СТАТЬЯ ОБНОВЛЕНА: 29.12.2019

Поверхностное натяжение воды – одно из самых интересных свойств воды.

Примеры поверхностного натяжение воды

Для лучшего понимания поверхностного натяжения воды приведем несколько его проявлений в реальной жизни:

• Когда мы видим как вода с кончика крана капает а не льётся - это поверхностное натяжение воды;
• Когда капля дождя в полете принимает округлую слегка вытянутую форму - это поверхностное натяжение воды;
• Когда вода на водонепроницаемой поверхности принимает шарообразную форму - это поверхностное натяжение воды;
• Рябь, возникающая при дуновении ветра на поверхности водоемов, так же является проявлением поверхностного натяжения воды;
• Вода в космосе принимает шарообразную форму благодаря поверхностному натяжению;
• Насекомое водомерка держится на поверхности воды благодаря именно этому свойству воды;
• Если на поверхность воды аккуратно положить иглу, она будет плавать;
• Если в стакан поочерёдно налить жидкости разной плотности и цвета, мы увидим, что они не смешиваются;
• Радужные мыльные пузыри, так же являются прекрасным проявление поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение - несколько точных определений

Большая медицинская энциклопедия

Поверхностное натяжение (П. н.) - это сила притяжения, с которой каждый участок поверхностной пленки (свободной поверхности жидкости или же любой поверхности раздела двух фаз) действует на смежные части поверхности. Внутреннее давление и П. н. Поверхностный слой жидкости ведет себя, как эластическая растянутая мембрана. Согласно представлению, развитому гл. обр. Лапласом (Laplace), это свойство жидких поверхностей зависит от «молекулярных сил притяжения, быстро убывающих с расстоянием. Внутри однородной жидкости силы, действующие на каждую молекулу со стороны молекул, ее окружающих, взаимно уравновешиваются. Но вблизи поверхности равнодействующая сил молекулярного притяжения направлена внутрь; она стремится втянуть поверхностные молекулы в толщу жидкости. Вследствие этого весь поверхностный слой подобно упругой растянутой пленке оказывает на внутреннюю массу жидкости в направлении, нормальном к поверхности, весьма значительное давление. По подсчетам это «внутреннее давление», под которым находится вся масса жидкости, достигает нескольких тысяч атмосфер. Оно возрастает на выпуклой поверхности и убывает на вогнутой. В силу стремления свободной энергии к минимуму всякая жидкость стремится принять форму, при к-рой ее поверхность - место действия поверхностных сил - имеет наименьшую возможную величину. Чем больше поверхность жидкости, тем большую площадь занимает ее поверхностная пленка, тем значительнее запас свободной поверхностной энергии, освобождающейся при ее сокращении. Натяжение, с которым каждый участок сокращающейся поверхностной пленки действует на смежные части (в направлении, параллельном свободной поверхности), называется П. н. В отличие от эластического напряжения упругого растянутого тела, П. н. не ослабевает по мере сжатия поверхностной пленки. … Поверхностное натяжение равняется работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить свободную поверхность жидкости на единицу. П. н. наблюдается на границе жидкости с газом (также и с собственным паром), с другой несмешивающейся жидкостью или же с твердым телом. Точно так же и твердое тело имеет П. н. на границе с газами и жидкостями. В отличие от П. н., к-рое жидкость (или твердое тело) имеет на своей свободной поверхности, граничащей с газообразной средой, натяжение на внутренней границе двух жидких (или жидкой и твердой) фаз удобно обозначить специальным термином-принятым в немецкой литературе, термином «пограничное натяжение» (Grenzflachenspannung). Если в жидкости растворено вещество, понижающее ее П. н., то свободная энергия уменьшается не только путём уменьшения величины пограничной поверхности, но и посредством адсорпции: поверхностно активное (или капилярноактивное) вещество собирается в повышенной концентрации в поверхностном слое …
…

Большая медицинская энциклопедия. 1970

Подытожить все вышесказанное можно таким образом – молекулы, которые находятся на поверхности какой либо жидкости, в том числе и воды, притягиваются остальными молекулами внутрь жидкости, вследствие чего и возникает поверхностное натяжение. Подчеркнем, что это упрощенное понимание этого свойства.

