Поверхностное натяжение это одно из основных свойств реальной жидкости — внутреннее трение или вязкость, поверхностные явления: поверхностное натяжение, смачиваемость, мениски, капиллярность и др.
Жидкое состояние вещества характеризуется значительно меньшим расстоянием между молекулами, чем в газе.
Более значительными силами притяжения между молекулами и весьма значительными силами отталкивания, проявляющимися при объемном сжатии.
Формула поверхностного натяжения ε = σS, где σ коэффициент поверхностного натяжения, S полная площадь жидкости.
Что такое поверхностное натяжение и капиллярность
Молекулярное движение частиц жидкости — это, в основном, колебательное движение около среднего положения. Поступательное движение ограничивается обменом местами с соседними частицами.
Рассмотрим молекулярные силы, действующие на молекулы В и А, находящиеся в глубине и в поверхностном слое жидкости (рис. 2, а). Молекула В окружена со всех сторон другими молекулами. Силы притяжения этих молекул действуют на нее равномерно во всех направлениях, и молекула В находится в равновесии.
Молекула А окружена молекулами жидкости только с нижней стороны, сверху ее окружают молекулы газа — воздуха или паров жидкости, силы притяжения которых ничтожны.
Каждую из сил, действующих на молекулу А со стороны других молекул жидкости, можно разложить на две составляющие, направленные одна вдоль (касательно) поверхности и другая — ей перпендикулярно.
Складываясь между собой, составляющие, перпендикулярные поверхности, дают силу fп, направленную в глубь массы жидкости, касательные составляющие образуют равные и противоположные силы fк, направленные вдоль поверхности (рис. 2, б).
Что такое молекулярное давление жидкости
Силы fп оказывают на жидкость давление, которое вызывает сближение молекул и уравновешивается силами их отталкивания. Это давление называется молекулярным давлением жидкости.
Молекулярное давление не действует на тело, погруженное в жидкость (и потому не может быть обнаружено с помощью приборов), так как оно обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости.
В соответствии с величиной молекулярных сил оно имеет порядок десятков и тысяч атмосфер. В связи с его наличием действие на жидкость давлений, образуемых внешними силами и значительно меньших по величине, уже не вызывает ее дополнительного сжатия.
Это явление характеризуют как несжимаемость жидкости.
Силы fк, взаимно уравновешиваясь по отношению к каждой молекуле в отдельности, в то же время связывают их между собой дополнительными силами притяжения, подобно тому как это имеет место между молекулами в растянутой упругой пленке. Суммарное действие этих сил называют поверхностным натяжением жидкости.
Поверхностное натяжение жидкости
Поверхностное натяжение жидкости характеризуют силой Fп, приложенной к контуру, ограничивающему поверхность жидкости.
Эта сила в каждой точке контура направлена касательно к поверхности жидкости и перпендикулярно к линии контура. В целом она действует так, что стремится сократить величину свободной поверхности жидкости.
Эта сила для смачивающих жидкостей уравновешивается равной ей по величине и противоположной по направлению силой F’п сцепления молекул жидкости и вещества стенок сосуда, ограничивающих свободную поверхность жидкости.
Наличие силы поверхностного натяжения можно показать, например, в опыте с мыльной пленкой.
На проволочной рамке ABCD (рис. 3) с легко подвижной перекладиной тп образована пленка из мыльного раствора в воде.
Пленка тянет перекладину вверх и чтобы удержать ее на месте, к ней подвешивается грузик q.
Он уравновешивает силу поверхностного натяжения двух слоев молекул (по обе стороны пленки), действующую на длине l перекладины.
Коэффициент поверхностного натяжения
Для характеристики свойств жидкости вводят величину, называемую коэффициентом поверхностного натяжения с, который численно равняется силе поверхностного натяжения Fп, приходящейся на единицу длины l контура, ограничивающего поверхность жидкости:
σ = Fп/l
Теперь для случая на рис. 3 можно написать q=2Fп=2σl. Из этого условия можно определить величину коэффициента поверхностного натяжения:
σ = q/2l
Единицей измерения для коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ является ньютон на метр (н/м). В системе СГС — дин/см.
Зависимость поверхностного натяжения от температуры
При повышении температуры расстояние между молекулами жидкости увеличивается, а силы притяжения соответственно уменьшаются.
