Поверхностное натяжение жидкости является причиной появления капиллярного эффекта. Почему у воды поверхностное натяжение больше, чем у других жидкостей? Поверхностное натяжение это физическая величина, равная отношению силы поверхностного натяжения F, приложенной к границе поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к поверхности, к длине L этой границы. Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит. Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.
Поверхностное натяжение и его зависимость от температуры и рода жидкости
тем большая сила поверхносного натяжения. Таким образом, можно сделать вывод, что поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и ее химических свойств. Почему поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости? Таким образом, рода жидкости влияют на поверхностное натяжение различными способами, причем эффект температуры может варьироваться для каждого рода жидкости.
Содержание
- Поверхностное натяжение — Юнциклопедия
- Поверхностное натяжение — Википедия
- Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости
- Поверхностное натяжение — формула, коэффициент, определение
- почему у воды высокое поверхностное натяжение
- Новые вопросы
Почему поверхностное натяжение зависит от состава и свойств жидкости
Род жидкости также оказывает влияние на зависимость поверхностного натяжения от температуры. Чем обусловлено это удивительное явление и почему величина поверхностного натяжения так сильно зависит от природы жидкости? Почему поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости? Поверхностное натяжение воды и других жидкостей зависит от рода жидкости из-за различий в их межмолекулярных силах. Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит. Правильный ответ здесь, всего на вопрос ответили 1 раз: Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?
§ 8-1. Поверхностное натяжение
Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Сила поверхности натяжения зависит от плотности жидкости.
Молекулы жидкости имеют слабые притяжения друг к другу, называемые межмолекулярными силами. Эти силы определяют поверхностное натяжение — силу, с которой молекулы жидкости притягиваются к поверхности. Разные жидкости имеют разные межмолекулярные силы и, следовательно, разное поверхностное натяжение.
В видео показана классическая демонстрация поверхностного натяжения жидкостей. С помощью мыльного раствора создается пленка между двумя металлическими стержнями. Эта пленка стягивает два стержня, будто пружинка. Вода удерживается над стаканом силами поверхностного натяжения Еще один классический эксперимент, который каждый может повторить дома, на работе, в детском саду,... В стакан наливают воду до краев и начинают дозированно увеличивать объем содержимого.
Можно использовать пипетку или докидывать в стакан небольшие тела. Аналогичный опыт проводят с монеткой. Мы с вами видели, как мыльная пленка стягивала два металлических стержня. Это приводит к довольно интересной вещи - капельки ртути силами поверхностного натяжения стягиваются так, что представляют собой практически идеальные шарики, если они небольшого размера. С увеличением размера капли сил натяжения больше не хватает, и капля "расползается". Поэтому при плавке золото собирается в большой красивый шарик, который даже при больших размерах имеет почти идеальную сферическую форму. Капиллярный эффект Поверхностное натяжение жидкости является причиной появления капиллярного эффекта. Если окунуть кончик тонкой трубочки капилляра в жидкость, то жидкость начнет подниматься по трубочке на достаточно большую высоту. Затягивает жидкость туда как раз сила натяжения, которую постепенно уравновешивает сила тяжести. Высота подъема зависит от двух факторов - она увеличивается при увеличении коэффициента поверхностного натяжения данной жидкости и при уменьшении диаметра трубочки.
Предлагаю вашему вниманию три опыта на эту тему. Окрашивание растений за счет капиллярного эффекта Считается, что благодаря капиллярному эффекту происходит очень важный процесс - питание живых растений водой. Вода поднимается по тонким капиллярам внутри стебля именно благодаря поверхностному натяжению жидкости.
Например, под действием силы поверхностного натяжения капли воды превращаются на стекле в полушарие; насекомое клоп-водомерка легко удерживается на поверхности воды. Дальше я решил узнать, зависит ли поверхностное натяжение жидкости от рода жидкости, и провел следующий опыт. Опыт 3.
Поверхностное натяжение различных жидкостей. Взял лоток с водой, аккуратно на поверхность воды положил бумажную модель лодки. Во внутреннее отверстие капаем жидкое мыло с помощью пипетки. Жидкое мыло стремится вырваться наружу через узкий канал. А лодка при этом движется вперед. Повторил опыты, заменяя жидкое мыло средством для мытья посуды и маслом.