Коэффициент поверхностного натяжения - определение

Политехнический терминологический толковый словарь

Коэффициент поверхностного натяжения - линейная плотность силы поверхностного натяжения на поверхности жидкости или на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.

Политехнический терминологический толковый словарь. Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц. 2014

Ниже мы приведем значения коэффициента поверхностного натяжения (К. п. н.) для различных жидкостей при температуре 20°C:

• К. п. н. ацетона - 0.0233 Ньютон / Метр;
• К. п. н. бензола - 0.0289 Ньютон / Метр;
• К. п. н. воды дистиллированной - 0.0727 Ньютон / Метр;
• К. п. н. глицерина - 0.0657 Ньютон / Метр;
• К. п. н. керосина - 0.0289 Ньютон / Метр;
• К. п. н. ртути - 0.4650 Ньютон / Метр;
• К. п. н. этилового спирта - 0.0223 Ньютон / Метр;
• К. п. н. эфира - 0.0171 Ньютон / Метр.

Коэффициенты поверхностного натяжения воды

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры жидкости. Приведем его значения при различных температурах воды.

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами и газообразных, и твердых веществ. Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия. В данном случае средняя энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны, и газ занимает весь предоставленный ему объем.

В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия хаотического теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

Рентгеноструктурный анализ жидкостей показал, что характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, поэтому нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел наблюдается так называемый дальний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на больших расстояниях. В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимых с межатомными.

Теория жидкости до настоящего времени полностью не развита. Тепловое движение в жидкости объясняется тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости, и диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, что, является причиной уменьшения вязкости жидкости.

На каждую молекулу жидкости со стороны окружающих молекул действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием, следовательно, начиная с некоторого минимального расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние (приблизительно 10 -9 м) называетсярадиусом молекулярного действия r , а сфера радиуса r - сферой молекулярного действия.

Выделим внутри жидкости какую-либо молекулу А и проведем вокруг нее сферу радиуса r (рис.10.1). Достаточно, согласно определению, учесть действие на данную молекулу только тех молекул, которые находятся внутри сферы

Рис.10.1. молекулярного действия. Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны и в среднем скомпенсированы, поэтому результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю. Иначе обстоит дело, если молекула, например молекула В, расположена от поверхности на расстоянии, меньшем r. В данном случае сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Так как концентрация молекул в расположенном над жидкостью газе мала по сравнению с их концентрацией в жидкости, то равнодействующая силF , приложенных к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Таким образом, результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемоемолекулярным (иливнутренним). Молекулярное давление не действует на тело, помещенное в жидкость, так как оно обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости.

Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их хаотического теплового движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемаяповерхностной энергией, пропорциональна площади слоя ΔS :

ΔW =σ ΔS ,(10.1)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения , определяемый как плотность поверхностной энергии.

Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, т.е. форму шара. Наблюдая мельчайшие капельки, взвешенные в воздухе, можем видеть, что они действительно имеют форму шариков, но несколько искаженную из-за действия сил земного тяготения. В условиях невесомости капля любой жидкости (независимо от ее размеров) имеет сферическую форму, что доказано экспериментально на космических кораблях.

Итак, условием устойчивого равновесия жидкости является минимум поверхностной энергии. Это означает, что жидкость при заданном объеме должна иметь наименьшую площадь поверхности, т.е. жидкость стремится сократить площадь свободной поверхности. В этом случае поверхностный слой жидкости можно уподобить растянутой упругой пленке, в которой действуют силы натяжения.

Рассмотрим поверхность жидкости, ограниченную замкнутым контуром. Под действием сил поверхностного натяжения (они направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно участку контура, на который они действуют) поверхность жидкости сократилась и рассматриваемый контур переместился. Силы, действующие со стороны выделенного участка на граничащие с ним участки, совершают работу:

ΔA=f Δl Δx ,

где f=F/ Δl – сила поверхностного натяжения , действующая на единицу длины контура поверхности жидкости. Видно, чтоΔl Δx = ΔS , т.е.