Поэтому коэффициент поверхностного натяжения (особенно для чистых жидкостей) при повышении температуры значительно снижается
Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры для воды указана в таблице.
| t°c | 0 | 20 | 50 | 100 | |
| σ | н/м | 0,0750 | 0,0725 | 0,0679 | 0,0588 |
| дин/ см | 75,6 | 72,5 | 67,9 | 58,8 | |
Определение поверхностного натяжения
К определению поверхностного натяжения можно подойти и несколько иначе. Для того чтобы переместить молекулу из глубины жидкости в поверхностный слой, надо совершить работу против равнодействующей молекулярных сил, направленной в глубь жидкости.
Это обусловливает наличие у частиц поверхностного слоя особого вида внутренней потенциальной энергии — поверхностной энергии.
Установим соотношение этой энергии с коэффициентом поверхностного натяжения σ. Для того чтобы увеличить площадь поверхности пленки (рис. 3), надо передвинуть перекладину тп на расстояние ∆х, т. е. совершить работу ∆А против действия силы Fп поверхностного натяжения (для поверхности с одной стороны пленки):
∆А =Fп∆x=σl∆xy
но l∆x=∆S есть увеличение поверхности пленки.
Эта работа поверхностного натяжения идет на увеличение энергии ∆Е молекул пленки:
∆Е = ∆А = σ∆S, откуда σ = ∆Е/∆S
Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения равняется поверхностной энергии Еп, приходящейся на единицу площади свободной поверхности жидкости:
σ = Еп/S
В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в системе СГС в эрг/см2 (заметим, что 1 эрг/см2= 1 дин/см) и в системе СИ в дж/м2 (аналогично 1 дж/м2=1 н/м).
Молекулярные силы притяжения
Молекулярные силы притяжения возникают также между молекулами жидкости (молекула Б на рис. 2, а) и молекулами твердого вещества, которые с ней соприкасаются.
Величина этих сил зависит как от природы жидкости, так и твердого вещества. Если силы притяжения молекул жидкости к молекулам вещества больше, чем силы притяжения между молекулами самой жидкости, частицы жидкости пристают (прилипают) к поверхности вещества.
Что такое смачивание поверхности
Смачивание это явление, которое образуется при соприкосновении жидкости с поверхностью твердых тел или другой жидкости. Выражается, в частности, в растекании жидкости по твердой поверхности, находящейся в контакте например с газом (паром) или другой жидкостью.
Если силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами вещества меньше, чем между молекулами жидкости, смачивания не происходит.
Вода смачивает стекло и не смачивает, например, парафин. Ртуть смачивает цинк и не смачивает стекло, дерево, кожу.
Почва, древесина и кора, обезжиренные волокна льна, пеньки, шерсти и т. п. смачиваются водой. Жиры и смолы смачиваются водными растворами щелочей и т. п.
Равнодействующая сил, действующих на молекулы поверхностного слоя, прилегающие к стенке сосуда, для смачивающих жидкостей будет направлена наружу, а для несмачивающих — внутрь.
Под действием этих сил поверхность жидкости около стенки сосуда принимает криволинейную форму, называемую мениском — вогнутым при смачивающей и выпуклым при несмачивающей жидкости.
Формула Лапласа
Под криволинейной поверхностью мениска сила поверхностного натяжения создает добавочное давление ∆р, величина которого прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения о и обратно пропорциональна радиусу rм кривизны поверхности мениска, который для трубок малого диаметра может считаться равным внутреннему радиусу r трубки. В соответствии с формулой Лапласа.
При вогнутом мениске дополнительное давление направлено наружу от жидкости и вызывает повышение ее уровня в узкой трубке на высоту h, при которой вес Q столба жидкости (Q = πr2ρgh) уравновешивается силой Р (Р = πr2∆р) дополнительного давления.
Следовательно,
πr2ρgh = πr2 (2σ/r) откуда h = 2σ/рgh .
При выпуклом мениске дополнительное давление направлено в глубь жидкости и вызывает понижение ее уровня в узкой трубке на аналогичную величину.
Что такое капиллярность
Это явление поднятия или опускания уровня жидкости в узкой трубке в связи с образованием мениска называется капиллярностью.
Капиллярными свойствами обладает всякое пористое тело: например фильтровальная бумага, сухой мел, разрыхленная почва и т. д.
