Понимание поверхностного натяжения
Поверхностное натяжение возникает из-за того, что поверхность жидкости стремится затвердеть, образуя тонкую мембраноподобную структуру. На это влияют силы сцепления между молекулами воды. Для лучшего понимания этого объяснения рассмотрим следующую иллюстрацию. Давайте рассмотрим жидкость в контейнере.
Молекулы жидкости обычно притягиваются друг к другу. Внутри жидкости каждая молекула жидкости окружена другими молекулами с каждой стороны; но на поверхности жидкости находятся только молекулы жидкости по бокам и снизу. Над ними нет других молекул жидкости. Поскольку молекулы жидкости притягиваются друг к другу, результирующая сила, действующая на молекулы внутри жидкости, равна нулю. И наоборот, молекулы жидкости на поверхности притягиваются молекулами жидкости по бокам и снизу. В результате на поверхности жидкости возникает результирующая сила, направленная вниз. Из-за этой результирующей силы, направленной вниз, жидкость на поверхности стремится уменьшить свою площадь поверхности, максимально сжимаясь.
В результате слой жидкости на поверхности выглядит так, как будто он покрыт тонкой эластичной мембраной.
Когда зажим аккуратно помещают на поверхность воды, молекулы воды, находящиеся на поверхности, несколько сдавливаются. гравитация зажим, так что расположенные под ним молекулы воды создают восходящую восстанавливающую силу, поддерживающую зажим (ещё раз вспомните). упругость и закон Гука).
На самом деле, скрепки — не единственное, что можно использовать; в качестве игл можно использовать и другие предметы, например, иглы. Если аккуратно положить иглу на поверхность воды, она всплывет. Именно поэтому насекомые могут плавать на воде.
Уравнение поверхностного натяжения
Для вывода уравнения поверхностного натяжения рассмотрим проволоку, изогнутую в U-образную форму. К двум концам U-образной проволоки прикреплена другая прямая проволока, которую можно перемещать.
Если эту проволоку поместить в мыльный раствор, то после его извлечения на поверхности проволоки образуется слой мыльной воды. Это похоже на игру с мыльными пузырями. Поскольку прямую проволоку можно перемещать, и её масса не слишком велика, слой мыльной воды будет оказывать на неё силу поверхностного натяжения, заставляя её двигаться вверх (обратите внимание на направление стрелки). Чтобы проволока оставалась неподвижной (она находится в равновесии), необходима суммарная сила, направленная вниз, величина которой равна F = w + T. В состоянии равновесия F = сила, действующая со стороны слоя мыльной воды на прямую проволоку.
Предположим, длина прямой проволоки равна l. Поскольку слой мыльной воды, соприкасающийся с проволокой, имеет две поверхности, сила, создаваемая слоем мыльной воды, действует вдоль длины 2l. Поверхностное натяжение на мыльном слое — это отношение силы (F) к длине поверхности, на которой действует сила (d). В данном случае длина поверхности равна 2l. Математически это записывается так:
Поскольку поверхностное натяжение — это отношение силы к единице длины, единицы измерения — ньютон на метр (Н/м) или дин на сантиметр (дин/см).
Ниже приведены некоторые значения поверхностного натяжения, полученные экспериментальным путем.
На основании приведенных выше данных можно сделать вывод, что температура влияет на поверхностное натяжение жидкости. Как правило, с повышением температуры его значение уменьшается. Это происходит потому, что с повышением температуры молекулы жидкости движутся быстрее, уменьшая взаимодействие между ними. Следовательно, значение поверхностного натяжения также уменьшается.
Применение в повседневной жизни
Вы когда-нибудь задумывались, почему мы стираем одежду с мылом? Проблема в том, что для получения действительно чистой одежды вода должна проходить через очень узкие зазоры в волокнах. Для этого необходимо увеличить площадь поверхности воды. Этого очень трудно достичь из-за поверхностного натяжения. Нравится вам это или нет, но сначала необходимо снизить поверхностное натяжение воды. Мы можем снизить поверхностное натяжение, используя горячую воду. Чем выше температура воды, тем лучше, поскольку чем выше температура воды, тем ниже поверхностное натяжение (см. таблицу). Это первый вариант, и он используется редко, за исключением тех, кто любит экспериментировать с горячей водой. Другой вариант — использование мыла.
При температуре 20 oC. Значение поверхностного натяжения мыльной воды составляет 25,00 мН/м. Попробуйте сравнить мыльную воду и горячую воду, у какой из них наименьшее значение? При 100 oC, значение поверхностного натяжения горячей воды = 58,90. При температуре 20 oC. Поверхностное натяжение мыльной воды составляет 25,00 мН/м. Использование мыла более выгодно… вода также не горячая. Существуют и другие факторы, влияющие на то, насколько хорошо мы можем очистить одежду или тело с помощью мыла. Таким образом, вышеперечисленное — лишь один из факторов.
Почему мыльные или водяные пузыри имеют круглую форму?
Мыльные пузыри, или капли воды, имеют сферическую форму благодаря поверхностному натяжению. Давайте сначала обсудим мыльные пузыри. На поверхности мыльных пузырей находятся две тонкие мембраны, между которыми расположен тонкий слой воды.
Поверхностное натяжение вызывает сокращение мембраны, стремясь уменьшить её площадь поверхности. Когда мембрана из мыльной воды сокращается и пытается уменьшить свою площадь поверхности, возникает разница давлений воздуха между внешней стороной мембраны (атмосферное давление) и внутренней стороной мембраны. Давление воздуха снаружи мембраны (атмосферное давление) также толкает мембрану из мыльной воды при её сокращении, поскольку давление воздуха внутри мембраны ниже.
После сокращения мембраны воздух внутри (воздух, запертый между двумя мембранами) также сжимается, увеличивая давление воздуха внутри мембраны до тех пор, пока сокращение не прекратится. Другими словами, когда сокращение прекращается, давление воздуха между мембранами становится равным атмосферному давлению плюс сила поверхностного натяжения, вызывающая сокращение мембран.
А что насчет капель росы или капель воды, вытекающих из крана? По сути, это одно и то же, поскольку основной причиной является поверхностное натяжение. В то время как мыльный пузырь имеет две тонкие мембраны на своих двух поверхностях, капля воды имеет только одну тонкую мембрану, снаружи. Внутри она заполнена водой. Внешняя сторона капли втягивается внутрь. В результате вода сжимается, стремясь уменьшить свою площадь поверхности. Внешнее атмосферное давление также способствует сжатию капли воды. Сжатие прекращается, когда давление внутри воды равно атмосферному давлению плюс сила, которая сжимает мембрану воды.