Мы видим, чем больше скорость больше расстояние пройденное лодкой , тем больше способность раствора уменьшать поверхностное натяжение. Гипотеза подтверждается, поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости, т. Опыт 4. Ну и наконец, я проверил, зависит ли поверхностное натяжение жидкости от температуры. Так же взял лоток с водой, на поверхность воды положил бумажную модель лодки, во внутреннее отверстие капнул жидкое мыло с помощью пипетки. Жидкое мыло так же стремится вырваться наружу через узкий канал.
Это связано с силой поверхностного натяжения жидкого мыла. А лодка при этом устремится вперед. Повторил опыт, изменяя температуру.
Капиллярные явления
Иными словами, в зависимости от силы взаимодействия молекул жидкостного раствора зависит значение сила натяжения поверхности. ма») называется коэффициентом поверхностного натяжения и зависит от природы соприкасающихся сред и от их состояния. Поверхностное натяжение зависит от свойств молекул жидкости и внешних условий, таких как температура и давление. Все описанные явления называют «эффектами поверхностного натяжения» и говорят, что жидкость имеет поверхностное натяжение, подобное натяжению растянутой резиновой оболочки.
Поверхностное натяжение и его зависимость от температуры и рода жидкости
Молекулярное объяснение поверхностного натяжения. Итак, тот факт, что жидкости сохраняют свой объем, мы «объяснили» наличием дальнодействующих сил притяжения. Посмотрим, не смогут ли эти силы объяснить существование поверхностного натяжения. Представим себе состояние молекулы А в середине сосуда с водой фиг. Со всех сторон ее толкают другие молекулы. Кроме того, со всех сторон ее притягивают ближайшие соседи — и равнодействующая сила притяжения равна нулю. Силы, действующие на молекулы, в жидкости. Теперь рассмотрим другую молекулу В, находящуюся на поверхности воды. Ее тоже толкают, но не со всех сторон, и тоже притягивают, но не во всех направлениях.
В области действия сил притяжения у нее есть соседи снизу и с каждой стороны, но нет соседей сверху. Равнодействующая сил притяжения направлена внутрь жидкости и уравновешивается действием столкновений снизу. Таким образом, молекула В испытывает притяжение вниз, наподобие дополнительного веса. Во внутренних областях большой круглой капли молекулы будут, подобно молекуле А, испытывать равномерное притяжение со всех сторон. Молекулы на поверхности, подобно молекуле В, будут втягиваться внутрь. Так как такие молекулы В будут пытаться приблизиться к центру капли, поверхность будет стремиться сжаться; по существу создается впечатление, что капля имеет сжимающуюся оболочку. Очевидно, если на поверхности образуется гребень, молекулярное притяжение распрямит его, несмотря на мешающие возмущения небольшое углубление на поверхности также исчезнет, хотя это менее очевидно ; в результате притяжения молекул все неровности на поверхности будут сглаживаться фиг. Поверхностные силы в небольшой капле жидкости.
Действующее на молекулы типа В притяжение соседей стремится придать массе жидкости сферическую форму. Заметьте, что сфера имеет минимальную поверхность при заданном объеме. Если на поверхности появляются небольшие неправильности, поверхностные силы стремятся устранить их. Чтобы представить себе общую картину, сравните заполненную молекулами каплю с толпой людей, привлеченных уличной дракой. Прибывает все больше и больше заинтересованных зевак. Опоздавшие плохо видят, что происходит, они напирают на впереди стоящих — их притягивает любопытство, но они напирали бы так же, если бы их притягивали просто стоящие впереди соседи. Как влияет это притяжение к центру на толпу в целом? Подвижная толпа стягивается в круг с минимальным внешним периметром.
Круг имеет меньшую протяженность периметра, нежели любая другая фигура с той же общей площадью. Человек А, находящийся в глубине толпы, оказывается сжатым, и если ему позволяет рост, то видит, что его неприятные ощущения вызваны напирающими на него людьми, нажимающими внутрь. Он будет страдать точно тай же, если накинуть на толпу огромный пояс и затягивать его. Натянутый пояс будет влиять на внешнюю форму толпы и на тесноту внутри нее точно так же, как и стремление людей, находящихся снаружи, пробиться к середине. Поможет ли эта аналогия[72] понять, каким образом молекулярное притяжение оказывает то же действие, что и эластичная оболочка, растянутая по всей поверхности жидкости? С молекулярной точки зрения на поверхности жидкостей существует не реальная «шкурка», как у кролика, а особый слой внешних молекул. Соотношение между поверхностными и объемными эффектами. Насекомые и поверхностное натяжение Почему эта «оболочка» превращает маленькие капли в совершенные по форме шарики вопреки действию силы тяжести и не может сделать этого с более крупными лужами?
С молекулярной точки зрения согласно нашей теории, если вам угодно это обусловлено особым поведением молекул, расположенных на поверхности. Эти силы действуют на поверхности и не связаны с основной массой жидкости. Но сила тяжести действует на всю жидкость, равным образом на ее внешние и внутренние слои. Поверхностное натяжение — это «поверхностный эффект», а вес — «объемный эффект», и их относительная важность будет изменяться в зависимости от реального размера капли или лужи. Представим себе, что поверхностные силы возрастают прямо пропорционально величине поверхности[73], тогда как вес, конечно, возрастает пропорционально объему. Рассмотрим превращение небольшой капли в каплю, в 10 раз большую. Для простоты представим, что капли имеют вид кубиков[74]: маленького С1 фиг. Как соотносятся их поверхности?
Кубические «капли». Сравнение поверхности и объема. Каждый куб имеет шесть граней. Куб с десятикратными линейными размерами имеет в 102, или в 100 раз, большую поверхность. Как соотносятся объемы этих кубов? Они соответственно равны а3 и 10а 3, т. Объем одного куба превышает объем другого в 103, или в 1000 раз, и, следовательно, вес воды в нем будет в 1000 раз больше. При переходе от малого кубика к большому поверхностные эффекты возрастут только в 100 раз, но действие силы тяжести возрастет в 1000 раз; таким образом, ее относительное значение увеличится в 10 раз.
На самом же деле силы поверхностного натяжения растягивают каждую границу, или край, поверхности. Поэтому они возрастают пропорционально линейным размерам, т. Для очень больших объемов сила тяжести во много раз превосходит влияние поверхностного натяжения; поэтому поверхность прудов плоская, а пролитое на пол ведро воды растекается под действием силы тяжести. На форму маленьких капель сильно влияет поверхностное натяжение, для очень маленьких капель это влияние становится определяющим. Для ныряющего в воду человека главную опасность представляет давление на него воды. Для крошечного клопа, ползущего по капле дождя, непреодолимы силы поверхностного натяжения. Теперь понятно, почему маленькие водяные насекомые могут бегать по поверхности пруда не проваливаясь? Они ничем не рискуют: большинство из них водой не смачивается и провалиться не может.
Даже если их насильно затолкнуть под воду, они немедленно выскочат наружу, причем помогает им поверхностный слой. Для крошечных насекомых, тело которых имеет способность намокать, капля воды оказывается тюрьмой. Частично смачиваемые водой насекомые могут держаться на ее поверхности, если они достаточно малы, но, погрузившись однажды в воду, случайно проскочив через упругую поверхность, они уже не смогут выбраться наружу. В жизни еще более мелких существ, например микробов, все определяется поверхностными силами; вес едва ли имеет для них какое-либо значение. Весь контакт с внешним миром они осуществляют через свою поверхность; через нее поступает пища, и, если они хотят двигаться, им надо изменять-форму своей поверхности. Не удивительно поэтому, что такие существа можно уничтожать с помощью ядов, которые покрывают их поверхность, подобно тому как краска наносится на волокна одежды. Размышления завели нас далеко от экспериментальных фактов. Некоторые из развитых идей подтверждаются последующими опытами, другие стоят лишь немногим более простой игры воображения, и их следует использовать только в той мере, в какой они приводят к плодотворным предположениям.
Краевой угол с молекулярной точки зрения Все же мы можем развить дальше молекулярную картину и обсудить, как жидкости соприкасаются с твердыми телами, т. Возвращаясь к небольшим лужицам на столе и к классификации по краевым углам, нарисуем каплю, поверхность которой принимает выпуклую форму под влиянием поверхностных сил, действующих на молекулы фиг. Поверхностное натяжение и краевой угол с молекулярной точки зрения. В том месте, где лужица соприкасается со столом, угловые молекулы должны также притягиваться столом. Совместное притяжение стола и жидкости и определяет краевой угол. Складывая силы притяжения как векторы, получаем равнодействующую R сил притяжения со стороны соседних молекул как жидкости, так и стола. Для поверхности жидкости эта равнодействующая играет роль «вертикали», и поверхность расположится перпендикулярно к ней, точно так же, как поверхность большой лужи принимает горизонтальное положение, перпендикулярно силе тяжести. Итак, краевой угол определяется направлением равнодействующей сил притяжения R; прежде чем продолжить обсуждение, рассмотрим подробнее силы, которые определяют форму поверхности.
Молекулярные силы и поверхность жидкости Чтобы понять, почему поверхность жидкости располагается перпендикулярно равнодействующей сил притяжения R, вернемся к обсуждению сил, действующих на молекулу. На молекулы действуют: дальнодействующие силы: б притяжение соседей только в пределах нескольких диаметров молекул ; короткодействующие силы: в сильное отталкивание во время столкновений с соседями на расстоянии долей диаметра молекулы. Для описания поведения молекул вряд ли стоит применять термин «равновесие», но все же можно сказать, что в покоящейся жидкости каждая молекула в среднем находится в равновесии. Коротко- и дальнодействующие силы. На любую молекулу на поверхности жидкости короткодействующие силы действуют со всех сторон и снизу, поэтому равнодействующая будут перпендикулярна поверхности. Равнодействующая дальнодействующих сил, которая уравновешивает эти короткодействующие силы, должна иметь противоположное направление, а следовательно, она также будет перпендикулярна поверхности. Из последнего утверждения следует и обратное — поверхность должна быть перпендикулярна равнодействующей сил притяжения, в противном случае все силы перемещали бы поверхность, пока она не приняла бы этого положения. Конечно, в молекулярном масштабе сама поверхность исчезает в хаосе беспорядочных движений, подобно границе толпы.
Она представляется гладкой, только когда ее рассматривают издалека. Две из названных сил действуют на поверхность и меняют свое направление, когда поверхность изгибается. Это — короткодействующее отталкивание и дальнодействующее притяжение соседей. Третья сила — земное притяжение — всегда направлена вертикально вниз. В большом пруду основное направление задается силой тяжести, которая превращает всю поверхность в горизонтальную плоскость; поэтому две другие силы также вертикальны. На молекулы же, расположенные вблизи твердой стенки или на поверхности небольшой искривленной капли, притяжение соседей влияет намного больше, чем сила тяжести. Поэтому для объяснения искривленного мениска или краевого угла силой тяжести можно пренебречь. Просто говорят: «Поверхность располагается перпендикулярно равнодействующей сил притяжения, которые действуют на молекулу, находящуюся на поверхности».
Краевой угол и молекулярные силы Чтобы объяснить природу краевого угла с точки зрения молекулярных сил, рассмотрим силы притяжения, действующие на молекулу С, которая находится в том месте, где лужица жидкости соприкасается с твердым столом фиг. Силы, действующие на молекулу, находящуюся на краю небольшой лужицы жидкости. Лужица находится на столе, который сильно притягивает молекулы жидкости. Во-первых, на нее действует притяжение соседей, находящихся внутри слоя жидкости; равнодействующая этих сил равна F1 и направлена по биссектрисе угла клина направление подсказано симметрией. Во-вторых, ее притягивают молекулы твердого стола с равнодействующей F2, которая перпендикулярна столу снова по соображениям симметрии. Векторное сложение сил F1 и F2 и дает их равнодействующую R; поверхность жидкости должна расположиться перпендикулярно R. Это схематически изображено на фиг. В таком случае краевой угол невелик и жидкость смачивает стол.