Пористые тела легко пропитываются смачивающими жидкостями и их удерживают. Для несмачивающих жидкостей, наоборот, эти тела являются непроницаемыми.
Этим объясняется, например, водонепроницаемость смазанных жиром перьев и пуха водоплавающих птиц.
Пузырек газа, попавший в смачивающую жидкость, протекающую по узкой трубке, ограничен с обеих сторон менисками, под которыми образуется добавочное давление.
Если жидкость неподвижна, мениски имеют одинаковый радиус и добавочные давления под ними взаимно уравновешиваются.
Если на жидкость действует внешнее давление р, то мениски, удерживаемые силами сцепления у стенок трубки, будут деформироваться и радиусы их изменяются:
r1>r2 ,
добавочные давления под ними уже не будут уравновешиваться и создадут разностное давление Ар, противодействующее давлению р и затрудняющее движение жидкости.
Если пузырьков много, то может произойти полная закупорка трубки.
Наибольшее сопротивление движению жидкости оказывают мениски пузырька, образовавшегося у разветвления трубки, так как в этом случае с одной стороны вместо одного мениска образуется два с меньшими радиусами кривизны.
Газовая эмболия
Аналогичные явления могут произойти, если пузырек воздуха попадет в кровеносный сосуд небольшого диаметра. В этом случае может наступить полная закупорка сосуда.
Явление это называется газовой эмболией. Закупорка сосуда в жизненно важных органах может иметь серьезные последствия для организма.
Поэтому необходимо принимать все меры предосторожности для того, чтобы при инъекциях, вливаниях и других подобных процедурах в кровеносные сосуды не могли попасть пузырьки воздуха.
Диагностическое определение натяжение
В диагностических целях определяют коэффициент поверхностного натяжения спинномозговой жидкости, желчи и некоторых других жидкостей организма.
Обычно применяется метод отрыва капель (сталагмометра), основанный на том, что при образовании капель жидкости, вытекающей из узкой вертикально расположенной трубки внутреннего радиуса r, отрыв капли происходит в момент, когда ее сила тяжести Q преодолевает силу Fn поверхностного натяжения, действующую по периметру шейки капли.
Радиус шейки капли приравнивается внутреннему радиусу r трубки. Тогда
Q = Fп = 2πrσ,
откуда σ =Q/2πr.
Прибор для измерения поверхностного натяжения
Сталагмометр представляет стеклянную трубку с расширением А в середине и с узким калиброванным канальцем К на конце.
Сначала трубка заполняется до метки М дистиллированной водой и считается число п0 капель, образующихся при вытекании воды.
Затем трубка наполняется таким же объемом исследуемой жидкости и считается число капель n, образуемое в этом случае.
Легко сообразить, что числа капель п0 и п прямо пропорциональны плотностям ρ0 и ρ и обратно пропорциональны коэффициентам поверхностного натяжения σ0 и о воды и исследуемой жидкости:
n/n0 = ρ( σ0/ρ0σ), откуда σ = σ(n0ρ/nρ0).
Коэффициент поверхностного натяжения воды σ0 берется по таблице.
Метод отрыва кольца основан на измерении силы Fn, необходимо для отрыва тонкого кольца К, касающегося торцом поверхности жидкости в стаканчике С (рис. 4, а) и удерживаемого силой поверхностного натяжения, действующей по внешнему r2 и внутреннему r1 периметрам кольца (рис. 4, б):
Fп = 2πσ(r1 + r2),
откуда σ = F/(2π(r1 +r2)).
Определение силы Fn удобно делать с помощью торсионных весов Т к рычажку Р которых кольцо подвешено (при этом надо учитывать также и вес Q самого кольца).
Метод образования пузырьков (Ребиндера). В сосуд С с исследуемой жидкостью опускают на небольшую глубину капиллярную трубку Т радиуса r, соединенную с резиновой грушей Г и чувствительным манометром М (рис. 5).
Осторожно нагнетая грушей в трубку воздух, добиваются образования на ее конце пузырька П. В момент отрывания пузырька по манометру отмечают давление ∆р.
Это давление равняется дополнительному давлению под криволинейной поверхностью пузырька, которое, как указано выше, равняется ∆р = 2σ/r (радиус пузырька приравнивается радиусу r трубки), откуда σ = r∆p/2.
Статья на тему Поверхностное натяжение