ΔA=fΔS.

Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии, т.е.

ΔΑ =ΔW.

Из сравнения выражений видно, что

т.е.коэффициент поверхностного натяжения σ равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность . Единица поверхностного натяжения – ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м 2). Большинство жидкостей при температуре 300К имеет поверхностное натяжение порядка 10 -2 –10 -1 Н/м. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях.Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называютсяповерхностно-активными веществами (ПАВ). Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению к воде является мыло. Оно сильно уменьшает ее поверхностное натяжение (примерно с 7,5·10 -2 до 4,5·10 -2 Н/м). ПАВ, понижающими поверхностное натяжение воды, являются также спирты, эфиры, нефть и др.

Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой.

В строительстве применяют ПАВ для приготовления растворов, используемых при обработке деталей и конструкций, работающих в неблагоприятных атмосферных условиях (высокая влажность, повышенные температуры, воздействие солнечной радиации, и т.д.).

Явление смачивания

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, изображенную на рис.10.2, в то время как ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю. В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором – не смачивает ее. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить

поверхность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом.

К линии соприкосновения трех сред (точка 0 есть ее пересечение с плоскостью чертежа) приложены три силы поверхностного натяжения, которые направлены по касательной внутрь поверхности соприкосновения соответствующих двух сред. Эти силы, отнесенные к единице длины линии соприкосновения, равны соответствующим поверхностным натяжениям σ 12 , σ 13 , σ 23 . Угол θ между касательными к поверхности жидкости и твердого тела называетсякраевым углом. Условием равновесия капли является равенство нулю суммы проекций сил поверхностного натяжения на направление касательной к поверхности твердого тела, т. е.

–σ 13 + σ 12 + σ 23 cosθ =0 (10.2)

cosθ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)

Из условия вытекает, что краевой угол может быть острым или тупым в зависимости от значений σ 13 и σ 12 . Если σ 13 >σ 12 , то cosθ >0 и угол θ острый, т.е. жидкость смачивает твердую поверхность. Если σ 13 <σ 12 , то cosθ <0 и угол θ – тупой, т. е. жидкость не смачивает твердую поверхность.

Краевой угол удовлетворяет условию (10.3), если

(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.

Если условие не выполняется, то капля жидкости ни при каких значениях θ не может находиться в равновесии. Если σ 13 >σ 12 +σ 23 , то жидкость растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (например, керосин на поверхности стекла),– имеет местополное смачивание (в данном случае θ =0).

Если σ 12 >σ 13 +σ 23 , то жидкость стягивается в шаровую каплю, в пределе имея с ней лишь одну точку соприкосновения (например, капля воды на поверхности парафина), – имеет местополное несмачивание (в данном случае θ =π).

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т.е. жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явления смачивания и несмачивания имеют большое значение в технике. Например, в методе флотационного обогащения руды (отделение руды от пустой породы) ее, мелко раздробленную, взбалтывают в жидкости, смачивающей пустую породу и не смачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидкостью частицы породы опускаются на дно, а крупинки минералов «прилипают» к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность жидкости. При механической обработке металлов их смачивают специальными жидкостями, что облегчает и ускоряет обработку поверхности.

В строительстве явление смачивания важно для приготовления жидких смесей (шпаклевки, замазки, строительные растворы для кладки кирпича и приготовления бетона). Необходимо, чтобы эти жидкие смеси хорошо смачивали поверхности строительных конструкций, на которые они наносятся. При подборе компонентов смесей учитывают не только краевые углы для пар смесь-поверхность, но и поверностноактивные свойства жидких компонентов.

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер плотности потока водяного пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

ньютон на метр миллиньютон на метр грамм-сила на сантиметр дина на сантиметр эрг на квадратный сантиметр эрг на квадратный миллиметр паундаль на дюйм фунт-сила на дюйм

Напряженность электрического поля

Подробнее о поверхностном натяжении

Общие сведения

Поверхностное натяжение - свойство жидкости противостоять силе, которая на нее действует. По сравнению с другими жидкостями, поверхностное натяжение воды одно из самых высоких. Это свойство воды вызвано ее молекулярной структурой, благодаря которой связи между молекулами намного прочнее, чем у других жидкостей.

Поверхностное натяжение зависит от самой жидкости и ее молекулярной структуры, но также и от того, с каким материалом эта жидкость соприкасается. Когда речь идет о поверхностном натяжении в животном мире и во многих других примерах, приведенных ниже, то обычно рассматривают либо систему вода-воздух, либо водные растворы различных веществ, так как это самые распространенные системы, которые встречаются в природе.

Вычисления поверхностного натяжения

Чтобы увеличить площадь поверхности воды, то есть, чтобы растянуть эту поверхность, нужно совершить механическую работу по преодолению сил поверхностного натяжения. Если к жидкости не приложены другие внешние силы, она стремится принять форму, при которой площадь поверхности этой жидкости минимальна. Как мы увидим ниже, наиболее оптимальной формой является шар. В условиях невесомости жидкость действительно принимает форму шара. Потенциальную энергию поверхностного натяжения находят по формуле:

Ε surf = σ · S

Здесь σ - это коэффициент поверхностного натяжения, а S - общая площадь жидкости. Эту формулу также можно выразить как:

σ = ε surf / S

Как видно из этой формулы, коэффициент поверхностного натяжения σ выражается в джоулях на квадратный метр (Дж/м² = Н/м). То есть, коэффициент поверхностного натяжения при постоянной температуре жидкости равен работе, которую необходимо выполнить, чтобы увеличить поверхность жидкости на единицу площади. Вспомним, что джоуль равен ньютону, умноженному на метр, и получим еще одну единицу для измерения поверхностного натяжения - ньютон на метр (Н/м).

О терминологии

Поверхностное натяжение возникает не только в системах воздух-жидкость. Чаще всего, когда говорят о силе на длину, имеют ввиду поверхностное натяжение в системах жидкость-газ. Иногда речь идет о системах жидкость-жидкость, которые тоже имеют поверхностное натяжение. Пример системы жидкость-жидкость, в котором можно говорить о поверхностном натяжении - это лавовые лампы. Когда лампа выключена, то парафин в ней находится в твердом состоянии, но когда она включена, он нагревается, тает, и поднимается вверх, так как в нагретом состоянии парафин легче жидкости, в которой он находится, а в холодном - тяжелее.

Механизм работы поверхностного натяжения

Каждая молекула в жидкости действует на окружающие молекулы с определенной силой. Соответственно, на каждую молекулу также действует ряд сил из разных направлений со сторон других молекул. Действие этих сил между молекулами показано на иллюстрации. Эти силы возникают благодаря тому, что атомы водорода и кислорода, из которых состоит вода, притягиваются друг к другу из-за разности зарядов (отрицательный заряд кислорода притягивается к положительному заряду водорода). Эти силы притягивают молекулы в разные стороны, по направлению друг к другу.

Ситуация с молекулами на поверхности вещества состоит немного иначе, так как величина силы, с которой молекулы воздуха действуют на молекулы воды намного меньше, чем силы, с которой молекулы воды действуют друг на друга. Как показано на иллюстрации, силы, действующие на молекулы на поверхности жидкости, меньше, чем силы, действующие на все остальные молекулы внутри вещества. Силы, действующие на эти молекулы, действуют на них со сторон, с которых они окружены другими молекулами воды, но не с поверхности. Благодаря этому молекулы на поверхности притягиваются внутрь жидкости с большей силой, чем они притягиваются в сторону поверхности. Из-за этого на поверхности образуется намного более «прочный» слой воды. Силы, действующие на молекулы на поверхности, заставляют поверхность сжиматься, чтобы как можно сильнее уменьшить площадь поверхности. По сравнению с другими связями, эти связи намного труднее разрушить.

Силы, которые действуют на молекулы воды, обусловливают наличие двух свойств воды -адгезии и когезии . Когезия - это свойство молекул одного и того же вещества притягиваться друг к другу. Как мы увидели из предыдущих примеров, молекулы воды обладают высокой когезией. Именно благодаря когезии возможно поверхностное натяжение.

Адгезия, наоборот, свойство молекул разных веществ или материалов притягиваться друг к другу. Например, если адгезия между жидкостью и сосудом велика, то жидкость «взбирается» по поверхности сосуда, в то время как область в центре жидкости остается на месте. Это хорошо видно на примере воды в стеклянном сосуде - вода образует вогнутый мениск , если налить ее в узкий сосуд.

Кончено, вогнутый мениск образуется в любом стеклянном сосуде, если тот не слишком полон, но этот эффект намного легче увидеть в узком сосуде, например в трубке. Стоит заметить, что на иллюстрации полного стакана мениск выпуклый . Это вызвано тем, что воде не за что «зацепиться», кроме как за другие молекулы воды. Выпуклая форма мениска вызвана когезией между молекулами воды. Процесс образования выпуклого мениска похож на процесс формирования капель воды, который описан ниже.

Если адгезия между поверхностью вещества и жидкости мала, то мениск будет выпуклым. Это вызвано тем, что молекулы жидкости притягиваются к другим молекулам жидкости сильнее, чем они притягиваются к поверхности сосуда. Наглядный пример такого мениска: ртуть. Если у вас есть измерительный прибор с ртутью внутри, например термометр, то вы легко увидите этот мениск.

Примеры поверхностного натяжения в работе

Примеры поверхностного натяжения в быту и технике окружают нас повсеместно. Легче всего увидеть эффект поверхностного натяжения в системах вода-воздух.

Капли воды

Образование капель сферической формы также происходит благодаря силам, которые притягивают молекулы поверхности жидкости внутрь. Представим каплю, как ее часто рисуют дети - ее форма совсем не сферическая, а продолговатая, удлиненная сверху и округленная снизу. Самое распространенное изображение капли имеет такую форму потому, что мы чаще всего видим капли именно такими, когда на них действуют различные силы. Например, так выглядят капли, которые скатываются по поверхности листьев и веток деревьев, а потом стекают вниз.

Когда капля еще не стекла с поверхности, на которой она находится, на нее действует несколько сил, включая силу притяжения. Вода легко изменяет форму, и капля, перед тем как упасть вниз, растянута и представляет собой висячую каплю . Нам хорошо знакома эта форма, так как такие капли, в отличие от сферических, движутся довольно медленно, и их легко увидеть.

По мере того, как капля растягивается, она достигает точки максимального растяжения, после которой силы поверхностного натяжения не могут больше удерживать молекулы капли как единое целое. Капля отрывается от других молекул воды и падает вниз. Пока она летит вниз, влияние окружающих сил на нее уменьшается, и благодаря поверхностному натяжению ее форма становится сферической, как мы обсудили выше.

Как видно на фотографии кофейной капли, которая падает в чашку из кофеварки эспрессо, форма этой капли очень близка к сферической, хотя она немного деформирована силой притяжения, которая на нее действует.

Чтобы понять механизм образования сферической капли, можно также рассмотреть поверхностное натяжение с точки зрения энергии, как в определении этого явления выше. Частицы притягиваются к другим частицам с противоположным зарядом, поэтому можно сказать, что у этих частиц есть потенциальная энергия, которая зависит от того, как эти молекулы взаимодействуют с окружающими молекулами. Молекулы на поверхности жидкости не окружены другими молекулами со стороны поверхности, поэтому их потенциальная энергия выше. Такая система стремится уменьшить потенциальную энергию, согласно принципу минимальной потенциальной энергии . Это значит, что молекулы с более высокой потенциальной энергией стремятся уменьшить ее, например, изменяя свою форму. В нашем случае это достигается изменением формы, которую принимает вода.

При постоянном поверхностном натяжении потенциальную энергию можно уменьшить, уменьшив площадь. Важно помнить, что речь идет о площади между молекулами. Рассмотрев формулы вычисления площади различных геометрических фигур заметим, что шар лучше всего подходит для уменьшения площади между молекулами, то есть эта площадь для молекул по наружной поверхности шара минимальная по сравнению с другими геометрическими формами. Эту зависимость можно доказать, используя уравнение Эйлера - Лагранжа .

Изменение поверхностного натяжения при изменении температуры и химического состава вещества

Стоит заметить, что при увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается. Это происходит потому, что при увеличении температуры молекулы становятся более активными и интенсивность их колебаний возрастает. В результате расстояние между молекулами увеличивается и связи между молекулами ослабевают. Некоторые вещества, добавленные в воду, например, мыло, также уменьшают поверхностное натяжение, и это позволяет воде лучше приставать к другим поверхностям.

Пониженное поверхностное натяжение позволяет воде проникать в поры и труднодоступные отверстия, например между волокнами ткани. Это возможно благодаря тому, что молекулы воды легко отделяются друг от друга при пониженном поверхностном натяжении. Именно поэтому ткани, посуду, и другие предметы и поверхности чаще всего моют горячей водой. Моющие средства имеют такой же эффект по уменьшению поверхностного натяжения, что и нагревание, поэтому их также нередко используют для мытья поверхностей, часто в совокупности с горячей водой.

Поверхностное натяжение в капиллярах

Выше мы рассмотрели образование мениска благодаря адгезии, но это не единственный пример того, как жидкости ведут себя в узких трубках и капиллярах. Жидкости поднимаются вверх по капилляру или трубке благодаря адгезии, но для того, чтобы жидкость могла подняться по трубке как одно целое, не разорвавшись, кроме адгезии также нужна когезия. Чем уже капилляр, тем выше может подняться жидкость, так как в более широкой трубке поверхностного натяжения может быть недостаточно для того, чтобы поднять большое количество воды вверх.

Примерами этого явления в капиллярах являются бумажные полотенца, которые впитывают пролитую жидкость, спортивная одежду из ткани, которая впитывает пот, и корни, которые впитывают воду из земли и передвигают ее по стволу, к веткам и листьям. Стоит заметить, что такое движение жидкости может быть вызвано не только поверхностным натяжением, но и осмосом. Интересное явление в индуистских храмах, известное как молочное чудо также объясняют работой капилляров. Молочное чудо заключалось в следующем. Посетители одного из индуистских храмов в Индии заметили, что статуи богов на территории храма «пили» молоко, которое перед ними оставляли на тарелочках верующие. Это явление было замечено в некоторых других храмах Индии, а также за пределами страны. Ученые объясняют это явление работой капилляров: камень, из которого были высечены статуи был пористым, и молоко поднималось по капиллярам внутрь статуй.

Как видно из этих примеров, без поверхностного натяжения не было бы и явлений движения жидкости по капиллярам. Жидкость может пристать к стенкам сосуда, если адгезия между жидкостью и материалом сосуда высока, но без поверхностного натяжения она не может поползти вверх, так как она не может двигаться как одно целое.

Предметы, плавающие на поверхности жидкости

Предметы, которые не намокают в жидкости и имеют плотность выше плотности воды, могут держаться на поверхности воды за счет равновесия между силами, благодаря которым возникает поверхностное натяжение и силам, которые тянут тело вниз, например весом тела. Здесь мы говорим только о телах из водостойких материалов. Если вода проникает внутрь материала или пристает к оболочке, то картина значительно усложняется. Это свойство тела оставаться на поверхности легко продемонстрировать на примере скрепки или иголки, плавающей на поверхности воды. Осторожно опустим скрепку в воду, стараясь не прилагать силу, большую силы поверхностного натяжения. Чтобы уменьшить количество воды, которое пристает к поверхности скрепки и заставляет ее опуститься под воду, покроем скрепку маслом. Если мы опустили скрепку на воду достаточно аккуратно, то она останется на поверхности воды.

Форма капель, которые пристали к твердой поверхности

В описанных ранее примерах мы увидели, что капли воды стремятся достичь сферической формы, чтобы уменьшить потенциальную энергию в системе. Иногда невозможно достичь формы шара, поэтому капли принимают форму, наиболее к нему близкую. Если капля воды упала на твердую поверхность и пристала к ней, то нижняя часть капли, которая соприкасается с этой поверхностью, примет форму этой поверхности, например, становится плоской. Это происходит потому, что сила притяжения притягивает каплю к поверхности. Поверхность капли, которая соприкасается только с воздухом, будет, наоборот, приближена к форме шара. В результате, капли на плоских поверхностях, например на листе или на стекле, приобретает форму полушария.

Когда капли падают на твердую поверхность, они принимают форму, которая позволяет уменьшить площадь, и остаются в таком виде до тех пор, пока равновесие между силами не нарушается настолько, что поверхностное натяжение не может больше удерживать каплю на поверхности в этой форме. Например, капли росы остаются на ткани палатки до тех пор, пока они не соприкоснутся с другой поверхностью. Когда капли образовались снаружи, если потрогать ткань палатки изнутри и убрать руку, то поверхностное натяжение нарушится настолько, что капли проникнут через ткань палатки и вода останется на пальцах.

Интересное явление можно увидеть, если налить в бокал алкогольный напиток, например вино, особенно когда это вино с высоким содержанием алкоголя. На стенках этого бокала образуются капли воды, известные под названием «слезы вина» .

Это явление вызвано рядом факторов, включая разницу в поверхностном натяжении этилового спирта и воды. Как мы уже упоминали выше, поверхностное натяжение воды велико, по сравнению с другими жидкостями. Оно во много раз превышает поверхностное натяжение этилового спирта. В смесях воды и спирта, как, например, в вине, молекулы воды притягиваются друг к другу больше, чем к молекулам спирта. Из-за этого вода «убегает» от молекул спирта, вверх по стенкам бокала. Другими словами, вода движется от молекул этанола по направлению к молекулам воды.

В вине в бокале этанол, конечно, есть, но на поверхности стакана над уровнем вина его нет, поэтому вода движется именно вверх по стенкам бокала. При этом на стенках над уровнем вина образуются капли, похожие на слезы. Отсюда и название этого явления.

Чем больше воды собирается в капле, и чем выше она поднимается, тем сложнее ей удерживаться на стекле только благодаря поверхностному натяжению. В конце концов, капля стекает назад в стакан. Чем выше содержание спирта в вине, тем более выражен этот эффект.

Поверхностное натяжение в медицинской диагностике

Врачи используют информацию о поверхностном натяжении вещества, чтобы определить его содержание в смеси. Например, для некоторых форм желтухи характерно высокое содержание желчных солей в моче. Присутствие этих солей понижает поверхностное натяжение мочи, и поэтому их содержание можно определить, проверив, всплывает ли или тонет определенное вещество в моче, в нашем случае - порошок серы. Он не тонет в моче здорового пациента, но если в ней есть примесь желчных солей, то поверхностное натяжение недостаточно, и порошок серы тонет. Этот тест называют тестом Хэя .

В природе

Измерение поверхностного натяжения

Есть несколько способов найти поверхностное натяжение, используя различные измерительные приборы. Ниже рассмотрим несколько широко известных измерительных систем.

В устройствах первого типа измеряется сила, приложенная к измерительному прибору в результате поверхностного натяжения. При измерении по методу отрыва кольца дю Нуи и методу дю Нуи–Падэя оценивается сила, необходимая для поднятия с поверхности жидкости кольца или иглы, соответственно. Согласно третьему закону Ньютона, сила, приложенная к кольцу или игле благодаря поверхностному натяжению, когда мы поднимаем их с поверхности жидкости, равна по величине силе, которая нужна, чтобы поднять эти предметы с поверхности воды. То есть, измеряя силу, которая нужна для поднятия эти предметов, мы также получаем величину силы, которая препятствует их подъему.