Можно сказать, что сильно притягивающий стол побуждает жидкость растекаться. Таким образом, смачивание зависит от относительной силы молекулярного притяжения. Если молекулы жидкости притягиваются молекулами твердого тела сильнее, чем соседними молекулами самой жидкости, жидкость будет смачивать стол и растекаться. С другой стороны, если молекула жидкости предпочитает своих собратьев молекулам стола, силу F1 следует нарисовать больше F2 и картина примет такой вид, как на фиг. Для «водоотталкивания», по-видимому, требуется, чтобы молекулы жидкости испытывали со стороны соседних молекул стола меньшее притяжение, чем со стороны соседних молекул жидкости. Лужица находится на столе, который слабо притягивает молекулы жидкости. Водоотталкивание и смачивание Таково молекулярное объяснение смачивания и краевого угла. Разве это не просто волшебная сказка, выдуманная для того, чтобы свести концы с концами?
Нет, это объяснение совсем не так плохо, поскольку оно основано на молекулярных представлениях, которые используются в других областях физики и химии. Кроме того, оно позволяет сделать полезные рекомендации: 1 Для улучшения смачивания мечта прачек надо сделать F2 больше, чем F1, т. Это можно осуществить, применяя молекулы-посредники, которыми на практике являются молекулы мыла. Таким образом, мы раскрыли секрет мыла и указали путь к созданию новых синтетических моющих средств. На вопрос: «Какой толщины должно быть покрытие? На вопрос: «Какова толщина молекулы? Это особенно заметно, когда жидкости поднимаются в очень узких трубках; «капиллярность» — полезное свойство жидкостей, и мы сейчас его разберем. Нагрейте кусок стеклянной трубки, растяните его в очень тонкую трубку и опустите один ее конец в чернила фиг.
Окрашенная вода поднимается вверх вопреки силе тяжести, опровергая правило: «вода в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне». Однако в U-образной трубке с колонами разного сечения жидкость все же устанавливается на одном уровне фиг. Если вспомнить обсуждение относительной роли поверхностных и объемных эффектов, можно догадаться, что влияние поверхностного натяжения будет более заметно в приборах малых размеров; например, в небольшой U-образной трубке фиг. Конечно, это то же самое, что мы уже видели при погружении тонкой трубки в чернила. Наброски, представленные на фиг. Если жидкость поднимается в тонких трубках, то в еще более тонких она должна подняться еще выше. Проверьте это см. Капиллярные явления.
Поскольку это следствие поверхностного натяжения проявляется в трубках, «тонких, как волос», оно получило название от латинского слова «волос» — capilla. Таким образом, капиллярность — это старое название поверхностного натяжения, которое еще применяется, чтобы охарактеризовать поведение жидкостей в тонких трубках. Это красивое название, но оно не объясняет подъема жидкости. Сказать, что вода поднимается по тонкой трубке вследствие капиллярности, по существу то же, что сказать «вследствие поведения тонких трубок». Рассматривая через увеличительное стекло мениск поверхность жидкости в тонкой трубке, мы увидим, что он висит, как прикрепленный к стеклу изогнутый мешок, весьма похожий на одеяло пожарников, которые ловят выбрасывающегося из окна горящего дома тяжелого мужчину фиг. Снова возникает мысль о резиновой оболочке. Если измерить силы, удерживающие оболочку, то видно, что эти же силы определяют форму маленьких капель. Можно даже говорить, что оболочка удерживает поднимающуюся по трубке жидкость[75], но более реально говорить о молекулах, которые вскарабкиваются по внутренней поверхности трубки и образуют изогнутый мениск.
Жидкости поднимаются не только в круглом стеклянном капилляре.
Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Так на молекулы в поверхностном слое действует некомпенсированная сила со стороны внутренних слоев. По теоретическим оценкам это давление составляет примерно 11 тыс. Расстояние между молекулами воды можно вычислить через число Авогадро, молярную массу и плотность воды:. Поэтому сила указанная на рис.
Это делает воду «сильной» жидкостью, которая может образовывать капли и позволяет насекомым, таким как стрекозы, ходить по поверхности воды. Таким образом, различия в поверхностном натяжении между разными жидкостями обусловлены их молекулярной структурой и взаимодействием между молекулами.