В § 7.1 были рассмотрены опыты, свидетельствующие о стремлении поверхности жидкости к сокращению. Это сокращение вызывается силой поверхностного натяжения.

Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить ее до минимума, называют силой поверхностного натяжения.

Измерение силы поверхностного натяжения

Чтобы измерить силу поверхностного натяжения, проделаем следующий опыт. Возьмем прямоугольную проволочную рамку, одна сторона которой АВ длиной l может перемещаться с малым трением в вертикальной плоскости. Погрузив рамку в сосуд с мыльным раствором, получим на ней мыльную пленку (рис. 7.11, а). Как только мы вытащим рамку из мыльного раствора, проволочка АВ сразу же придет в движение. Мыльная пленка будет сокращать свою поверхность. Следовательно, на проволочку АВ действует сила, направленная перпендикулярно проволочке в сторону пленки. Это и есть сила поверхностного натяжения.

Чтобы помешать проволочке двигаться, надо к ней приложить некоторую силу. Для создания этой силы можно прикрепить к проволочке мягкую пружину, закрепленную на основании штатива (см. рис. 7.11, о). Сила упругости пружины вместе с силой тяжести, действующей на проволочку, в сумме составят результирующую силу Для равновесия проволочки необходимо, чтобы выполнялось равенство
, где - сила поверхностного натяжения, действующая на проволочку со стороны одной из поверхностей пленки (рис. 7.11, б).

Отсюда
.

От чего зависит сила поверхностного натяжения?

Если проволочку переместить вниз на расстояние h , то внешняя сила F 1 = 2 F совершит работу

(7.4.1)

Согласно закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии (в данном случае поверхностной) пленки. Начальная поверхностная энергия мыльной пленки площадью S 1 равна U п 1 = = 2σS 1 , так как пленка имеет две поверхности одинаковой площади. Конечная поверхностная энергия

где S 2 - площадь пленки после перемещения проволочки на расстояние h . Следовательно,

(7.4.2)

Приравнивая правые части выражений (7.4.1) и (7.4.2), получим:

Отсюда сила поверхностного натяжения, действующая на границу поверхностного слоя длиной l , равна:

(7.4.3)

Направлена сила поверхностного натяжения по касательной к поверхности перпендикулярно границе поверхностного слоя (перпендикулярно проволочке АВ в данном случае, см. рис. 7.11, а).

Измерение коэффициента поверхностного натяжения

Существует много способов измерения поверхностного натяжения жидкостей. Например, поверхностное натяжение а можно определить, пользуясь установкой, изображенной на рисунке 7.11. Мы рассмотрим другой способ, не претендующий на большую точность результата измерений.

Прикрепим к чувствительному динамометру медную проволочку, изогнутую так, как показано на рисунке 7.12, a. Подставим под проволочку сосуд с водой так, чтобы проволочка коснулась поверхности воды (рис. 7.12, б) и «прилипла» к ней. Будем теперь медленно опускать сосуд с водой (или, что то же, поднимать динамометр с проволочкой). Мы увидим, что вместе с проволочкой поднимается обволакивающая ее водяная пленка, а показание динамометра при этом постепенно увеличивается. Оно достигает максимального значения в момент разрыва водяной пленки и «отрыва» проволочки от воды. Если из показаний динамометра в момент отрыва проволочки вычесть ее вес, то получится сила F , равная удвоенной силе поверхностного натяжения (у водяной пленки две поверхности):

где l - длина проволочки.

При длине проволочки 1 = 5 см и температуре 20 °С сила оказывается равной 7,3 · 10 -3 Н. Тогда

Результаты измерений поверхностных натяжений некоторых жидкостей приведены в таблице 4.

Таблица 4

Из таблицы 4 видно, что у легкоиспаряющихся жидкостей (эфира, спирта) поверхностное натяжение меньше, чем у нелетучих жидкостей, например у ртути. Очень мало поверхностное натяжение у жидкого водорода и особенно у жидкого гелия. У жидких металлов поверхностное натяжение, наоборот, очень велико.

Различие в поверхностном натяжении жидкостей объясняется различием в силах межмолекулярного взаимодействия.

Наиболее характерным свойством жидкости, отличающим ее от газа, является то, что на границе с газом жидкость образует свободную поверхность, наличие которой приводит к возникновению явлений особого рода, называемых поверхностными. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи свободной поверхности.

На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих ее молекул, расположенных от нее на расстоянии порядка 10 -9 м (радиус молекулярного действия). На молекулу M 1 , расположенную внутри жидкости (рис. 1), действуют силы со стороны таких же молекул, и равнодействующая этих сил близка к нулю.

Для молекул M 2 равнодействующие сил отличны от нуля и направлены внутрь жидкости, перпендикулярно к ее поверхности. Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создает давление на жидкость (молекулярное давление) .

Чтобы переместить молекулу M 3 , расположенную непосредственно под поверхностным слоем, на поверхность, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления. Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией .

Очевидно, что величина поверхностной энергии тем больше, чем больше площадь свободной поверхности. Пусть площадь свободной поверхности изменилась на ΔS , при этом поверхностная энергия изменилась на \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\), где σ - коэффициент поверхностного натяжения. Так как для этого изменения необходимо совершить работу

\(~A = \Delta W_p ,\) то \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)

Отсюда \(~\sigma = \dfrac{A}{\Delta S}\) .

Единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является джоуль на квадратный метр (Дж/м 2).

- величина, численно равная работе, совершенной молекулярными силами при изменении площади свободной поверхности жидкости на 1 м 2 при постоянной температуре.

Так как любая система, предоставленная сама себе, стремится занять такое положение, в котором ее потенциальная энергия наименьшая, то жидкость обнаруживает стремление к сокращению свободной поверхности. Поверхностный слой жидкости ведет себя подобно растянутой резиновой пленке, т.е. все время стремится сократить площадь своей поверхности до минимальных размеров, возможных при данном объеме.

Например, капля жидкости в состоянии невесомости имеет сферическую форму.

Поверхностное натяжение

Свойство поверхности жидкости сокращаться можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Молекула M 1 (рис. 2), расположенная на поверхности жидкости, взаимодействует не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами, находящимися на поверхности жидкости, расположенными в пределах сферы молекулярного действия. Для молекулы M 1 равнодействующая \(~\vec R\) молекулярных сил, направленных вдоль свободной поверхности жидкости, равна нулю, а для молекулы M 2 , расположенной у границы поверхности жидкости, \(~\vec R \ne 0\) и \(~\vec R\) направлена по нормали к границам свободной поверхности и по касательной к самой поверхности жидкости .

Равнодействующая сил, действующих на все молекулы, находящиеся на границе свободной поверхности, и есть сила поверхностного натяжения . В целом она действует так, что стремится сократить поверхность жидкости.

Можно предположить, что сила поверхностного натяжения \(~\vec F\) прямо пропорциональна длине l границы поверхностного слоя жидкости, ведь на всех участках поверхностного слоя жидкости молекулы находятся в одинаковых условиях:

\(~F \sim l .\)

Действительно, рассмотрим вертикальный прямоугольный каркас (рис. 3, а, б), подвижная сторона которого уравновешена. После извлечения рамки из раствора мыльной пленки подвижная часть перемещается из положения 1 в положение 2 . Учитывая, что пленка представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности, найдем работу, совершаемую при перемещении поперечины на расстояние h = a 1 ⋅ a 2: A = 2F⋅h , где F - сила, действующая на каркас со стороны каждого поверхностного слоя. С другой стороны, \(~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).

Следовательно, \(~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Rightarrow F = \sigma \cdot l\), откуда \(~\sigma = \dfrac Fl\).

Согласно этой формуле единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является ньютон на метр (Н/м).

Коэффициент поверхностного натяжения σ численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости, от температуры и от наличия примесей. При увеличении температуры он уменьшается.

• При критической температуре, когда исчезает различие между жидкостью и паром, σ = 0.

Примеси в основном уменьшают (некоторые увеличивают) коэффициент поверхностного натяжения.

Таким образом, поверхностный слой жидкости представляет собой как бы эластичную растянутую пленку, охватывающую всю жидкость и стремящуюся собрать ее в одну «каплю». Такая модель (эластичная растянутая пленка) позволяет определять направление сил поверхностного натяжения. Например, если пленка под действием внешних сил растягивается, то сила поверхностного натяжения будет направлена вдоль поверхности жидкости против растяжения. Однако это состояние существенно отличается от натяжения упругой резиновой пленки. Упругая пленка растягивается за счет увеличения расстояния между частицами, при этом сила натяжения возрастает, при растяжении же жидкой пленки расстояние между частицами не меняется, а увеличение поверхности достигается в результате перехода молекул из толщи жидкости в поверхностный слой. Поэтому при увеличении поверхности жидкости сила поверхностного натяжения не изменяется (она не зависит от площади поверхности).

См. также

1. Кикоин А.К. О силах поверхностного натяжения // Квант. - 1983. - № 12. - С. 27-28

Смачивание

В случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Смачивание - явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют смачивающей ; если силы притяжения жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют несмачивающей это тело.

Одна и та же жидкость может быть смачивающей и несмачивающей по отношению к разным телам. Так, вода смачивает стекло и не смачивает жирную поверхность, ртуть не смачивает стекло, а смачивает медь.

Смачивание или несмачивание жидкостью стенок сосуда, в котором она находится, влияет на форму свободной поверхности жидкости в сосуде. Если большое количество жидкости налито в сосуд, то форма ее поверхности определяется силой тяжести, которая обеспечивает плоскую и горизонтальную поверхность. Однако у самых стенок явление смачивания и несмачивания приводят к искривлению поверхности жидкости, так называемые краевые эффекты .

Количественной характеристикой краевых эффектов служит краевой угол θ - угол между плоскостью касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела. Внутри краевого угла всегда находится жидкость (рис. 4, а, б). При смачивании он будет острым (рис. 4, а), а при несмачивании – тупым (рис. 4, б). В школьном курсе физики рассматривают только полное смачивание (θ = 0º) или полное несмачивание (θ = 180º).

