Поверхностное натяжение, формулы и примеры

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

Поверхностное натяжение, стремление в-ва (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию).

Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади пов-сти раздела фаз (размерность Дж/м2). Согласно др.

определению, поверхностное натяжение-сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего пов-сть раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к пов-сти и препятствует ее самопроизвольному увеличению.

Поверхностное натяжение-осн. термодинамич. характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или др. жидкостью. Поверхностное натяжение разл. жидкостей на границе с собств.

жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критич. т-ры хорошо выполняется линейная зависимость:

где s и s0-поверхностное натяжение при т-рах T и T0 соотв., a0,1 мН/(м·К)-температурный коэффициент поверхностного натяжения. Осн. способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Поверхностное натяжение входит во мн. ур-ния физики, физ. и коллоидной химии, электрохимии. Оно определяет след. величины: 1) капиллярное давление , где r1 и r2 -главные радиусы кривизны пов-сти, и давление насыщ. пара рr над искривленной пов-стью жидкости: , где r-радиус кривизны пов-сти, R -газовая постоянная, Vn-молярный объем жидкости, p0- давление над плоской пов-стью (законы Лапласа и Кельвина, см. Капиллярные явления).

2) Краевой угол смачивания в контакте жидкости с пов-стью твердого тела: cos , где -уд. своб. поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и жидкостью, -поверхностное натяжение жидкости (закон Юнга, см. Смачивание).

3) Адсорбцию ПАВ где m-хим. потенциал адсорбируемого в-ва (ур-ние Гиббса, см. Адсорбция). Для разб. р-ров где с-молярная концентрация ПАВ.

4) Состояние адсорбц. слоя ПАВ на пов-сти жидкости: (ps + a/A2)·(A — b)= kT, где ps = (s0 — s) — двухмерное давление, s0 и

Источник: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3421.html

Что такое поверхностное натяжение?

Проще говоря, поверхностное натяжение — это тенденция молекул жидкости больше притягиваться друг к другу на поверхности жидкости, чем к воздуху над ней. Это притяжение молекул друг к другу известно как межмолекулярная сила. В любом жидком веществе молекулы находятся в постоянном случайном движении и постоянно перестраиваются. Посреди жидкости все молекулы притягиваются другими молекулами во всех направлениях. Однако на поверхности, где над жидкостью находится только воздух, молекулы притягиваются только сбоку и вниз молекулами, расположенными рядом и под ними, соответственно.

Это нисходящее притяжение молекул поверхностного уровня заставляет их плотнее притягиваться друг к другу, сжимаясь в более устойчивое, выровненное расположение.

Этот более плотный ряд поверхностных молекул образует нечто вроде упругой мембраны на поверхности жидкости.

Молекулы расположены более плотно и плавно выстроены рядом друг с другом, в отличие от более хаотических молекулярных схем ниже.

Прочность этой «эластичной мембраны» зависит от типа жидкости.

Вода, например, имеет очень высокое поверхностное натяжение, потому что кислород и водород — два химических компонента воды (H2O) — имеют частичные отрицательные и положительные заряды, соответственно, и, таким образом, притягиваются ко всем другим молекулам воды, окружающим их. Водородные связи, как известно, прочны, поэтому вода имеет тенденцию удерживаться на поверхности даже лучше, чем другие жидкости, образуя щит, который может быть на удивление трудно сломать.

Почему поверхностное натяжение так важно?

Хотя это свойство жидкостей, безусловно, интересно, оно, похоже, не играет большой роли в нашей повседневной жизни, но именно здесь вы ошибаетесь.

Помимо просмотра крутых видеороликов о идеально круглых каплях воды, падающих в замедленном режиме (еще один пример поверхностного натяжения) или водомерки, которые двигаются со скоростью 2 метра в секунду, скользя по поверхности озера, почему поверхностное натяжение имеет значение?

В некоторых отраслях поверхностное натяжение является более простым показателем загрязнения продуктов. 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.

Если известно поверхностное натяжение совершенно чистого состава, любое отклонение от этого выявит некоторый уровень загрязнения. Это может показаться абстрактным приложением поверхностного натяжения, но оно показывает, как даже самые простые вещи могут оказать наибольшее влияние в науке.

Интересно, что влияние примесей на поверхностное натяжение было впервые обнаружено Агнес Поккельс — женщиной, увлеченной физикой, но лишенной доступа к образованию.

Как упоминалось ранее, поверхностное натяжение важно для водомерок, одного из немногих существ, которые могут перемещаться по поверхности воды, не падая внутрь.

Это явление происходит потому, что ноги водомерки «не смачиваются», то есть ноги водомерки отталкивают воду и захватывать воздух, позволяя им существенно вдавливать поверхность воды, не нарушая ее.

Волосы также увеличивают площадь поверхности водяных струй, что означает, что на поверхность воды воздействует меньшее усилие. Это ошеломляющее сочетание тонкой силы и идеальной адаптации.

Однако, что наиболее важно, и то, что мало кто осознает, поверхностное натяжение позволяет вещам плавать, от листьев и семян до молекул и белков.

Когда вы опускаетесь до микроскопического масштаба, поверхность любого водоема очень жива и поддерживается поверхностным натяжением молекул воды.

Наши экосистемы не смогут выжить или даже развиваться без воздействия поверхностного натяжения, а сам состав воды будет менее стабильным, постоянно поступая и выходя из газообразного состояния.

Поверхностное натяжение — это одна из тех деталей научного мира, которые, возможно, трудно осмыслить или оценить в вашей повседневной жизни, но на самом деле она лежит в основе всей жизни, как мы ее знаем.

Поверхностное натяжение позволяет экосистемам процветать, оно позволяет семенам и молекулам плавать, и управляет большей частью жизни, хотя большинство людей не замечают этого. Это также дает интригующее напоминание о том, насколько сложна и замечательна каждая капля воды.

В следующий раз, когда вы выдуете мыльный пузырь или капните воду с кончика листа, помните, что единственное, что делает эти маленькие чудеса возможными, это поверхностное натяжение!

Источник: https://new-science.ru/chto-takoe-poverhnostnoe-natyazhenie/

Поверхностное натяжение, формулы и примеры

Опишем механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Рассмотрим две молекулы A и B.

Молекула A находится внутри жидкости, молекула B – на ее поверхности (рис. 1). Молекула A окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу A со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, или, другими словами, их равнодействующая равна нулю.

Молекула B с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны – молекулами газа, концентрация которых значительно ниже, чем концентрация молекул жидкости.

Так как со стороны жидкости на молекулу B действует гораздо больше молекул, чем со стороны газа, равнодействующая всех межмолекулярных сил уже не будет равна нулю и будет направлена внутрь объема жидкости.

Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил. А это означает, что молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией, которая называется поверхностной энергией.

• Очевидно, чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше таких молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, а значит тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:
• где поверхностная энергия жидкости, площадь свободной поверхности жидкости и коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения

Единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ является .

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит: 1) от природы жидкости (у «летучих жидкостей таких, как эфир, спирт, бензин, коэффициент поверхностного натяжения меньше, чем у «нелетучих – воды, ртути); 2) от температуры жидкости (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение); 3) от свойств газа, который граничит с данной жидкостью; 4) от наличия поверхностно-активных веществ таких, как мыло или стиральный порошок, которые уменьшают поверхностное натяжение. Также следует отметить, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости.

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Вследствие поверхностного натяжения жидкость всегда принимает форму с минимальной поверхностью.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как, например, капля воды, мыльный пузырь. Также будет вести себя вода в невесомости.

Поэтому коэффициент поверхностного натяжения можно также определить как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего свободную поверхность жидкости:

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т.е.

от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяженияне зависятот площади поверхности жидкости. Если положить швейную иглу на поверхность воды, поверхность прогнется и не даст ей утонуть.

Действием сил поверхностного натяжения можно объяснить скольжение легких насекомых таких, например, как водомерки, по поверхности водоемов (рис.2). Лапка водомерки деформирует водную поверхность, увеличивая тем самым ее площадь.

Вследствие этого возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, компенсируя при этом силу тяжести.

На действии сил поверхностного натяжения основан принцип действия пипетки (рис.3). Капелька, на которую действует сила тяжести, вытягивается вниз, тем самым увеличивая площадь своей поверхности.

Естественно, возникают силы поверхностного натяжения, равнодействующая которых противоположна направлению силы тяжести, и которые не дают капельке растягиваться.

При нажатии на резиновый колпачок пипетки, создается дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, в результате чего капля падает вниз.

Примеры решения задач

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/molekulyarnaya-fizika-i-termodinamika/poverxnostnoe-natyazhenie/

Капиллярные явления

• Участник:Николаев Владимир Сергеевич
• Руководитель:Сулейманова Альфия Сайфулловна

Цель исследовательской работы: обосновать с точки зрения физики причину движения жидкости по капиллярам,выявить особенности капиллярных явлений.

В наш век высоких технологий все большее значение в жизни людей имеют естественные науки. Люди 21 века производят супер производительные компьютеры,смартфоны,все глубже и глубже изучают окружающий нас мир. Я думаю, что люди готовятся к новой научно технической революции, которая изменит наше будущее коренным образом.

Но когда произойдут эти изменения никто не знает. Каждый человек своим трудом может приблизить этот день.

Эта научно-исследовательская работа – мой маленький вклад в развитие физики.

Данная научно-исследовательская работа посвящена актуальной на данный момент теме «Капиллярные явления».

Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. В данном проекте показана важность капилляров в жизни живых и неживых организмов.

• Цель исследовательской работы: обосновать с точки зрения физики причину движения жидкости по капиллярам, выявить особенности капиллярных явлений.
• Объект исследования: свойство жидкостей, всасываясь, подниматься или опускаться по капиллярам.
• Предмет исследования: капиллярные явления в живой и неживой природе.
• Задачи:

1. Изучить теоретический материал о свойствах жидкости.
2. Ознакомиться с материалом о капиллярных явлениях.
3. Провести серию экспериментов с целью выяснения причины поднятия жидкости в капиллярах.
4. Обобщить изученный в ходе работы материал и сформулировать вывод.

Прежде чем перейти к изучению капиллярных явлений, надо ознакомиться со свойствами жидкости, которые играют немалую роль в капиллярных явлениях.

Поверхностное натяжение

Сам термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности.

Так, молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул; молекулы же поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. Например, на поверхности раздела жидкость – воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха. Это и является причиной различия свойств поверхностного слоя жидкости от свойств её внутренних объёмов.

Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением σ.

Поверхностное натяжение различных жидкостей неодинаково, оно зависит от их мольного объёма, полярности молекул, способности молекул к образованию водородной связи между собой и др.

При увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается по линейному закону. На поверхностное натяжение жидкости оказывают влияние и находящиеся в ней примеси.

Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ). По отношению к воде ПАВ являются нефтепродукты, спирты, эфир, мыло и др. жидкие и твёрдые вещества.

Некоторые вещества увеличивают поверхностное натяжение. Примеси солей и сахара, например.

Таким образом, поверхностное натяжение – основное понятие физики и химии поверхностных явлений – представляет собой одну из наиболее важных характеристик и в практическом отношении. Следует отметить, что всякое серьёзное научное исследование в области физики гетерогенных систем требует измерения поверхностного натяжения.

История экспериментальных методов определения поверхностного натяжения, насчитывающая более двух столетий, прошла путь от простых и грубых способов до прецизионных методик, позволяющих находить поверхностное натяжение с точностью до сотых долей процента.

Интерес к этой проблеме особенно возрос в последние десятилетия в связи с выходом человека в космос, развитием промышленного строения, где капиллярные силы в различных устройствах часто играют определяющую роль.

Один из таких методов определения поверхностного натяжения основан на поднятии смачивающей жидкости между двумя стеклянными пластинками. Их следует опустить в сосуд с водой и постепенно сближать параллельно друг другу.

Вода начнёт подниматься между пластинками – её будет втягивать сила поверхностного натяжения, о которой сказано выше.

Легко рассчитать коэффициент поверхностного натяжения σ можно по высоте подъёма воды у и зазору между пластинками d.

Сила поверхностного натяжения F = 2σL, где L – длина пластинки (двойка появилась из-за того, что вода соприкасается с обеими пластинками). Эта сила удерживает слой воды массы m = ρLdу, где ρ – плотность воды.

Таким образом, 2σL = ρLdуg. Отсюда можно найти коэффициент поверхностного натяжения σ = 1/2(ρgdу). (1)Но интереснее сделать так: с одного конца сжать пластинки вместе, а с другого оставить небольшой зазор.

Вода поднимется и образует между пластинками удивительно правильную поверхность. Сечение этой поверхности вертикальной плоскостью – гипербола. Для доказательства достаточно в формулу (1) вместо d подставить новое выражение для зазора в данном месте. Из подобия соответствующих треугольников (см.

рис. 2) d = D (x/L). Здесь D – зазор на конце, L – по-прежнему длина пластинки, а x – расстояние от места соприкосновения пластинок до места, где определяется зазор и высота уровня. Таким образом, σ = 1/2(ρgу)D(x/L), или у = 2σL/ρgD(1/х). (2)Уравнение (2) действительно является уравнением гиперболы.

Смачивание и несмачивание

Для детального изучения капиллярных явлений следует рассмотреть и некоторые молекулярные явления, обнаруживающиеся на трёхфазной границе сосуществования твёрдой, жидкой, газообразной фаз, в частности рассматривается соприкосновение жидкости с твёрдым телом.

Если силы сцепления между молекулами жидкости больше, чем между молекулами твёрдого тела, то жидкость стремится уменьшить границу (площадь) своего соприкосновения с твёрдым телом, по возможности отступая от него. Капля такой жидкости на горизонтальной поверхности твёрдого тела примет форму сплюснутого шара. В этом случае жидкость называется несмачивающей твёрдое тело.

Угол θ, образованный поверхностью твёрдого тела и касательной к поверхности жидкости, называется краевым.  Для несмачивающей θ > 90°. В этом случае твёрдая поверхность, несмачиваемая жидкостью называется гидрофобной, или олоефильной.

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/kapillyarnye-yavleniya-7419/

Поверхностное натяжение воды — примеры и точное определение

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

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 … …

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

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.

• При температуре 0°C  — 75,64 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре  10°C — 74,22 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре  20°C — 72,25 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре  30°C — 71,18 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 40°C — 69,56 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 50°C — 67,91 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре  60°C — 66,18 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 70°C — 64,42 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 80°C — 62,61 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 90°C — 60,75 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 100°C — 58,85 σ, 10–3 Ньютон / Метр.

Поверхностное натяжение воды

ДАТА СОЗДАНИЯ ПУБЛИКАЦИИ: Мар 13, 2016 18:49 21.07.2015

Источник: https://vodamama.com/surface-tension-water.html

II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Текст работы размещён без изображений и формул. Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

 Введение

В окружающем нас мире наряду с тяготением, упругостью и трением действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем внимание. Эта сила действует вдоль касательной к поверхностям всех жидкостей.

Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, стремится сократить её до минимума, называют силой поверхностного натяжения. Она сравнительно мала, ее действие никогда не вызывает мощных эффектов.

Тем не менее, мы не можем налить воду в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы поверхностного натяжения. К эффектам, называемым поверхностным натяжением, мы настолько привыкли, что не замечаем их.

Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. В природе и в нашей жизни они играют немаловажную роль. Без них мы не могли бы писать гелиевыми ручками, картриджив принтерах сразу же ставили бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки – пена не образовалась бы.

Слабый дождик промочил бы нас насквозь, а радугу нельзя было бы видеть ни при какой погоде. Поверхностное натяжение собирает воду в капли и благодаря поверхностному натяжению можно выдуть мыльный пузырь. Используя правило «Вовремя удивляться» бельгийского профессора Плато для исследователей, рассмотрим в работе необычные опыты.

