Что такое поверхностное натяжение? Определение и эксперименты

Поверхностное натяжение - это явление, при котором поверхность жидкости, в которой жидкость контактирует с газом, действует как тонкий упругий лист. Этот термин обычно используется только тогда, когда поверхность жидкости находится в контакте с газом (например, воздухом). Если поверхность находится между двумя жидкостями (такими как вода и масло), это называется «натяжение поверхности раздела».

Различные межмолекулярные силы, такие как силы Ван-дер-Ваальса, сближают частицы жидкости. Вдоль поверхности частицы притягиваются к остальной части жидкости, как показано на рисунке справа.

Поверхностное натяжение (обозначается греческой переменной гамма) определяется как отношение поверхностной силы F на длину d вдоль которого действует сила:

гамма = F / d

Единицы поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение измеряется в Единицы СИ Н / м (ньютон на метр), хотя более распространенной единицей является единица измерения в кгс дин / см (дина на сантиметр).

Чтобы рассмотреть термодинамику ситуации, иногда полезно рассмотреть ее с точки зрения

Эти силы связывают поверхностные частицы вместе. Хотя это связывание слабое - все-таки довольно легко разбить поверхность жидкости - оно проявляется во многих отношениях.

Капли воды. При использовании капельницы вода течет не непрерывным потоком, а в виде серии капель. Форма капель обусловлена ​​поверхностным натяжением воды. Единственная причина, по которой капля воды не является полностью сферической, заключается в том, что на нее действует сила гравитации. В отсутствие силы тяжести капля будет минимизировать площадь поверхности, чтобы минимизировать натяжение, что приведет к совершенно сферической форме.

Насекомые гуляют по воде. Несколько насекомых могут ходить по воде, например, водный мошенник. Их ноги сформированы, чтобы распределить их вес, заставляя поверхность жидкости впадать, минимизируя потенциал энергии, чтобы создать баланс сил, чтобы бродяга мог перемещаться по поверхности воды, не прорываясь через поверхность. Это похоже на концепцию ношения снегоступов для прогулок по глубоким сугробам без погружения ног.

Игла (или скрепка), плавающая на воде. Даже если плотность этих объектов больше, чем у воды, поверхностного натяжения вдоль впадины достаточно, чтобы противодействовать силе гравитации, стягивающей металлический объект. Нажмите на картинку справа, затем нажмите «Далее», чтобы просмотреть диаграмму сил этой ситуации, или попробуйте уловку с плавающей иглой.

Когда вы дуете мыльный пузырь, вы создаете сжатый пузырь воздуха, который содержится в тонкой эластичной поверхности жидкости. Большинство жидкостей не могут поддерживать стабильное поверхностное натяжение для образования пузырьков, поэтому мыло обычно используется в этом процессе... он стабилизирует поверхностное натяжение благодаря так называемому эффекту Марангони.

Когда пузырь выдувается, поверхностная пленка имеет тенденцию к сжатию. Это приводит к увеличению давления внутри пузырька. Размер пузыря стабилизируется на уровне, при котором газ внутри пузыря не будет сжиматься дальше, по крайней мере, не лопнув пузырем.

На самом деле, на мыльном пузыре есть две границы раздела жидкость-газ: одна внутри пузыря, а другая снаружи пузыря. Между двумя поверхностями находится тонкая пленка жидкости.

Сферическая форма мыльного пузыря обусловлена ​​минимизацией площади поверхности - для данного объема сфера всегда является формой с наименьшей площадью поверхности.

Чтобы учесть давление внутри мыльного пузыря, рассмотрим радиус р пузыря, а также поверхностное натяжение, гамма, из жидкости (мыло в данном случае - около 25 дин / см).

Мы начнем с предположения об отсутствии внешнего давления (что, конечно, не соответствует действительности, но об этом мы позаботимся чуть позже). Затем вы рассматриваете поперечное сечение через центр пузыря.

Вдоль этого поперечного сечения, игнорируя очень небольшую разницу во внутреннем и внешнем радиусе, мы знаем, что окружность будет 2число Пир. Каждая внутренняя и внешняя поверхность будет иметь давление гамма по всей длине, итого итого. Таким образом, общая сила от поверхностного натяжения (как от внутренней, так и от внешней пленки) составляет 2гамма (2пи р).

Внутри пузыря, однако, у нас есть давление п который действует по всему сечению пи р², в результате чего общая сила п(пи р²).

Поскольку пузырь устойчив, сумма этих сил должна быть равна нулю, поэтому мы получаем:

2 гамма (2 пи р) = п( пи р²)
или
п = 4 гамма / р

Очевидно, это был упрощенный анализ, где давление за пределами пузырька было равно 0, но его легко расширить, чтобы получить разница между внутренним давлением п и внешнее давление п_е:

п - п_е = 4 гамма / р

Анализируя каплю жидкости, в отличие от мыльный пузырь, проще. Вместо двух поверхностей следует учитывать только внешнюю поверхность, поэтому коэффициент 2 выпадает из более раннее уравнение (помните, где мы удвоили поверхностное натяжение, чтобы учесть две поверхности?), чтобы Уступать:

п - п_е = 2 гамма / р

Поверхностное натяжение возникает во время раздела газ-жидкость, но если этот интерфейс вступает в контакт с твердая поверхность - например, стенки контейнера - поверхность раздела обычно изгибается или опускается поверхность. Такая вогнутая или выпуклая форма поверхности известна как мениск

Угол контакта, тета, определяется, как показано на рисунке справа.

Угол контакта может использоваться для определения взаимосвязи между поверхностным натяжением жидкость-твердое тело и поверхностным натяжением жидкость-газ следующим образом:

гамма_Ls = - гамма_Л.Г. соз тета

где

• гамма_Ls поверхностное натяжение жидкости и твердого тела
• гамма_Л.Г. поверхностное натяжение жидкого газа
• тета угол контакта

В этом уравнении нужно учитывать одну вещь: в случаях, когда мениск выпуклый (т.е. угол контакта больше 90 градусов), косинус компонента этого уравнения будет отрицательным, что означает, что поверхностное натяжение жидкости и твердого тела будет положительны.

Если, с другой стороны, мениск вогнутый (т.е. опускается вниз, так что угол контакта меньше 90 градусов), то cos тета термин является положительным, и в этом случае отношения приведут к отрицательный поверхностное натяжение жидкости и твердого тела!

По сути это означает, что жидкость прилипает к стенкам контейнера и является работать, чтобы максимизировать площадь контакта с твердой поверхностью, чтобы минимизировать общий потенциал энергия.

Другим эффектом, связанным с водой в вертикальных трубках, является свойство капиллярности, при котором поверхность жидкости поднимается или опускается внутри трубки по отношению к окружающей жидкости. Это также связано с наблюдаемым углом контакта.

Если у вас есть жидкость в контейнере, и поместите узкую трубку (или капиллярный) радиуса р в контейнер, вертикальное смещение Y что будет происходить внутри капилляра, определяется следующим уравнением:

Y = (2 гамма_Л.Г. соз тета) / ( DGR)

где

• Y вертикальное смещение (вверх, если положительное, вниз, если отрицательное)
• гамма_Л.Г. поверхностное натяжение жидкого газа
• тета угол контакта
• d плотность жидкости
• грамм это ускорение силы тяжести
• р это радиус капилляра

НОТА: Еще раз, если тета больше 90 градусов (выпуклый мениск), что приводит к отрицательному поверхностному натяжению жидкости и твердого тела, уровень жидкости будет понижаться по сравнению с окружающим уровнем, в отличие от повышения по отношению к Это.

Капиллярность проявляется во многих отношениях в повседневной жизни. Бумажные полотенца впитывают сквозь капиллярность. При горении свечи расплавленный воск поднимается вверх по фитилю за счет капиллярности. В биологии, хотя кровь перекачивается по всему телу, именно этот процесс распределяет кровь по самым маленьким кровеносным сосудам, которые называются, соответственно, капилляры.

Необходимые материалы:

• От 10 до 12 кварталов
• стакан, полный воды

Медленно и устойчивой рукой поочередно подведите четверти к центру стакана. Поместите узкий край квартала в воду и отпустите. (Это сводит к минимуму разрушение поверхности и предотвращает образование ненужных волн, которые могут вызвать переполнение.)

По мере того, как вы продолжаете работать с большим количеством четвертей, вы будете удивлены, насколько выпуклая вода становится поверх стекла без переполнения!

Возможный вариант: Выполните этот эксперимент с одинаковыми очками, но используйте разные типы монет в каждом стекле. Используйте результаты того, сколько можно ввести, чтобы определить соотношение объемов разных монет.

Необходимые материалы:

• вилка (вариант 1)
• кусок папиросной бумаги (вариант 2)
• швейная иголка
• стакан, полный воды

Поместите иглу в вилку, осторожно опуская ее в стакан с водой. Осторожно вытяните вилку, и иглу можно оставить плавающей на поверхности воды.

Этот трюк требует по-настоящему устойчивой руки и некоторой практики, потому что вы должны снять вилку таким образом, чтобы части иглы не промокли... или игла будет тонуть. Вы можете втирать иглу между пальцами заранее, чтобы «смазать» ее, чтобы увеличить ваши шансы на успех.

Вариант 2 Трюк

Поместите иглу в маленький кусочек тонкой бумаги (достаточно большой, чтобы удерживать иглу). Игла размещена на папиросной бумаге. Папиросная бумага пропитается водой и опускается на дно стакана, оставляя иглу на поверхности.

Необходимые материалы:

• зажженная свеча (НОТА: Не играйте со спичками без разрешения родителей и присмотра!)
• воронка
• моющий или мыльный раствор

Поместите большой палец на маленький конец воронки. Осторожно поднесите его к свече. Уберите большой палец, и поверхностное натяжение мыльного пузыря заставит его сжиматься, вытесняя воздух через воронку. Воздуха, вытесненного пузырем, должно быть достаточно, чтобы погасить свечу.

Для некоторого связанного эксперимента посмотрите Ракетный Шар.

Необходимые материалы:

• лист бумаги
• ножницы
• растительное масло или жидкое моющее средство для посудомоечной машины
• большая миска или форма для кекса

После того, как вы вырежете рисунок «Бумажная рыбка», поместите его на емкость для воды, чтобы он плавал на поверхности. Поместите каплю масла или моющего средства в отверстие в середине рыбы.

Моющее средство или масло вызовут падение поверхностного натяжения в этом отверстии. Это заставит рыбу двигаться вперед, оставляя след масла при движении по воде, не останавливаясь, пока масло не снизит поверхностное натяжение всей чаши.

В таблице ниже приведены значения поверхностного натяжения, полученные для разных жидкостей при различных температурах.

Экспериментальные значения поверхностного натяжения

Отредактировано Энн Мари Хельменстин, доктор философии