Силы, связанные с наличием поверхностного натяжения и направленные по касательной к поверхности жидкости, в случае выпуклой поверхности дают результирующую, направленную внутрь жидкости (рис. 5, а). В случае вогнутой поверхности результирующая сила направлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидкостью (рис. 5, б).

Если смачивающая жидкость находится на открытой поверхности твердого тела (рис. 6, а), то происходит ее растекание по этой поверхности. Если на открытой поверхности твердого тела находится несмачивающая жидкость, то она принимает форму, близкую к шаровой (рис. 6, б).

Смачивание имеет важное значение как в быту, так и в промышленности. Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотоматериалов, нанесении лакокрасочных покрытий, при склеивании материалов, при пайке, во флотационных процессах (обогащение руд ценной породой). И наоборот, при сооружении гидроизоляционных устройств необходимы материалы, не смачиваемые водой.

Капиллярные явления

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда особенно отчетливо видно в узких трубках, где искривляется вся свободная поверхность жидкости. В трубках с узким сечением эта поверхность представляет собой часть сферы, ее называют мениском . У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 7, а), а у несмачивающей - выпуклый (рис. 7, б). Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь поперечного сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться.

Силы поверхностного натяжения создают дополнительное (лапласово) давление под искривленной поверхностью жидкости.

Если поверхность жидкости вогнутая , то сила поверхностного натяжения направлена из жидкости (рис. 8, а), и давление под вогнутой поверхностью жидкости меньше, чем под плоской, на \(~p = \dfrac{2 \sigma }{R}\). Если поверхность жидкости выпуклая , то сила поверхностного натяжения направлена внутрь жидкости (рис. 8, б), и давление под выпуклой поверхностью жидкости больше, чем под плоской, на ту же величину.

Рис. 8

• Эта формула является частным случаем формулы Лапласа, определяющей избыточное давление для произвольной поверхности жидкости двоякой кривизны:

\(~p = \sigma \cdot \left(\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} \right),\)

где R 1 и R 2 - радиусы кривизны двух любых взаимно перпендикулярных нормальных сечений поверхности жидкости. Радиус кривизны положителен, если центр кривизны соответствующего сечения находится внутри жидкости, и отрицателен, если центр кривизны находится вне жидкости. Для цилиндрической поверхности (R 1 = l ; R 2 = ∞) избыточное давление \(~p = \dfrac{\sigma}{R}\) .

Если поместить узкую трубку (капилляр ) одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие наличия силы лапласова давления жидкость в капилляре поднимается (если жидкость смачивающая) или опускается (если жидкость несмачивающая) (рис. 9, а, б), так как под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет.

Явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких сосудах называются капиллярными явлениями .

Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту h , при которой сила гидростатического давления столба жидкости уравновешивается силой избыточного давления, т.е.

\(~\dfrac{2 \sigma}{R} = \rho \cdot g \cdot h .\)

Откуда \(~h = \dfrac{2 \sigma}{\rho \cdot g \cdot R}\). Если смачивание не полное θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), то, как показывают расчеты, \(~h = \dfrac{2 \sigma}{\rho \cdot g \cdot R} \cdot \cos \theta\).

Капиллярные явления весьма распространены. Поднятие воды в почве, система кровеносных сосудов в легких, корневая система у растений, фитиль и промокательная бумага - капиллярные системы.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 178-184.

Поверхностное натяжение , стремление вещества (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 поверхности раздела фаз (размерность Дж/м 2). Согласно другому определению, поверхностное натяжение - сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к поверхности и препятствует ее самопроизвольному увеличению.

Поверхностное натяжение - основная термодинамическая характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или другой жидкостью. Поверхностное натяжение различных жидкостей на границе с собственным паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до нескольких тысяч мН/м для расплавленных тугоплавких веществ. Поверхностное натяжение зависит от температуры. Для многих однокомпонентных неассоциированных жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критической температуры хорошо выполняется линейная зависимость:

где s и s 0 - поверхностное натяжение при температурах T и T 0 соответственно, α≈0,1 мН/(м·К) - температурный коэффициент поверхностного натяжения . Основной способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Поверхностное натяжение входит во многие уравнения физики, физической и коллоидной химии , электрохимии .

Оно определяет следующие величины:

1. капиллярное давление , где r 1 и r 2 - главные радиусы кривизны поверхности, и давление насыщенного пара р r над искривленной поверхностью жидкости: , где r - радиус кривизны поверхности, R - газовая постоянная, V n - молярный объем жидкости, p 0 - давление над плоской поверхностью (законы Лапласа и Кельвина, см. Капиллярные явления).

2. Краевой угол смачивания θ в контакте жидкости с поверхностью твердого тела: cos , где - удельная свободная поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и жидкостью, - поверхностное натяжение жидкости (закон Юнга, см. Смачивание).

3. Адсорбцию ПАВ где μ - химический потенциал адсорбируемого вещества (уравнение Гиббса, см. Адсорбция). Для разбавленных растворов где с - молярная концентрация ПАВ.

4. Состояние адсорбционного слоя ПАВ на поверхности жидкости: (p s + a/A 2 )·(A - b )=kT , где p s =(s 0 —s) - двухмерное давление, s 0 и s - соответственно поверхностное натяжение чистой жидкости и той же жидкости при наличии адсорбционного слоя, а - постоянная (аналог постоянной Ван-дер-Ваальса), A - площадь поверхностного слоя, приходящаяся на одну адсорбированную молекулу, b - площадь, занимаемая 1 молекулой жидкости, k - постоянная Больцмана (уравнение Фрумкина-Фольмера, см. Поверхностная активность).

5. Электрокапиллярный эффект: - d s/d f = r s , где r s - плотность поверхностного заряда, f-потенциал электрода (уравнение Липмана, см. Электрокапиллярные явления).

6. Работу образования критического зародыша новой фазы W c . Например, при гомогенной конденсации пара при давлении , где p 0 - давление пара над плоской поверхностью жидкости (уравнение Гиббса, см. Зарождение новой фазы).

7. Длину l капиллярных волн на поверхности жидкости: , где ρ - плотность жидкости, τ - период колебаний, g - ускорение свободного падения.

8. Упругость жидких пленок со слоем ПАВ: модуль упругости , где s - площадь пленки (уравнение Гиббса, см. Тонкие пленки).

Поверхностное натяжение измерено для многих чистых веществ и смесей (растворов, расплавов) в широком интервале температур и составов. Поскольку поверхностное натяжение весьма чувствительно к наличию примесей, измерения разными методиками не всегда дают совпадающие значения.

Основные методы измерения следующие:

1. подъем смачивающих жидкостей в капиллярах. Высота подъема , где - разность плотностей жидкости и вытесняемого газа, ρ - радиус капилляра. Точность определения поверхностного натяжения растет с уменьшением отношения ρ/α (α -капиллярная постоянная жидкости).

2. Измерение максимального давления в газовом пузырьке (метод Ребиндера); расчет основан на уравнении Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом r перед моментом отрыва давление p m =2σ/r

3. Метод взвешивания капель (сталагмометрия): (уравнение Тейта), где G - общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r . Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэфициент, зависящий от r и объема капли.

4. Метод уравновешивания пластины (метод Вильгельми). При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины , где G 0 - вес сухой пластины.

5. Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи). Для отрыва проволочного кольца радиусом R от поверхности жидкости требуется сила

6. Метод сидящей капли. Профиль капли на несмачиваемой подложке определяется из условия постоянства суммы гидростатического и капиллярного давлений. Дифференциальное уравнение профиля капли решается численным интегрированием (метод Башфорта-Адамса). По измерениям геометрических параметров профиля капли с помощью соответствующих таблиц находят поверхностное натяжение .

7. Метод вращающейся капли. Капля жидкости плотностью r 1 помещается в трубку с более тяжелой (плотность r 2) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью ω капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r . Расчетное уравнение: . Метод применяют для измерения малых поверхностных натяжений на границе двух жидкостей.

Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости.

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В первой половине XIX в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во второй половине XIX в. Дж.Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение . В XX в. разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П.А. Ребиндер, A.H. Фрумкнн). Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей (включая расплавленные металлы), влияние кривизны поверхности на поверхностное натяжение.

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.

Для начала, обсудим особые свойства, которыми обладают молекулы приповерхностного слоя жидкости по сравнению с молекулами, находящимися в объеме.

Рис. 1. Отличие молекул приповерхностного слоя от молекул, находящихся в объеме жидкости

Рассмотрим две молекулы А и Б. Молекула А находится внутри жидкости, молекула Б - на ее поверхности (Рис. 1). Молекула А окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу А со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, или их равнодействующая равна нулю.

Что же происходит с молекулой Б, которая находится у поверхности жидкости? Напомним, что концентрация молекул газа, который находится над жидкостью, значительно меньше, чем концентрация молекул жидкости. Молекула Б с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны - сильно разреженными молекулами газа. Поскольку со стороны жидкости на нее действует гораздо больше молекул, то равнодействующая всех межмолекулярных сил будет направлена внутрь жидкости.

Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил.

Вспомним, что работа - это изменение потенциальной энергии, взятое со знаком минус.

Значит, молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией.

Эта избыточная энергия является составляющей внутренней энергии жидкости и называется поверхностной энергией . Обозначается она, как , и измеряется, как и любая другая энергия, в джоулях.

Очевидно, что 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 - площадь поверхности, а - коэффициент пропорциональности, который мы назовем коэффициентом поверхностного натяжения , этот коэффициент характеризует ту, или иную жидкость. Запишем строгое определение этой величины.

Поверхностное натяжение жидкости (коэффициент поверхностного натяжения жидкости) - это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости

Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в ньютонах, деленных на метр.

Обсудим, от чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Для начала, вспомним, что коэффициент поверхностного натяжения характеризует удельную энергию взаимодействия молекул, а значит факторы, изменяющие эту энергию, изменят и коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Итак, коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

1. Природы жидкости (у «летучих» жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у «нелетучих» - воды, ртути и жидких металлов).

2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

3. Наличие поверхностно активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например мыла или стирального порошка.

4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Отметим, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади поверхности, так как для одной отдельно взятой приповерхностной молекулы абсолютно неважно, сколько таких же молекул вокруг. Обратите внимание на таблицу, в которой приведены коэффициенты поверхностного натяжения различных веществ, при температуре :

Таблица 1. Коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом, при

Итак, молекулы приповерхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в объеме жидкости. В курсе механики было показано, что любая система стремится к минимуму потенциальной энергии. Например, тело, брошенное с некоторой высоты, будет стремиться упасть вниз. Кроме того, вы чувствуете себя намного комфортнее лёжа, поскольку в этом случае максимально низко расположен центр масс вашего тела. К чему приводит стремление уменьшить свою потенциальную энергию в случае жидкости? Поскольку поверхностная энергия зависит от площади поверхности, значит, любой жидкости энергетически невыгодно иметь большую площадь поверхности. Иными словами, в свободном состоянии жидкость будет стремиться сделать свою поверхность минимальной.

В этом легко убедиться, экспериментируя с мыльной пленкой. Если окунуть в мыльный раствор некий проволочный каркас, то на нем образуется мыльная пленка, при чем пленка приобретет такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (Рис. 2).

Рис. 2. Фигуры из мыльного раствора

Убедиться в существовании сил поверхностного натяжения можно при помощи простого эксперимента. Если к проволочному кольцу в двух местах привязана нить, причем так, чтобы длина нити была несколько больше длины хорды, соединяющей точки крепления нити, и обмакнуть проволочное кольцо в мыльный раствор (Рис. 3а), мыльная пленка затянет всю поверхность кольца и нить будет лежать на мыльной пленке. Если теперь порвать пленку с одной стороны нити, мыльная пленка, оставшаяся с другой стороны нити, сократится и натянет нить (Рис. 3б).

Рис. 3. Эксперимент по обнаружению сил поверхностного натяжения

Почему же так произошло? Дело в том, что оставшийся сверху мыльный раствор, то есть жидкость, стремится сократить площадь своей поверхности. Таким образом, нить вытягивается вверх.

Итак, в существовании силы поверхностного натяжения мы убедились. Теперь научимся ее рассчитывать. Для этого проведем мысленный эксперимент. Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна (Рис. 4). Будем растягивать мыльную пленку, действуя на подвижную сторону рамки силой . Таким образом, на перекладину действуют три силы - внешняя сила и две силы поверхностного натяжения , действующие вдоль каждой поверхности пленки. Воспользовавшись вторым законом Ньютона, можем записать, что

Рис. 4. Вычисление силы поверхностного натяжения

Если под действием внешней силы перекладина переместится на расстояние , то эта внешняя сила совершит работу

Естественно, что за счет совершения этой работы площадь поверхности пленки увеличится, а значит, увеличится и поверхностная энергия, которую мы можем определить через коэффициент поверхностного натяжения:

Изменение площади, в свою очередь можно определить следующим образом:

где - длина подвижной части проволочной рамки. Учитывая это, можно записать, что работа внешней силы равна

Приравнивая правые части в (*) и (**), получим выражение для силы поверхностного натяжения:

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины линии, ограничивающей поверхность

Итак, мы еще раз убедились в том, что жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной. Можно показать, что при заданном объеме площадь поверхности будет минимальной у шара. Таким образом, если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать сферическую форму. Так, например, будет вести себя вода в невесомости (Рис. 5) или мыльные пузыри (Рис. 6).

Рис. 5. Вода в невесомости

Рис. 6. Мыльные пузыри

Наличием сил поверхностного натяжения также можно объяснить то, почему металлическая иголка «лежит» на поверхности воды (Рис. 7). Иголка, которую аккуратно положили на поверхность, деформирует ее, увеличивая тем самым площадь этой поверхности. Таким образом, возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, и она скомпенсирует силу тяжести.

Рис. 7. Иголка на поверхности воды

Таким же образом можно объяснить принцип действия пипетки. 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 (Рис. 8). Когда вы нажимаете на резиновый колпачок пипетки, вы тем самым создаете дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, и в результате, капля падает вниз.

Рис. 8. Принцип работы пипетки

Приведем еще один пример из повседневной жизни. Если опустить кисточку для рисования в стакан с водой, то ее волоски распушатся. Если теперь вынуть эту кисточку из воды, то вы заметите, что все волоски прилипли друг к другу. Это связано с тем, что площадь поверхности воды, налипшей на кисточку, в таком случае будет минимальной.

И еще один пример. Если вы захотите построить замок из сухого песка, это у вас вряд ли получится, поскольку песок будет рассыпаться под действием силы тяжести. Однако если вы намочите песок, то он будет сохранять свою форму благодаря силам поверхностного натяжения воды между песчинками.

Наконец, отметим, что теория поверхностного натяжения помогает найти красивые и простые аналогии при решении более сложных физических задач. Например, когда нужно построить лёгкую и в то же время прочную конструкцию, на помощь приходит физика того, что происходит в мыльных пузырях. А построить первую адекватную модель атомного ядра удалось, уподобив это атомное ядро капле заряженной жидкости.

Список литературы

1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. «Физика 10». - М.: Просвещение, 2008.
2. Я. Е. Гегузин «Пузыри», Библиотека Квант. - М.: Наука, 1985.
3. Б. М. Яворский, А. А. Пинский «Основы физики» т. 1.
4. Г. С. Ландсберг «Элементарный учебник физики» т. 1.

1. Nkj.ru ().
2. Youtube.com ().
3. Youtube.com ().
4. Youtube.com ().

Домашнее задание

1. Решив задачи к данному уроку, вы сможете подготовиться к вопросам 7,8,9 ГИА и вопросам А8, А9, A10 ЕГЭ.
2. Гельфгат И.М., Ненашев И.Ю. «Физика. Сборник задач 10 класс» 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. Опираясь на задачу 5.47, определите коэффициент поверхностного натяжения воды и мыльного раствора.

Список вопросов-ответов

Вопрос: Почему поверхностное натяжение меняется с изменением температуры?

Ответ: При увеличении температуры, молекулы жидкости начинают двигаться быстрее, и следовательно, молекулы легче преодолевают потенциальные силы притяжения. Что и приводит к уменьшению сил поверхностного натяжения, являющихся потенциальными силами, которыми связываются молекулы приповерхностного слоя жидкости.

Вопрос: Зависит ли коэффициент поверхностного натяжения от плотности жидкости?

Ответ: Да, зависит, поскольку от плотности жидкости зависит энергия молекул приповерхностного слоя жидкости.

Вопрос: Какие существуют способы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости?

Ответ: В школьном курсе изучаютдва способа определениякоэффициента поверхностного натяжения жидкости. Первый - это метод отрыва проволочки, его принцип описан в задаче 5.44 из домашнего задания, второй - метод счета капель, описанный в задаче 5.47.

Вопрос: Почему через некоторое время мыльные пузыри разрушаются?

Ответ: Дело в том, что через некоторое время, под действием силы тяжести пузырь становится толще внизу, чем вверху, и затем под влиянием испарения разрушается в какой-либо точке. Это приводит к тому, что весь пузырь, подобно воздушному шарику, схлопывается под действием не скомпенсированных сил поверхностного натяжения.

вода

Рис. 12.1

воздух

Лекция 12. Поверхностное натяжение жидкостей. Осмос

В этой лекции рассмотрим некоторые свойства жидкостей, связанные с поведением молекул в жидкой фазе. В отличие от практически свободных и быстрых молекул газа молекулы жидкости расположены вплотную друг к другу и перемещаются довольно медленно.

12.1. Поверхностное натяжение жидкостей

Упругими свойствами обладают не только твердые тела, но и поверхность жидкости. Каждый видел, как растягивается мыльная пленка при выдувании пузырей. Силы поверхностного натяжения, возникающие в мыльной пленке, удерживают воздух в пузыре, подобно тому, как растянувшаяся резиновая камера удерживает воздух в футбольном мяче.

Поверхностное натяжение возникает на границе раздела фаз, например, жидкой и газообразной или жидкой и твердой, и обусловлено тем, что молекулы поверхностного слоя жидкости испытывают разную силу притяжения снаружи и изнутри. Поверхностное на-

Тяжение хорошо наблюдать на примере капли воды, где

жидкость ведет себя так, как будто она помещена в эла-

стичную оболочку. Здесь молекулы поверхностного слоя воды притягиваются к своим внутренним соседям (другим молекулам воды) сильнее, чем к внешним молекулам воздуха, рис. 12.1. Другой пример – пленка бензина на воде. Здесь молекулы бензина притягиваются друг к

другу слабее, чем к молекулам воды, в результате чего бензин растекается по воде очень тонкой пленкой.

Поверхностное натяжение можно определить как бесконечно малую (элементарную) работу δ A , которую нужно совершить для увеличения площади поверхности жидкости на бесконечно малую величину dS при постоянной тем-

определяет упругие свойства поверхности жидкости. Чем больше поверхностное натяжение, тем труднее растягивается пленка жидкости.

Поверхностное натяжение зависит от температуры . Например, для воды с ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Сила поверхностного натяжения F пропорциональна длине контура l на поверхности, к которому приложена, и лежит в плоскости, касательной к по-

верхности жидкости,
F = σ l.

Жидкость может смачивать или не смачивать поверхность, на которую она налита. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к

0 ≤ θ < π /2

π/2 < θ ≤ π

молекулам поверхности, происходит смачивание (рис. 12.2, а), в противном случае – несмачивание (рис. 12.2, б).

Угол, образованный поверхностью, куда налита жидкость, и касательной к поверхности жидкости, называется краевым углом θ . Предельный случай, когда θ = 0, называется полным смачиванием, а когда θ = π , – полным несмачиванием.

Силы поверхностного натяжения искривляют поверхность жидкости и вызывают дополнительное давление, которое определяется формулой Лапласа

P = σ
и действует в сторону вогнутости поверхности. Здесь R 1 и R 2 − радиусы кри-
визны двух взаимно перпендикулярных сечений поверхности жидкости.
Если поверхность цилиндрическая (R 1 = R , R 2 → ∞ ), то
		σ ,						(12.3)′
если сферическая (R 1 = R 2 = R ), то
								(12.3)″

Искривленная поверхность жидкости называется мениском . Поверхностное натяжение проявляется и в случае поднятия жидкости в

капиллярных трубках (рис. 12.3, а). Например, в капиллярах стеблей травянистых растений за счет смачивания вода поднимается на несколько сантиметров. Высота поднятия жидкости с плотностью ρ в капиллярной трубке1 радиуса r

Капиллярные явления играют важную роль в природе и сельскохозяйственной практике. Как уже отмечалось, вода по капиллярам поднимается в стеб-

1 Мениск в капиллярах сферический и дополнительное давление определяется формулой (12.3)″ . Дополнительное давление как бы затягивает жидкость наверх. Это давление уравновешивается гидростатическим давлением столбика жидкости высоты h : P = ρ gh . Учитывая, что радиус кривизны поверхности R связан с радиусом капилляра r соотношением R = r /cosθ , получим формулу (12.4).

ли травянистых растений. По капиллярам почвы вода поднимается из глубинных в поверхностные слои. Уменьшая диаметр почвенных капилляров путем уплотнения почвы, можно усилить приток воды к поверхности, то есть к зоне испарения, и этим ускорить высушивание почвы. Наоборот, разрыхляя поверхность почвы и создавая тем самым прерывистость в системе почвенных капилляров, можно задержать приток воды к зоне испарения и замедлить высушивание почвы. На этом основаны агротехнические приемы регулирования водного режима почвы: прикатка и боронование.

Следует также отметить, что пчелы извлекают нектар из цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка.

Если пузырек воздуха попадет в кровеносный сосуд небольшого диаметра, то из-за сил поверхностного натяжения может наступить закупорка сосуда (пузырек как бы прилипает к стенкам сосуда и перекрывает его). Это явление называется газовой эмболией . Поэтому при инъекциях нельзя допускать попадания в иглу шприца пузырьков воздуха. Для этого перед инъекцией всегда сбрасывают немного жидкости из шприца.

Кроме того, листья и плоды многих растений не смачиваются водой (покрытывосковымналетом), что предохраняет их отзагниваниявдождливыепериоды.

Оперение водоплавающих птиц предохраняется от намокания следующим образом. Плотное переплетение перьевых и пуховых бородок образует упорядоченную структуру. Жирные выделения расположенной у основания хвоста копчиковой железы, наносимые клювом на перья, сохраняют эту структуру и создают водоотталкивающую (несмачивающуюся) поверхность. Водонепроницаемости также способствуют многочисленные пузырьки воздуха, заключенные в тончайших полостях слоев оперения.

В заключение отметим, что для уменьшения поверхностного натяжения воды используют различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), например, мыло. Вода не смачивает (и не отмывает) жирную поверхность, а мыльный раствор – смачивает (и отмывает).

12.2. Осмос и осмотическое давление

Это явление похоже на диффузию, однако, одно существенное отличие заставляет рассматривать его отдельно. Для протекания этого явления необходима перегородка (оболочка), обладающая избирательной проницаемостью , то есть пропускающая одни молекулы и не пропускающая другие.

									Пусть водный раствор какого-либо вещества, на-
									пример, сахара, отделен от растворителя, например, воды,
		р-р сахара
									полупроницаемой перегородкой, через которую молекулы
			Р осм						воды проходить могут, а сахара – нет (рис. 12.4). Приме-
									рами полупроницаемых перегородок могут служить обо-
									лочка растительной или животной клетки, защитная обо-
									лочка, покрывающая жаберные лепестки рыб, стенки
									желчного пузыря, кишечная ткань и т.д.

Явление перехода молекул чистого растворителя через полупроницаемую перегородку в область, занятую раствором, называется осмосом .

В результате этого возникает разность давлений между раствором и чистым растворителем. Когда она достигнет определенного значения, осмос прекращается. Разность давлений, при которой осмос прекращается, называется

осмотическим давлением.

Природа осмотического давления будет понятна, если растворенное вещество рассматривать как идеальный газ с молярной концентрацией n р (для слабых растворов).

Р осм = n рRT ,

где n р = ν /V – молярная концентрация раствора в моль/м3 . Это уравнение полностью совпадает с уравнением Менделеева – Клапейрона для газов, только вместо молекул газа здесь молекулы или ионы растворенного вещества.

Осмотическое давление легко измерить. Для этого
можно провести опыт с поднятием раствора сахара в труб-
ке, закрытой снизу полупроницаемой перегородкой и по-
груженной в воду, как показано на рис. 12.5. Из-за осмоса
молекулы воды будут проходить через перегородку, уро-
вень в трубке начнет расти и остановится, когда гидроста-
тическое давление столба жидкости в трубке не даст моле-
кулам воды проходить в раствор (другими словами, осмо-		перегородка
тическое давление в растворе уравновешивается гидроста-
тическим давлением столба раствора высоты h ). Высота
подъема раствора в трубке служит мерой осмотического давления
Р осм = ρ рgh ,

где ρ р – плотность раствора (для слабых растворов примерно равна плотности чистого растворителя). Формула (12.6) – экспериментальная формула для определения осмотического давления.

Осмотический эффект играет исключительно важную роль в жизни бактерий, грибов, растений и животных, так как благодаря осмосу происходит водный обмен клетки с внеклеточной жидкостью. Оболочки живых клеток представляют собой полупроницаемые перегородки, – они проницаемы для молекул воды и непроницаемы для молекул сложных органических соединений, образующихся внутри клетки в процессе ее жизнедеятельности. Благодаря этому внутри клетки образуется раствор с концентрацией несколько превышающей концентрацию внеклеточного раствора, и возникает осмотическое давление, растягивающее клеточную мембрану и делающее клетку упругой, как надутый резиновый мяч. Это явление называется тургором клеток. Поэтому ткани растений и животных обладают хорошей упругостью и сохраняют свою форму. Падение осмотического давления в клетках, например, при обезвоживании организма, приводит к их коллапсу (схлопыванию). А обессоливание организма, наоборот, может привести к набуханию и разрыву клеток (осмотический шок).

Если слегка увядшие растения положить в ванну с холодной водой, то благодаря осмосу, они «оживут». Вода будет проходить через мембраны «подсохших» клеток и вернет им прежнюю форму. Осмотическое давление в расти-

тельных клетках, окруженных водой, может быть весьма значительным и достигать нескольких атмосфер. Именно благодаря осмосу вода из почвы попадает в клетки листьев очень высоких деревьев. Так, эвкалипты и секвойи достигают высоты 100-120 м. Концентрация клеточного раствора в листьях таких растений достаточно высокая, значит, и высокое осмотическое давление (12.5), следовательно, и большая высота подъема воды (12.6).

Если же, растение или животное находятся в растворе с концентрацией, превышающей клеточную концентрацию, то вода идет из клеток во внешний раствор. Например, когда мы делаем варенье и засыпаем фрукты сахаром, образуется сироп – раствор сахара в воде, вышедшей из клеток фруктов. Аналогичный процесс происходит и при засолке рыбы или овощей.

Благодаря осмосу речным рыбам не нужно пить, – вода поступает в ткани не только через желудок, но и через всю внешнюю поверхность рыбы. Так что пресноводным рыбам нужно постоянно выводить избыток воды. А у морских рыб, кроме акул и скатов, концентрация клеточного раствора меньше концентрации солей в морской воде, и они вынуждены пить воду, усваивая ее через желудок. Море в прямом смысле «высасывает» воду из тканей рыб. Кстати, именно осмотическим высасыванием воды из клеток обусловлено чувство жажды, возникающее после приема соленой пищи или питья морской воды.

Кроме того, с ростом концентрации раствора (а, значит, и осмотического давления) уменьшается температура его замерзания. По этой причине почки растений и ткани некоторых животных зимой полностью не промерзают (некоторые виды рыб выдерживают полное промерзание водоема, не зарываясь в ил). Морская вода не замерзает при температурах до –2 ° С и ниже в зависимости от солености.

Напротив, температура кипения раствора с ростом концентрации (а, значит, и осмотического давления) увеличивается. Поэтому температура кипения соленой воды при атмосферном давлении выше 100 ° С.

Причины изменения температуры плавления и кипения воды в зависимости от давления рассмотрены в предыдущей лекции.

Вопросы к лекции 12

1. Как возникает поверхностное натяжение жидкостей? Приведите примеры.

2. Как определяется коэффициент поверхностного натяжения жидкости, и от чего он зависит?

3. Поясните, в каком случае жидкость смачивает поверхность, с которой соприкасается, а в каком – нет.

4. При взятии крови для анализа используется тонкая капиллярная трубка. Почему кровь «сама» поднимается по капилляру? Почему такого эффекта практически не наблюдается, если трубка не достаточно тонкая?

5. Почему при инъекциях нельзя допускать попадания в иглу шприца пузырьков воздуха?

6. Приведите примеры капиллярных явлений в жизни растений и животных.

7. Что такое осмос? Как найти осмотическое давление?

8. Приведите примеры осмотического эффекта в живых организмах.

9. Объясните механизм подъема воды в листья высоких деревьев.

10. Почему мы хотим пить после приема соленой пищи? Почему от сладкой пищи чувство жажды гораздо меньше?