Вы когда-нибудь играли в мыльные пузыри? Круглые мыльные пузыри. Забавно. Их можно выдувать. После полета мыльные пузыри лопаются. Ух ты, это весело, детская игра. Почему мыльные пузыри круглые?
Проснитесь утром и обратите внимание на листья вокруг дома. Посмотрите на капельки росы, прилипшие к листьям. Это странно; капельки росы круглые. Как такое возможно?
Поверхностное натяжение возникает из-за того, что поверхность жидкости стремится сжаться, так что она выглядит как тонкая мембрана. На это влияет сила сцепления между молекулами воды. Для лучшего понимания этого объяснения рассмотрим следующую иллюстрацию. Мы рассмотрим жидкость в контейнере.
Внутри жидкости каждая молекула окружена другими молекулами с каждой стороны; но на поверхности жидкости находятся только молекулы жидкости. На поверхности других молекул жидкости нет. Поскольку молекулы жидкости притягиваются друг к другу, суммарная сила притяжения молекул внутри жидкости равна нулю. Напротив, молекулы жидкости, расположенные на поверхности, притягиваются частицами жидкости, находящимися на дне. В результате на поверхности жидкости действует суммарная сила, направленная вниз. Из-за результирующей силы, направленной вниз, жидкость на поверхности стремится уменьшить свою площадь поверхности, максимально сильно сжимаясь.
В результате слой жидкости на поверхности выглядит так, как будто он покрыт тонкой эластичной мембраной. Это явление известно как поверхностное натяжение.
[Rp]
Когда зажим аккуратно помещается на поверхность воды, молекулы воды, расположенные на поверхности, слегка прижимаются под действием силы тяжести зажима, в результате чего молекулы воды, расположенные ниже, оказывают восстанавливающее усилие, поддерживая зажим.
На самом деле, дело не только в скрепках или канцелярских зажимах, но и в других предметах, например, иголках. Если аккуратно поместить иголку над поверхностью воды, она всплывет. Поверхностное натяжение жидкости также является причиной того, почему насекомые могут плавать на воде.
Уравнение поверхностного натяжения
В предыдущем обсуждении мы качественно рассмотрели понятие поверхностного натяжения (математического уравнения для него нет). Теперь рассмотрим поверхностное натяжение количественно. Чтобы помочь нам вывести уравнение поверхностного натяжения, рассмотрим проволоку, согнутую в форме буквы U. К двум ножкам проволоки U прикреплена другая прямая проволока, которую можно перемещать.
Если эту проволоку поместить в мыло, то после извлечения на её поверхности образуется слой мыльной воды. Это похоже на игру с мыльными пузырями. Поскольку прямая проволока подвижна, а её масса не слишком велика, слой мыльной воды будет оказывать на неё силу поверхностного натяжения, заставляя её двигаться вертикально вверх. Для того чтобы проволока оставалась неподвижной (находясь в равновесии), необходима суммарная сила, направленная вниз, величина которой равна F = w + T. В состоянии равновесия F = сила поверхностного натяжения, создаваемая слоем мыла на прямой проволоке.
Предположим, длина прямой проволоки равна l. Поскольку слой мыльной воды, соприкасающийся с прямой проволокой, имеет две поверхности, сила поверхностного натяжения, создаваемая слоем мыльной воды, действует вдоль 2l. Поверхностное натяжение в мыльном слое — это сравнение силы поверхностного натяжения (F) и длины поверхности, на которой эта сила действует (d). В данном случае длина поверхности равна 2l. Математически это записывается так:
Поскольку поверхностное натяжение — это отношение силы поверхностного натяжения к длине, единицей измерения поверхностного натяжения является ньютон на метр (Н/м) или дин на сантиметр (дин/см).
Ниже приведены некоторые значения поверхностного натяжения, полученные экспериментальным путем.
На основе данных о поверхностном натяжении установлено, что температура влияет на значение поверхностного натяжения жидкости. Как правило, при повышении температуры значение поверхностного натяжения уменьшается (сравните поверхностное натяжение воды при разных температурах. См. таблицу). Это происходит потому, что при повышении температуры молекулы жидкости движутся быстрее, поэтому эффект взаимодействия между молекулами жидкости уменьшается. В результате значение поверхностного натяжения также уменьшается.
Применение концепций поверхностного натяжения в повседневной жизни
Вы когда-нибудь задавались вопросом, зачем стирать одежду с мылом? Проблема в том, что одежда, которую мы стираем, действительно чистая; вода должна пройти через очень узкий зазор в волокнах ткани. По этой причине необходимо увеличить площадь поверхности воды. Однако это очень сложно сделать из-за поверхностного натяжения. Неизбежно, сначала нужно снизить значение поверхностного натяжения. Мы можем уменьшить поверхностное натяжение, используя горячую воду. Чем выше температура воды, тем лучше, потому что чем выше температура воды, тем меньше поверхностное натяжение (см. таблицу). Это первый вариант, и он используется редко. Другой вариант — использовать мыло.
При температуре 20 ° C значение поверхностного натяжения мыльной воды составляет 25.00 мН/м. Попробуйте сравнить мыло и горячую воду: у какого из них наименьшее значение поверхностного натяжения? При 100 ° C значение поверхностного натяжения горячей воды равно 58.90. При температуре 20 ° C значение поверхностного натяжения мыла составляет 25.00 мН/м. Выгоднее использовать мыло. Выше описан лишь один из факторов, влияющих на это.
Почему мыльный или водяной пузырь круглый?
Мыльные пузыри или капли воды имеют круглую форму, потому что на них действует поверхностное натяжение. Сначала поговорим о мыльных пузырях. Мыльные пузыри имеют две тонкие мембраны на поверхности, а между ними находятся тонкие слои воды.
Наличие поверхностного натяжения вызывает сокращение мембраны и её стремление уменьшить площадь поверхности. Когда мембрана мыльной воды сокращается и пытается минимизировать свою площадь поверхности, возникает разница между давлением воздуха снаружи мембраны (атмосферным давлением) и давлением воздуха внутри слоя. Давление воздуха снаружи слоя (атмосферное давление) также толкает мембрану мыльной воды при её сокращении, поскольку давление воздуха внутри мембраны меньше.
После сокращения мембраны воздух внутри (воздух, запертый между двумя мембранами) вытесняется, увеличивая давление воздуха внутри слоя до тех пор, пока сокращение не прекратится. Другими словами, когда сокращение прекращается, величина давления воздуха между мембранами становится равной атмосферному давлению плюс сила поверхностного натяжения, вызывающая образование складок на слое.
А что насчет капель росы или капель воды, вытекающих из крана? То же самое, потому что основная причина — поверхностное натяжение. Если мыльные пузыри имеют две тонкие мембраны на двух поверхностях, то капли воды имеют только один тонкий слой, который находится снаружи. Внутри находится вода. Благодаря силе сцепления возникает поверхностное натяжение. Внешняя часть капли воды втягивается внутрь. В результате вода сжимается и стремится уменьшить свою площадь поверхности. Атмосферное давление снаружи также подавляет капли воды. Сжатие прекратится, когда давление внутри воды станет равным атмосферному давлению плюс сила поверхностного натяжения, которая сжимает мембрану воды.