Цель работы: экспериментально проверить проявления поверхностного натяжения жидкости, определить коэффициент поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва капель

Задачи:

• Изучить учебную, научно-популярную литературу, использовать материалы в сети «Интернет» по теме «Поверхностное натяжение»;
• проделать опыты, доказывающие, что собственная форма жидкости – шар;
• провести эксперименты с уменьшением и увеличением поверхностного натяжения;
• сконструировать и собрать экспериментальную установку, с помощью которой определить коэффициент поверхностного натяжения некоторых жидкостей методом отрыва капель.
• обработать полученные данные и сделать вывод.

• Объект исследования: жидкости.
• Основная часть. Поверхностное натяжение
• М

Рис 1. Г. Галилей

ногочисленные наблюдения и опыты показывают, что жидкость может принимать такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшую площадь. В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не притяжение к Земле. Чем меньше капля, тем большую роль играют силы поверхностного натяжения. Поэтому маленькие капельки росы на листьях деревьев, на траве близки по форме к шару, при свободном падении дождевые капли почти строго шарообразны. Стремление жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать на многих явлениях, которые кажутся удивительными. Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не совсем точным. Собственная форма жидкости – шар, как наиболее ёмкая форма. Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. 1

Рис 2. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед

А как можно объяснить самопроизвольное сокращение поверхности жидкости? Молекулы на поверхности и в глубине жидкости находятся в разных условиях. На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения со стороны соседних молекул, окружающих ее со всех сторон. Результирующая этих сил равна нулю.

Над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше плотности жидкости, и взаимодействием молекул пара с молекулами жидкости можно пренебречь. Молекулы, которые находятся на поверхности жидкости, притягиваются только молекулами, находящимися внутри жидкости.

При определенных расстояниях между молекулами, втягиваемыми внутрь, и молекулами, находящимися под поверхностью, силы взаимодействия становятся равными нулю, процесс сокращения поверхности прекращается. На поверхности остается такое число молекул, при котором ее площадь оказывается минимальной для данного объема жидкости.

Так как жидкость текуча, она принимает такую форму, при которой число молекул на поверхности минимально, а минимальную поверхность при данном объеме имеет шар, то есть капля жидкости принимает форму, близкую шаровой.Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли.

Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, — и капля отрывается. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превышает его прочность. В действительности, конечно, ничего кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведёт себя, как растянутая эластичная пленка. Такое же впечатление производит пленка мыльного пузыря.

1. Опыт №1
2. С
3. Рис . 3
4. Фото 1
5. Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызываемое притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости5
6. Опыт Плато (1849г.)
7. П

тремление жидкости к минимуму потенциальной энергии можно наблюдать с помощью мыльных пузырей. Мыльная пленка представляет собой двойной поверхностный слой. Если выдуть мыльный пузырь, а потом прекратить надувание, то он станет уменьшаться в объёме, выжимая из себя струю воздуха.

Рис. 4. Ж.Плато

оводом, побудившим бельгийского профессора к опытам, был случай. Нечаянно он налил в смесь спирта и воды небольшое количество масла, и оно приняло форму шара. Размышляя над этим фактом, Плато наметил ряд опытов, которые впоследствии блестяще были выполненными его друзьями и учениками. В своем дневнике он написал для исследователей правило: «Вовремя удивляться». Я решила исследовать опыт Плато, но в другом варианте: использовать в опыте подсолнечное масло и подкрашенную марганцовую воду.

• Опыт, доказывающий, что однородная жидкость принимает форму с минимальной свободной поверхностью
• Вариант опыта Плато №2
• 1) В мензурку налили подсолнечное масло.
• 2) Глазной пипеткой капнули в подсолнечное масло каплю подкрашенной марганцовой воды диаметром приблизительно 5мм.
• 3
• Фото 2
• 5) Наблюдали, как капля принимает правильную форму шара (Фото 2).

) Наблюдали шарики воды разного размера, медленно падающие на дно и принимающие овальную приплюснутую форму (Фото 2).

Вывод: Жидкость, притягивая молекулы поверхностного слоя, сжимает саму себя. Овальная приплюснутая форма объясняется тем, что вес капли, которая не смешивается с маслом, больше выталкивающей силы. Правильная форма шара объясняется тем, что капля плавает внутри масла: вес капли уравновешивается выталкивающей силой.

При свободном падении, в состоянии невесомости капли дождя практически имеют форму шара. В космическом корабле шарообразную форму принимает и достаточно большая масса жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

В отсутствии внешней силы вдоль поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения, которая сокращает до минимума площадь поверхности пленки. Сила поверхностного натяжения – сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения.

F = Ơ ℓ

Ơ = F / ℓ

Ơ — коэффициент поверхностного натяжения – это отношение модуля F силы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя ℓ, к этой длине есть величина постоянная, не зависящая от длины ℓ. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы граничащих сред и от температуры. Его выражают в ньютонах на метр (Н / м).

1. Опыты с уменьшением и увеличением
2. п
3. Фото 3

оверхностного натяжения

Опыт №3

1. В широкий стеклянный сосуд налили воду.

2. На поверхность бросили кусочки пенопласта.

3. Прикоснулись к центру поверхности воды кусочком мыла.

4. Кусочки пенопласта начинают двигаться от центра к краям сосуда (Фото 3).

5. Капали в центр сосуда бензином, спиртом, моющим средством «Fairy».

Вывод: Поверхностное натяжение данных веществ меньше, чем у воды.

Эти вещества используются для удаления грязи, жирных пятен, сажи, т.е. не растворимых в воде веществ.Из-за достаточно высокого поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает очень хорошим чистящим действием.

Например, вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу больше, чем к частицам нерастворимой грязи.Мыло и синтетические моющие средства (СМС) содержат вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды. Первое мыло, самое простое моющее средство, было получено на Ближнем Востоке более 5000 лет назад.

Поначалу оно использовалось, главным образом, для стирки и обработки язв и ран. И только в 1 веке н.э. человек стал мыться с мылом.

• В начале 1-го века мыло появилось на свет.
• От грязи спасло человека и стал он чистым с юных лет.
• Я говорю вам про мыло, что вскоре породило: шампунь, гель, порошок.
• Стал чистым мир, как хорошо!

Рис 5. Ф. Гюнтер

Моющими средствами называются натуральные и синтетические вещества с очищающим действием, в особенности мыло и стиральные порошки, применяемые в быту, промышленности и сфере обслуживания. Мыло получают в результате химического взаимодействия жира и щелочи. Скорее всего, оно было открыто по чистой случайности, когда над костром жарили мясо, и жир стекал на золу, обладающую щелочными свойствами. Производство мыла имеет давнюю историю, а вот первое синтетическое моющее средство (СМС) появилось в 1916г., его изобрел немецкий химик Фриц Гюнтер для промышленных целей. Бытовые СМС, более или менее безвредные для рук, стали выпускаться 1933г. С тех пор разработан целый ряд синтетических моющих средств (СМС) узкого назначения, а их производство стало важной отраслью химической промышленности.

Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточным чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу, вместо того чтобы захватывать частицы грязи, другими словами они не смачивают грязь.

Мыло и синтетические моющие средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения. Эти вещества называются поверхностно-активными (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости.

Рис. 6

Сейчас производство СМС стало важной отраслью химической промышленности. Эти вещества называют поверхностно-активным веществом (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости. Молекулы ПАВ можно представить в виде головастиков. Головами они «цепляются» за воду, а «хвостами» за жир. Когда ПАВ смешивают с водой, их молекулы на поверхности обращены «головами» вниз, а «хвостами» наружу. Раздробив таким образом поверхность воды, эти молекулы значительно уменьшают эффект поверхностного натяжения, тем самым помогая воде проникнуть в ткань. Этими же «хвостиками» молекулы ПАВ (Рис 6) захватывают попадающиеся им молекулы жира.2

1. Опыт №4
2. Фото 4
3. Фото 6
4. 1.Налили в блюдце молоко так, чтобы оно закрыло дно (Фото 4)
5. 2. Капнули на поверхность молока 2 капля зеленки

3. Наблюдали, как зеленка «увлекается» от центра к краям. Две капли зеленки покрывают большую часть поверхности молока! (Фото 5)

Вывод: поверхностное натяжение зеленки, намного меньше, чем молока.

4. На поверхность зеленки капнули жидкость для мытья посуды «Fairy», мы увидели, как эта жидкость растеклась по всей поверхности.(Фото 6)

• Вывод: поверхностное натяжение моющего средства меньше, чем зеленки.
• Фото 5
• Опыт№5

1. В широкий стеклянный сосуд налили воду.

2. На поверхность бросили кусочки пенопласта.

3. Прикоснулись к центру поверхности воды кусочком сахара.

4. К

   Фото 7

   усочки пенопласта начинают двигаться от краев сосуда к центру (Фото 7).

1. Вывод: поверхностное натяжение водного раствора сахара больше, чем чистой воды.
2. Опыт№6
3. Удаление с поверхности ткани жирового пятна

Смочили бензином ватку и этой ваткой смочили края пятна (а не само пятно). Бензин уменьшает поверхностное натяжение, поэтому жир собирается к центру пятна и оттуда его можно удалить, этой же ваткой если же смачивать, само пятно, то оно может увеличиться в размерах вследствие уменьшения поверхностного натяжения.

Для экспериментального определения значения поверхностного натяжения жидкости можно использовать процесс образования и отрыва капель, вытекающих из капельницы.

Краткая теория методаотрыва капель

Малый объем жидкости сам по себе принимает форму, близкую к шару, так как благодаря малой массе жидкости мала и сила тяжести, действующая на нее. Этим объясняется шарообразная форма небольших капель жидкости. На рис.1 приведены фотографии, на которых показаны различные стадии процесса образования и отрыва капли.

Фотография получена с помощью скоростной киносъемки, капля растет медленно, можно считать, что в каждый момент времени она находится в равновесии. Поверхностное натяжение вызывает сокращение поверхности капли, оно стремится придать капле сферическую форму. Сила тяжести располагает центр тяжести капли как можно ниже.

В результате капля оказывается вытянутой (рис.7а).

Рис. 7. а б в г

Процесс образования и отрыва капель

Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Основная масса по мере роста капли собирается внизу и у капли образуется шейка (рис.7б).

Сила поверхностного натяжения направлена вертикально по касательной к шейке и она уравновешивает силу тяжести, действующую на каплю. Теперь достаточно капле совсем немного увеличиться и силы поверхностного натяжения уже не уравновешивают силу тяжести.

Шейка капли быстро сужается (рис.7в) и в результате капля отрывается (рис.7г).

Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения некоторых жидкостей основывается на взвешивании капель.

При медленном вытекании смачивающей жидкости из вертикальной цилиндрической трубки образующаяся капля имеет форму, показанную на рисунке 8. Радиус r шейки капли связан с наружным радиусом трубки R соотношением r = kR (1)

• где k – коэффициент, зависящий от размеров трубки и скорости вытекания.
• В
• R
• m
• r
• Рис. 8
• Подставляя величину радиуса шейки r из равенства (1) и решая его, получим
• Ơ =mg/2πkR (3)
• Для определения массы капли, некоторое число n капель взвешивают в стакане известного веса. Если масса стаканчика без капель и с каплями будет соответственно М0 и М, то масса одной капли
• m = (M-M0)/n
• Подставляя последнее выражение в формулу (3) и вводя вместо радиуса трубки ее диаметр d, получим расчетную формулу
• ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)
• Исследовательская работа «Определение коэффициента поверхностного натяжения некоторых жидкостей методом отрыва капель»

Источник: https://school-science.ru/2/11/31180

Поверхностное натяжение

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.

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.

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. Подобное растворяется в подобном).

Источник: https://elementy.ru/trefil/21213/Poverkhnostnoe_natyazhenie

Поверхностное натяжение жидкости, воды и водных растворов (Таблица)

Поверхностное натяжение обуславливается направлением внутрь притяжением молекул жидкости, находящихся в поверхностном слое. Это притяжение вызывает искривление свободной поверхности жидкости и создает некоторую разность давлений:

∆p = δ (1/R1 + 1/R2) $

Здесь ∆p обозначает разность давлений, а R1 и R2 – главные радиусы кривизны поверхности жидкости.

