцией на поверхности плёнки, поэтому выбор «положительной» стороны плёнки в одной точке локально однозначно задаёт положительную сторону поверхности в достаточно близких её точках.

Из формулы Лапласа следует, что свободная мыльная плёнка, натянутая на рамку произвольной формы и не образующая пузырей, будет иметь среднюю кривизну, равную 0.

Механизм возникновения поверхностного натяжения

Особые
условия, в которых находится поверхность
жидкости, можно описать так:
поверхность
жидкости обладает избыточной по сравнению
с остальной массой жидкости потенциальной
(свободной) энергией.

К
чему же это приводит? Также как в механике,
система стремится достигнуть состояния
с наименьшей потенциальной энергией,
и только это состояние и является
устойчивым. В термодинамике система в
изотермических условиях стремится
достигнуть состояния с наименьшей
потенциальной энергией. Поэтому
поверхность
жидкости стремится сократиться. Благодаря
этому вдоль
поверхности жидкости по касательной к
ней действуют силы, называемые силами
поверхностного натяжения.
В этом отношении поверхность жидкости
подобна тонкой резиновой пленке, которой
окружен весь объем жидкости i.

аличие
поверхностного
натяжения очень эффектно демонстрируется
с помощью мыльных пленок.

Рис. 4. Проволочная

рамка с мыльной пленкой

сли, например, опустить проволочную
рамку, одна из сторон которой АВ подвижна
(рис.4), в мыльный раствор, то вся она
затянется пленкой жидкости.

Силы
поверхностного натяжения принуждают
пленку сокращаться, и подвешенная
перекладина АВ вслед за пленкой
перемещается вверх.
Чтобы
сохранить ее в равновесии, к перекладине
нужно приложить силу,
например, в
виде груза весом P
(вес груза + вес перекладины).

Поверхностная
сила f с
учетом того, что пленка имеет две
поверхности (пленка представляет собой
слой жидкости), равна при равновесии
весу груза P:

Если
под действием силы перекладина, увлекаемая
пленкой, переместилась на расстояние
dh из
положения АВ, то работа, совершенная
силой f,
равна:

.
Работа эта равна уменьшению свободной
энергии пленки dF,
которое согласно

равно

.
В данном случае

,
где l – длина
рамки. Тогда

откуда:

Коэффициент
поверхностного натяжения может
быть определен как величина, равная
силе поверхностного натяжения,
действующего на единицу длины линии,
являющейся границей жидкости,
т. е.

Математически
более правильно записывать в
дифференциальной форме или

,
т.е. это сила поверхностного натяжения,
действующая на элемент dl.

Так
как появление поверхности жидкости
требует совершения работы, каждая среда
«стремится» уменьшить площадь своей
поверхности. ” Мудрому не свойственно
лишних движений”, поэтому

Полностью стандартизованные методы измерений описываются в соответствующих ASTM, ГОСТ и т. д.

Метод вращающейся капли

Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Кольцо из платиновой проволоки плоскость которого параллельна поверхности жидкости медленно поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие в момент отрыва кольца от поверхности и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения поверхностного натяжения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.

Метод капиллярных волн

При возмущении жидкости колеблющейся пластиной, лежащей на её поверхности, по поверхности жидкости распространяются капиллярные волны. Если осветить кювету с жидкостью импульсным источником света (стробоскопом) с частотой вспышек равной частоте колебания пластины возмущения, то будет наблюдаться зрительно неподвижная волновая картина. По измеренной длине волны можно рассчитать величину поверхностного натяжения по формуле:

где  — поверхностное натяжение;
 — плотность жидкости;
 — длина волны;
 — частота колебания пластины;
 — ускорение свободного падения.

Условия равновесия на границе двух и на границе жидкость – твёрдое тело.

При
рассмотрении явлений на границе раздела
двух различных сред следует иметь в
виду, что поверхностная энергия жидкости
или твёрдого тела зависит не только от
свойств данной жидкости или твёрдого
тела, но и от свойств того вещества, с
которым они граничат. Строго говоря,
нужно рассматривать суммарную
поверхностную энергию α12 двух граничащих
друг с другом веществ. Только если одно
вещество газообразно, химически не
реагирует с другим веществом и мало в
нём растворяется, можно говорить просто
о поверхностной энергии (или коэффициенте
поверхностного натяжения) второго
жидкого или твёрдого тела. Если граничат
друг с другом сразу три вещества:
твёрдое, жидкое и газообразное, то вся
система принимает конфигурацию,
соответствующую минимуму суммарной
энергии (поверхностной, в поле сил
тяжести и т.п.). В частности, контур, по
которому граничат в се три вещества,
располагается на поверхности твёрдого
тела таким образом, чтобы сумма проекций
всех приложенных к каждому элементу
контура сил поверхностного натяжения
на направление, в котором элемент
контура может перемещаться (т.е. на
направление касательной к поверхности
твёрдого тела), была равна нулю.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *