Природа сил поверхностного натяжения кратко

Обновлено: 05.07.2024

Молекулы жидкости в объёме и на её свободной поверхности находятся в неэквивалентных условиях (см. рис 3.1).

Каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех соседних молекул, находящихся в пределах сферы молекулярного действия радиусом r₀, центр которой совпадает с данной молекулой. Равнодействующая всех сил для молекул в объеме жидкости (при r >2r₀) в среднем равна нулю. В приповерхностной области (при r

Обратное соотношение позволяет рассчитывать силу поверхностного натяжения

Необходимо помнить, что это соотношение справедливо для прямолинейного участка границы пленки. Для. криволинейных границ пленки силы ΔF нужно суммировать или в пределе при производить криволинейное интегрирование.

Другое важное следствие действия поверхностного натяжения состоит в том, что под искривлённой поверхностью жидкости создаётся избыточное давление . Согласно формуле Лапласа его величина

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны пленки жидкости в данной точке. Они определяются сечениями поверхности взаимно перпендикулярными плоскостями (см. рис. 3.2) и могут быть как положительными, так отрицательными. Например, для капли жидкости R₁=R₂=R – радиусу капли и .

Значения коэффициента поверхностного натяжения для некоторыхжидкостей приведены в, таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Коэффициенты поверхностного натяжения

№ п/п	Жидкость (20ºС)	Коэффициент
1	Бензин	21
2	Бензол	41,5
3	Вода	72,75
4	Мыльный раствор	40
5	Нефть	30
6	Спирт этиловый	22,0
7	Ртуть	513
8	Фреон-12	9,0

Молекулы жидкости в объёме и на её свободной поверхности находятся в неэквивалентных условиях (см. рис 3.1).

Почему мыльные пузыри круглые, а водомерки не тонут? Все это следствия одного и того же физического явления, без которого вода не была бы водой.

О чем эта статья:

Понятие и характеристики поверхностного натяжения

С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:

капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной (а в невесомости они совсем шарообразные);
струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме;
булавка не тонет на поверхности воды в стакане;
многие насекомые могут скользить по поверхности воды.

Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.

Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости примерно равна их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.

На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.

Поверхностное натяжение — это величина, которая показывает стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

Поверхностная энергия жидкости

W = σS

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

σ = W/S

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:

от природы жидкости;
температуры жидкости;
свойств газа, который граничит с данной жидкостью;
наличия поверхностно-активных веществ (например, мыло или стиральный порошок), которые уменьшают поверхностное натяжение.

Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения

F = σl

F — сила поверхностного натяжения [Н]

l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие 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 пятен после высыхания.

Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом

Поверхностное натяжение, 10 −3 Н/м

Хлорид натрия (водный раствор)

Азотная кислота 70%

Серная кислота 85%

Пример решения задачи

Тонкое алюминиевое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г. Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора при комнатной температуре равен 4 × 10 -2 Н/м.

Решение

На кольцо действуют сила тяжести, сила поверхностного натяжения и внешняя сила, с которой отрывают кольцо от раствора.

Так как кольцо соприкасается с раствором и внешней и внутренней сторонами, то сила поверхностного натяжения удваивается:

Контур, ограничивающий поверхность жидкости, имеет форму окружности. Значит, его длина будет равна:

Подставляем в формулу силы поверхностного натяжения:

Условие отрыва кольца от поверхности раствора имеет вид второго закона Ньютона для инерциальных систем отсчета:

Подставляем силу поверхностного натяжения:

F = 0,007 × 10 + 4 × 4 × 10 -2 × 3,14 × 7,8 × 10 -2 = 0,11 Н

Ответ: Для того, чтобы оторвать кольцо от раствора, необходимо приложить силу в 0,11 Н.

Важность поверхностного натяжения

Выше мы уже показали, что поверхностное натяжение встречается в повседневной жизни достаточно часто. Но на самом деле оно встречается еще чаще!

В некоторых отраслях промышленности поверхностное натяжение используют как простой показатель загрязнения продуктов. Поскольку оно определяется на молекулярном уровне, любое изменение компонентов вещества может привести к изменению этого показателя. То есть если мы знаем, каким должно быть поверхностное натяжение совершенно чистого вещества, то по отклонению от этой нормы мы можем установить уровень его загрязнения.

Не только человек, но и представители живой природы используют физические явления в своих целях. Например, за счет поверхностного натяжения насекомые водомерки могут перемещаться по водной глади, не промочив лапки. Конечности водомерки отталкивают воду и захватывают воздух, что позволяет насекомым продавливать поверхность воды, не нарушая ее.

За счет поверхностного натяжения возникает такое любопытное явление, как ламинарное течение. Это упорядоченный режим течения вязкой жидкости или газа, при котором соседние слои жидкости не перемешиваются. Выглядит ламинарная струя так, как будто вода застыла.

И это еще не все: поверхностное натяжение позволяет предметам плавать, благодаря ему выживают и развиваются экосистемы, и даже состав воды стабилен только за счет этого явления. Без него вода бы постоянно находилась на границе двух агрегатных состояний: испарялась и вновь конденсировалась, так как молекулы легко выскакивали бы с ее поверхности.

Одной из малозаметных сил, которая тем не менее играет немалую роль в природе, является сила поверхностного натяжения жидкостей. Познакомимся с действием сил поверхностного натяжения, выведем формулу этой силы.

Механизм образования поверхностного натяжения

В основе природы сил поверхностного натяжения лежит электростатическое притяжение молекул, находящихся на близком расстоянии в жидкости.

В самом деле, в жидкости, в отличие от газа, силы притяжения между молекулами больше, чем силы отталкивания, и энергия этого притяжения больше тепловой энергии, стремящейся распределить молекулы как можно шире. Поэтому равнодействующая сил, действующая на отдельную молекулу, будет направлена в сторону геометрического центра тела, образованного остальными молекулами.

В результате из-за отсутствия других сил молекулы жидкости всегда собираются в шарообразное тело. Равнодействующая сил, действующих на молекулы в глубине этого тела, практически равна нулю. Равнодействующая сил, действующая на молекулы на границе тела, направлена в сторону центра. Это приводит к тому, что плотность молекул внутри жидкости больше, чем плотность молекул, находящихся на границе. В результате в поверхностном слое возникают силы, стремящиеся к сокращению площади поверхности, — это и есть сила поверхностного натяжения.

Рис. 1. Силы, действующие на молекулы поверхности жидкости.

Сила поверхностного натяжения

Из-за разницы плотности, у молекул на поверхности имеется некоторый избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами в глубине. Таких молекул тем больше, чем больше площадь поверхности. А значит, общая поверхностная энергия прямо пропорциональна площади поверхности жидкости:

Значение коэффициента $\sigma$ в этой формуле зависит от свойств жидкости, он называется коэффициентом поверхностного натяжения. Его физический смысл состоит в том, что это поверхностная энергия слоя жидкости с единичной площадью. Размерность — джоуль на квадратный метр или ньютон на метр.

Для определения силы поверхностного натяжения представим себе квадратную рамку со стороной $l$, затянутую пленкой жидкости (например, мыльной).

При растягивании рамки в одном из направлений на расстояние $h$, площадь поверхности жидкости увеличится на:

Коэффициент 2 в формуле возникает потому, что пленка жидкости имеет две стороны. Из предыдущей формулы получим, что поверхностная энергия при этом возрастет на:

Вся эта энергия возникла в результате действия внешней силы, растягивающей рамку на расстояние $h$, которая в свою очередь равна сумме двух сил поверхностного натяжения (у пленки две стороны):

Приравнивая левые части двух последних формул, имеем:

Направлена эта сила по касательной к поверхности и перпендикулярно границе поверхностного слоя. В данном случае перпендикулярно подвижной стороне рамки.

В обычной жизни мы не замечаем сил поверхностного натяжения. Однако их сил хватает, чтобы удерживать на воде клопов-водомерок или отклонять пламя свечи воздухом, выходящим из надутого мыльного пузыря.

Рис. 2. Клоп-водомерка.

Что мы узнали?

Плотность молекул внутри жидкости больше, чем плотность молекул в поверхностном слое. Это приводит к тому, что равнодействующая сил притяжения и отталкивания в поверхностном слое стремится к его сокращению. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.

На этом уроке пойдет речь о жидкостях и их свойствах. С точки зрения современной физики, жидкости являются наиболее сложным предметом исследований, потому что по сравнению с газами уже нельзя говорить о пренебрежимо малой энергии взаимодействия между молекулами, а по сравнению с твердыми телами нельзя говорить об упорядоченном расположении молекул жидкости (в жидкости отсутствует дальний порядок). Это приводит к тому, что жидкости обладают рядом интереснейших свойств и их проявлений. Об одном таком свойстве и пойдет речь на этом уроке.

Читайте также: