- Загальні відомості
- Обчислення поверхневого натягу
- Про термінології
- Механізм роботи поверхневого натягу
- Приклади поверхневого натягу в роботі
- Каплі води
- Зміна поверхневого натягу при зміні температури і хімічного складу речовини
- Поверхневий натяг в капілярах
- Предмети, плаваючі на поверхні рідини
- Форма крапель, які пристали до твердої поверхні
- «Сльози вина»
- Поверхневий натяг в медичній діагностиці
- В природі
- Вимірювання поверхневого натягу
Загальні відомості
Обчислення поверхневого натягу
Про термінології
Механізм роботи поверхневого натягу
Приклади поверхневого натягу в роботі
Каплі води
Зміна поверхневого натягу при зміні температури і хімічного складу речовини
Поверхневий натяг в капілярах
Предмети, плаваючі на поверхні рідини
Форма крапель, які пристали до твердої поверхні
«Сльози вина»
Поверхневий натяг в медичній діагностиці
В природі
Вимірювання поверхневого натягу
Загальні відомості
Поверхневий натяг - властивість рідини протистояти силі, яка на неї діє. У порівнянні з іншими рідинами, поверхневий натяг води одне з найвищих. Це властивість води викликано її молекулярною структурою, завдяки якій зв'язки між молекулами набагато міцніше, ніж у інших рідин.
Поверхневий натяг залежить від самої рідини і її молекулярної структури, але також і від того, з яким матеріалом ця рідина стикається. Коли мова йде про поверхневому натягу в тваринному світі і в багатьох інших прикладах, наведених нижче, то зазвичай розглядають або систему вода-повітря, або водні розчини різних речовин, так як це найпоширеніші системи, які зустрічаються в природі.
Обчислення поверхневого натягу
Лавове лампа - приклад системи рідина-рідина
Щоб збільшити площу поверхні води, тобто, щоб розтягнути цю поверхню, потрібно зробити механічну роботу з подолання сил поверхневого натягу. Якщо до рідини не додано інші зовнішні сили, вона прагне прийняти форму, при якій площа поверхні цієї рідини мінімальна. Як ми побачимо нижче, найбільш оптимальною формою є куля. В умовах невагомості рідина дійсно приймає форму кулі. Потенційну енергію поверхневого натягу знаходять за формулою:
Тут σ - це коефіцієнт поверхневого натягу, а S - загальна площа рідини. Цю формулу також можна виразити як:
Як видно з цієї формули, коефіцієнт поверхневого натягу σ виражається в джоулях на квадратний метр (Дж / м² = Н / м). Тобто, коефіцієнт поверхневого натягу при постійній температурі рідини дорівнює роботі, яку необхідно виконати, щоб збільшити поверхню рідини на одиницю площі. Згадаймо, що джоуль дорівнює Ньютону, помноженому на метр, і отримаємо ще одну одиницю для вимірювання поверхневого натягу - ньютон на метр (Н / м).
Про термінології
Поверхневий натяг виникає не тільки в системах повітря-рідина. Найчастіше, коли говорять про силу на довжину, мають на увазі поверхневий натяг в системах рідина-газ. Іноді мова йде про системах рідина-рідина, які теж мають поверхневий натяг. Приклад системи рідина-рідина, в якому можна говорити про поверхневому натягу - це лавові лампи. Коли лампа вимкнена, то парафін в ній знаходиться в твердому стані, але коли вона включена, він нагрівається, тане, і піднімається вгору, так як в нагрітому стані парафін легше рідини, в якій він знаходиться, а в холодному - важче.
Механізм роботи поверхневого натягу
Кожна молекула в рідини діє на навколишні молекули з певною силою. Відповідно, на кожну молекулу також діє ряд сил з різних напрямків зі сторін інших молекул. Дія цих сил між молекулами показано на ілюстрації. Ці сили виникають завдяки тому, що атоми водню і кисню, з яких складається вода, притягуються один до одного через різницю зарядів (негативний заряд кисню притягається до позитивного заряду водню). Ці сили притягують молекули в різні боки, у напрямку один до одного.
Поверхневий натяг можливо завдяки силам тяжіння між частинками одного речовини
Ситуація з молекулами на поверхні речовини складається трохи інакше, так як величина сили, з якою молекули повітря діють на молекули води набагато менше, ніж сили, з якою молекули води діють один на одного. Як показано на ілюстрації, сили, що діють на молекули на поверхні рідини, менше, ніж сили, що діють на всі інші молекули всередині речовини. Сили, що діють на ці молекули, діють на них зі сторін, з яких вони оточені іншими молекулами води, але не з поверхні. Завдяки цьому молекули на поверхні притягуються всередину рідини з більшою силою, ніж вони притягуються в сторону поверхні. Через це на поверхні утворюється набагато більше «міцний» шар води. Сили, що діють на молекули на поверхні, змушують поверхню стискатися, щоб якомога сильніше зменшити площу поверхні. У порівнянні з іншими зв'язками, ці зв'язки набагато важче зруйнувати.
Вода утворює увігнутий меніск в піпетці з водою
Сили, які діють на молекули води, обумовлюють наявність двох властивостей води - адгезії і когезії. Когезия - це властивість молекул одного і того ж речовини притягатися один до одного. Як ми побачили з попередніх прикладів, молекули води мають високу когезией. Саме завдяки когезії можливо поверхневий натяг.
Адгезія, навпаки, властивість молекул різних речовин або матеріалів притягатися один до одного. Наприклад, якщо адгезія між рідиною і посудиною велика, то рідина «підіймається» по поверхні судини, в той час як область в центрі рідини залишається на місці. Це добре видно на прикладі води в скляній посудині - вода утворює увігнутий меніск, якщо налити її в вузький посудину.
Увігнутий меніск утворюється в трубці або капілярі, частково наповненому водою, завдяки тому, що вода пристає до стінок через адгезії. Якщо ж склянку або трубка наповнені по вінця, то меніск, навпаки, опуклий, завдяки когезії молекул води
Скінчено, увігнутий меніск утворюється в будь-якому скляній посудині, якщо той не дуже повний, але цей ефект набагато легше побачити у вузькому посудині, наприклад у трубці. Варто зауважити, що на ілюстрації повного склянки меніск опуклий. Це викликано тим, що воді нема за що «зачепитися», крім як за інші молекули води. Опукла форма меніска викликана когезией між молекулами води. Процес утворення опуклого меніска схожий на процес формування крапель води, який описаний нижче.
Якщо адгезія між поверхнею речовини і рідини мала, то меніск буде опуклим. Це викликано тим, що молекули рідини притягуються до інших молекул рідини сильніше, ніж вони притягуються до поверхні судини. Наочний приклад такого меніска: ртуть. Якщо у вас є вимірювальний прилад з ртуттю всередині, наприклад термометр, то ви легко побачите цей меніск.
Приклади поверхневого натягу в роботі
Приклади поверхневого натягу в побуті і техніці оточують нас повсюдно. Найлегше побачити ефект поверхневого натягу в системах вода-повітря.
Висять краплі. У міру того, як краплі рухаються вниз, їх форма наближається до форми кулі.
Каплі води
Освіта крапель сферичної форми також відбувається завдяки силам, які притягують молекули поверхні рідини всередину. Уявімо краплю, як її часто малюють діти - її форма зовсім сферична, а довгаста, подовжена зверху і округлена знизу. Найпоширеніше зображення краплі має таку форму тому, що ми найчастіше бачимо краплі саме такими, коли на них діють різні сили. Наприклад, так виглядають краплі, які скочуються по поверхні листя і гілок дерев, а потім стікають вниз.
Завдяки поверхневому натягу форма крапель води наближена до сферичної, але це не зовсім куля, так як на краплю діють різні сили
Коли крапля ще не скла з поверхні, на якій вона знаходиться, на неї діє кілька сил, включаючи силу тяжіння. Вода легко змінює форму, і крапля, перед тим як впасти вниз, розтягнута і являє собою висячу краплю. Нам добре знайома ця форма, так як такі краплі, на відміну від сферичних, рухаються досить повільно, і їх легко побачити.
У міру того, як крапля розтягується, вона досягає точки максимального розтягування, після якої сили поверхневого натягу не можуть більше утримувати молекули краплі як єдине ціле. Крапля відривається від інших молекул води і падає вниз. Поки вона летить вниз, вплив оточуючих сил на неї зменшується, і завдяки поверхневому натягу її форма стає сферичної, як ми обговорили вище.
Кава з вершками
Як видно на фотографії кавовій краплі, яка падає в чашку з кавоварки еспресо, форма цієї краплі дуже близька до сферичної, хоча вона трохи деформована силою тяжіння, яка на неї діє.
Щоб зрозуміти механізм утворення сферичної краплі, можна також розглянути поверхневий натяг з точки зору енергії, як у визначенні цього явища вище. Частинки притягуються до інших частинок з протилежним зарядом, тому можна сказати, що у цих частинок є потенційна енергія, яка залежить від того, як ці молекули взаємодіють з оточуючими молекулами. Молекули на поверхні рідини не оточені іншими молекулами з боку поверхні, тому їх потенційна енергія вище. Така система прагне зменшити потенційну енергію, згідно з принципом мінімальної потенційної енергії. Це означає, що молекули з більш високою потенційною енергією прагнуть зменшити її, наприклад, змінюючи свою форму. У нашому випадку це досягається зміною форми, яку приймає вода.
При постійному поверхневому натягу потенційну енергію можна зменшити, зменшивши площу. Важливо пам'ятати, що мова йде про площу між молекулами. Розглянувши формули обчислення площі різних геометричних фігур зауважимо, що куля найкраще підходить для зменшення площі між молекулами, тобто ця площа для молекул по зовнішній поверхні кулі мінімальна в порівнянні з іншими геометричними формами. Цю залежність можна довести, використовуючи рівняння Ейлера - Лагранжа.
Мило, доданий в воду, зменшує її поверхневий натяг, але незважаючи на це, поверхневого натягу досить для того, щоб підтримувати форму оболонки кулі. Легкість, з якою мильні бульбашки відокремлюються від мильного розчину, і низька стабільність форми мильних бульбашок (вони можуть лопнути в будь-який момент) - результат низького поверхневого натягу
Зміна поверхневого натягу при зміні температури і хімічного складу речовини
Варто зауважити, що при збільшенні температури поверхневий натяг зменшується. Це відбувається тому, що при збільшенні температури молекули стають більш активними і інтенсивність їх коливань зростає. В результаті відстань між молекулами збільшується і зв'язку між молекулами слабшають. Деякі речовини, додані у воду, наприклад, мило, також зменшують поверхневий натяг, і це дозволяє воді краще приставати до інших поверхонь.
Знижений поверхневий натяг дозволяє воді проникати в пори і важкодоступні отвори, наприклад між волокнами тканини. Це можливо завдяки тому, що молекули води легко відокремлюються одна від одної при зниженому поверхневому натягу. Саме тому тканини, посуд, і інші предмети і поверхні найчастіше миють гарячою водою. Миючі засоби мають такий же ефект щодо зменшення поверхневого натягу, що і нагрівання, тому їх також нерідко використовують для миття поверхонь, часто в сукупності з гарячою водою.
Поверхневий натяг в капілярах
Вище ми розглянули освіту меніска завдяки адгезії, але це не єдиний приклад того, як рідини поводяться в вузьких трубках і капілярах. Рідини піднімаються вгору по капіляри або трубці завдяки адгезії, але для того, щоб рідина могла піднятися по трубці як одне ціле, що не розірвавшись, крім адгезії також потрібна когезия. Чим вже капіляр, тим вище може піднятися рідина, так як в більш широкій трубці поверхневого натягу може бути недостатньо для того, щоб підняти велику кількість води вгору.
Прикладами цього явища в капілярах є паперові рушники, які вбирають пролиту рідину, спортивна одяг з тканини, яка вбирає піт, і коріння, які вбирають воду з землі і пересувають її по стовбуру, до гілок і листя. Варто зауважити, що такий рух рідини може бути викликано не тільки поверхневий натяг, а й осмосом. Цікаве явище в індуїстських храмах, відоме як молочне чудо також пояснюють роботою капілярів. Молочне диво полягало в наступному. Відвідувачі одного з індуїстських храмів в Індії помітили, що статуї богів на території храму «пили» молоко, яке перед ними залишали на тарілочках віруючі. Це явище було відмічено в деяких інших храмах Індії, а також за межами країни. Вчені пояснюють це явище роботою капілярів: камінь, з якого були викарбувані статуї був пористим, і молоко піднімалося по капілярах всередину статуй.
Як видно з цих прикладів, без поверхневого натягу не було б і явищ руху рідини по капілярах. Рідина може пристати до стінок посудини, якщо адгезія між рідиною і матеріалом судини висока, але без поверхневого натягу вона не може поповзти вгору, так як вона не може рухатися як одне ціле.
Булавка, плаваюча на поверхні води
Предмети, плаваючі на поверхні рідини
Речі, які не намокають в рідини і мають щільність вище щільності води, можуть триматися на поверхні води за рахунок рівноваги між силами, завдяки яким виникає поверхневий натяг і силам, які тягнуть тіло вниз, наприклад вагою тіла. Тут ми говоримо тільки про тіла з водостійких матеріалів. Якщо вода проникає всередину матеріалу або пристає до оболонки, то картина значно ускладнюється. Це властивість тіла залишатися на поверхні легко продемонструвати на прикладі скріпки або голки, плаваючою на поверхні води. Обережно опустимо скріпку в воду, намагаючись не докладати силу, більшу сили поверхневого натягу. Щоб зменшити кількість води, яке пристає до поверхні скріпки і змушує її опуститися під воду, покриємо скріпку маслом. Якщо ми опустили скріпку на воду досить акуратно, то вона залишиться на поверхні води.
Крапля води падає на лист цикламена
Форма крапель, які пристали до твердої поверхні
В описаних раніше прикладах ми побачили, що краплини води прагнуть досягти сферичної форми, щоб зменшити потенційну енергію в системі. Іноді неможливо досягти форми кулі, тому краплі приймають форму, найбільш до нього близьку. Якщо крапля води впала на тверду поверхню і пристала до неї, то нижня частина краплі, яка стикається з цією поверхнею, прийме форму цієї поверхні, наприклад, стає плоскою. Це відбувається тому, що сила тяжіння притягує краплю до поверхні. Поверхня краплі, яка стикається тільки з повітрям, буде, навпаки, наближена до форми кулі. В результаті, краплі на плоских поверхнях, наприклад на аркуші або на склі, набуває форму півкулі.
Коли краплі падають на тверду поверхню, вони приймають форму, яка дозволяє зменшити площу, і залишаються в такому вигляді до тих пір, поки рівновага між силами не порушується настільки, що поверхневий натяг не може більше утримувати краплю на поверхні в цій формі. Наприклад, краплі роси залишаються на тканині намету до тих пір, поки вони не стикнуться з іншою поверхнею. Коли краплі утворилися зовні, якщо доторкнутися тканину намети зсередини і прибрати руку, то поверхневий натяг порушиться настільки, що краплі проникнуть через тканину намети і вода залишиться на пальцях.
сльози вина
«Сльози вина»
Цікаве явище можна побачити, якщо налити в келих алкогольний напій, наприклад вино, особливо коли це вино з високим вмістом алкоголю. На стінках цього келиха утворюються краплі води, відомі під назвою «сльози вина».
Це явище викликане цілою низкою чинників, включаючи різницю в поверхневому натягу етилового спирту і води. Як ми вже згадували вище, поверхневий натяг води велике, в порівнянні з іншими рідинами. Воно у багато разів перевищує поверхневий натяг етилового спирту. У сумішах води і спирту, як, наприклад, у вині, молекули води притягуються один до одного більше, ніж до молекул спирту. Через це вода «тікає» від молекул спирту, вгору по стінках келиха. Іншими словами, вода рухається від молекул етанолу у напрямку до молекул води.
У вини в келиху етанол, звичайно, є, але на поверхні склянки над рівнем вина його немає, тому вода рухається саме вгору по стінках келиха. При цьому на стінках над рівнем вина утворюються краплі, схожі на сльози. Звідси і назва цього явища.
Чим більше води збирається в краплі, і чим вище вона піднімається, тим складніше їй утримуватися на склі тільки завдяки поверхневому натягу. Зрештою, крапля стікає назад в стакан. Чим вищий вміст спирту у вині, тим більше виражений цей ефект.
Поверхневий натяг в медичній діагностиці
Лікарі використовують інформацію про поверхневому натягу речовини, щоб визначити його зміст в суміші. Наприклад, для деяких форм жовтяниці характерний високий вміст жовчних солей в сечі. Присутність цих солей знижує поверхневий натяг сечі, і тому їх зміст можна визначити, перевіривши, спливає чи або тоне певну речовину в сечі, в нашому випадку - порошок сірки. Він не тоне в сечі здорового пацієнта, але якщо в ній є домішка жовчних солей, то поверхневий натяг недостатньо, і порошок сірки тоне. Цей тест називають тестом Хея.
водомір
В природі
Поверхневий натяг води широко використовується тваринами. Комахи, наприклад водоміри, і рептилії, наприклад, василіски, використовують високий поверхневий натяг води для пересування по її поверхні. Вони можуть не тільки ходити, але навіть бігати по воді. Для цього вони контролюють розподіл ваги по поверхні води, намагаючись звести цю вагу до мінімуму на одиницю площі. Завдяки цьому вони не порушують поверхню води, а тільки розтягують її, і не падають в воду. Дізнатися докладніше про це явище можна в статті Поверхневий натяг в природі .
Вимірювання поверхневого натягу
Є кілька способів знайти поверхневий натяг, використовуючи різні вимірювальні прилади. Нижче розглянемо кілька широко відомих вимірювальних систем.
У пристроях першого типу вимірюється сила, прикладена до вимірювального приладу в результаті поверхневого натягу. При вимірюванні за методом відриву кільця дю Нуї і методу дю Нуї-Паде оцінюється сила, необхідна для підняття з поверхні рідини кільця або голки, відповідно. Згідно з третім законом Ньютона, сила, прикладена до кільця або голці завдяки поверхневому натягу, коли ми піднімаємо їх з поверхні рідини, дорівнює за величиною силі, яка потрібна, щоб підняти ці предмети з поверхні води. Тобто, вимірюючи силу, яка потрібна для підняття ці предметів, ми також отримуємо величину сили, яка перешкоджає їх підйому.
Метод Вильгельми вимірює силу, яка діє на металеву пластину, занурену в рідину, поверхневий натяг якої вимірюють. Рідина пристає до пластини, до кільця або до голки (як в попередніх методах вимірювання), і поверхневий натяг утримує молекули рідини, що пристали до поверхні, а також і інші молекули разом, як єдине ціле. Тобто, рідина «не відпускає» пластину, кільце або голку. Матеріал, з якого виготовлена пластина, відомий, також як і те, наскільки сильно вода пристає до цього матеріалу, і це враховують при обчисленні сили.
Поверхневий натяг можна також знайти, використовуючи вагу крапель води, які падають з вертикальної трубки або капіляра. Цей метод називається сталагмометріческім, а пристрій, яким вимірюють поверхневий натяг - сталогмометром. Поверхневий натяг рідини легко обчислити по вазі краплі, так як вага і поверхневий натяг взаємопов'язані. Якщо відомий діаметр трубки, то вага краплі можна визначити за кількістю крапель в певній кількості рідини.
Метод визначення за формою висить краплі схожий на попередній тим, що в ньому також використовують краплю для визначення сили поверхневого натягу. В цьому випадку вимірюють наскільки крапля може подовжиться перед тим, як вона відокремиться від решти рідини і впаде вниз.
Існують також вимірювальні прилади, які розкручують рідина і газ (для систем рідина-газ) до тих пір, поки система не досягне рівноваги, і форма речовини не стане постійною. При цьому визначають поверхневий натяг за формою речовини з меншою щільністю. Цей метод вимірювання поверхневого натягу називають методом обертової краплі.
література
Автор статті: Kateryna Yuri
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
Корзина пуста