Величина δ обозначает коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость – газ, δ обычно измеряется в дин/см (эквивалентно свободной поверхности энергии в эрг/см2).

При соприкосновении двух (взаимно не растворяющихся) жидкостей говорят о поверхностном натяжении на границе двух жидкостей; при соприкосновении жидкости и твердого тела говорят о явлениях смачивания и не смачивания (капиллярных явлениях).

Зависимость от температуры. Натяжение уменьшается при возрастании температуры жидкости и при ее критической температуре становится равным нулю. Для многих жидкостей применима формула:

-d/dt [δ (M/p)2/3 = 2,12

( M – молекулярный вес, р – плотность, t – температура).

Таблица поверхностное натяжение воды на границе с воздухом

T, °C	0	10	15	20	25	30	40	50	60	70	80	100
Поверхностное натяжение δ	75,7	74,2	73,5	72,75	72,0	71,2	69,6	67,9	66,2	64,4	62,6	58,8

Таблица поверхностное натяжение различных жидкостей

(в – на границе с воздухом, п – на границе с парами этой же жидкости) 

Жидкость	На границе	Температура, 0С	δ	Жидкость	На границе	Температура 0С	δ
Неорганические вещества
Алюминий	в	700	840	Натрий йодистый	N2	861	776
Азот	п	-183	6,2	Натрий сернокислый	N2	900	195
Золото	в	1130	1102	Натрий фтористый	N2	1010	200
Кадмий	N2	320	630	Натрий хлористый	N2	908	106
Калий	CO2	64	410	Ртуть	п	20	472
Калий хлористый	N2	909	88	Ртуть	п	100	456
Кислород	в	-183	13,1	Свинец	CO2	350	453
Натрий	CO2	90	290	Свинец хлористый	в	490	138
Органические вещества
Анилин	п	20	42,9	Спирт н-пропиловый	п	20	23,8
Ацетон	п	20	23,7	Спирт этиловый	в	0	24,1
Ацетон	п	50	20,0	Спирт этиловый	п	10	23,6
Бензол	в	10	30,22	Спирт этиловый	п	20	22,8
Бензол	в	20	28,88	Спирт этиловый	п	30	21,9
Бромоформ	п	20	41,5	Толуол	п	20	28,4
Н-Гексан	в	20	18,4	Углерод 4-хлористый	п	20	27,0
Глицерин	в	20	63,4	Углерод 4-хлористый	п	100	17,3
Н-Кислота масляная	в	20	26,8	Фенол	в	20	40,9
Кислота олеиновая	в	20	32,5	Хлороформ	в	20	27,14
Кислота уксусная	п	20	27,8	Этил бромистый	п	20	24,2
Н-Октан	в	20	21,8	Этилацетат	п	20	23,6
Сероуглерод	п	20	32,3	Эфир этиловый	п	20	16,96
Н-Спирт бутиловый	в	20	24,6	Эфир этиловый	п	50	13,4
Спирт метиловый	в	0	24,5
Спирт метиловый	в	20	22,6
Спирт метиловый	п	50	20,2

Таблица поверхностное натяжение водных растворов солей

Соль	δ при 200С	Соль	δ при 200С
KCI	1,4	NaNO3	1,2
NaCI	1,64	Na2SO4	2,7
Na2CO3	2,7

Таблица поверхностное натяжение на границе двух жидкостей при 20С

Жидкости	Поверхностное натяжение δ, дин/см	Жидкости	Поверхностное натяжение δ, дин/см
ВОДА И	Хлороформ	28
Бензол	35	Эфир этиловый	10
Н-Гептан	51	РТУТЬ И
Кислота гептоловая	7	Ацетон	390
Масло парафиновое	48	Бензол	357
Масло прованское	20	Н-Гептан	379
Н-Октан	51	Кислота олеиновая	322
Углерод	45	Хлороформ	357

Источник: https://infotables.ru/fizika/307-poverkhnostnoe-natyazhenie-zhidkosti-vody-i-vodnykh-rastvorov-tablitsa