Метод Вильгельми измеряет силу, которая действует на металлическую пластину, погруженную в жидкость, поверхностное натяжение которой измеряют. Жидкость пристает к пластине, к кольцу или к игле (как в предыдущих методах измерения), и поверхностное натяжение удерживает молекулы жидкости, приставшие к поверхности, а также и остальные молекулы вместе, как единое целое. То есть, жидкость «не отпускает» пластину, кольцо или иглу. Материал, из которого изготовлена пластина, известен, также как и то, насколько сильно вода пристает к этому материалу, и это учитывают при вычислении силы.

Поверхностное натяжение можно также найти, используя вес капель воды, которые падают из вертикальной трубки или капилляра. Этот метод называется сталагмометрическим , а устройство, которым измеряют поверхностное натяжение - сталогмометром. Поверхностное натяжение жидкости легко вычислить по весу капли, так как вес и поверхностное натяжение взаимосвязаны. Если известен диаметр трубки, то вес капли можно определить по количеству капель в определенном количестве жидкости.

Метод определения по форме висящей капли похож на предыдущий тем, что в нем также используют каплю для определения силы поверхностного натяжения. В этом случае измеряют насколько капля может удлиниться перед тем, как она отделится от остальной жидкости и упадет вниз.

Существуют также измерительные приборы, которые раскручивают жидкость и газ (для систем жидкость-газ) до тех пор, пока система не достигнет равновесия, и форма вещества не станет постоянной. При этом определяют поверхностное натяжение по форме вещества с меньшей плотностью. Этот метод измерения поверхностного натяжения называютметодом вращающейся капли .

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Силы притяжения между молекулами на поверхности жидкости удерживают их от движения за ее пределы.

Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения — на самом деле, именно благодаря этому жидкость моментально не улетучивается. На молекулы внутри жидкости силы притяжения других молекул действуют со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи, и результирующая сила притяжения направлена внутрь жидкости. В итоге вся поверхность воды стремится стянуться под воздействием этих сил. По совокупности этот эффект приводит к формированию так называемой силы поверхностного натяжения, которая действует вдоль поверхности жидкости и приводит к образованию на ней подобия невидимой, тонкой и упругой пленки.

Одним из следствий эффекта поверхностного натяжения является то, что для увеличения площади поверхности жидкости — ее растяжения — нужно проделать механическую работу по преодолению сил поверхностного натяжения. Следовательно, если жидкость оставить в покое, она стремится принять форму, при которой площадь ее поверхности окажется минимальной. Такой формой, естественно, является сфера — вот почему дождевые капли в полете принимают почти сферическую форму (я говорю «почти», потому что в полете капли слегка вытягиваются из-за сопротивления воздуха). По этой же причине капли воды на кузове покрытого свежим воском автомобиля собираются в бусинки.

Силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.

Можно привести много примеров сил поверхностного натяжения в действии из нашей будничной жизни. Под воздействием ветра на поверхности океанов, морей и озер образуется рябь, и эта рябь представляет собой волны, в которых действующая вверх сила внутреннего давления воды уравновешивается действующей вниз силой поверхностного натяжения. Две эти силы чередуются, и на воде образуется рябь, подобно тому как за счет попеременного растяжения и сжатия образуется волна в струне музыкального инструмента.

Будет жидкость собираться в «бусинки» или ровным слоем растекаться по твердой поверхности, зависит от соотношения сил межмолекулярного взаимодействия в жидкости, вызывающих поверхностное натяжение, и сил притяжения между молекулами жидкости и твердой поверхностью. В жидкой воде, например, силы поверхностного натяжения обусловлены водородными связями между молекулами (см. Химические связи). Поверхность стекла водой смачивается, поскольку в стекле содержится достаточно много атомов кислорода, и вода легко образует гидрогенные связи не только с другими молекулами воды, но и с атомами кислорода. Если же смазать поверхность стекла жиром, водородные связи с поверхностью образовываться не будут, и вода соберется в капельки под воздействием внутренних водородных связей, обусловливающих поверхностное натяжение.

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели — сурфактанты , — не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие моющие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин после высыхания (см.