Поверхностное натяжение – определение и эксперименты

Поверхностное натяжение – это явление, при котором поверхность жидкости, на которой жидкость контактирует с газом, действует как тонкий эластичный слой. Этот термин обычно используется только тогда, когда поверхность жидкости контактирует с газом (например, с воздухом). Если поверхность находится между двумя жидкостями (например, водой и маслом), это называется «межфазным натяжением».

Причины поверхностного натяжения

Различные межмолекулярные силы, такие как силы Ван-дер-Ваальса, сближают жидкие частицы. 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 к длине d , вдоль которой действует сила:

гамма = F / d

Единицы поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение измеряется в единицах СИ – Н/м (ньютон на метр), хотя более распространенной единицей является единица cgs дин/см (дин на сантиметр).

Чтобы рассмотреть термодинамику ситуации, иногда полезно рассматривать ее с точки зрения работы на единицу площади. В этом случае единицей СИ является Дж/м 2 (джоули на квадратный метр). Единица cgs – эрг/см 2 .

Эти силы связывают частицы поверхности вместе. Хотя это связывание слабое – в конце концов, довольно легко сломать поверхность жидкости – оно проявляется по-разному.

Примеры поверхностного натяжения

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

Насекомые, идущие по воде. Некоторые насекомые могут ходить по воде, например водомер. Их ноги сформированы так, чтобы распределять их вес, заставляя поверхность жидкости становиться вдавленной, сводя к минимуму потенциальную энергию для создания баланса сил, так что страйдер может перемещаться по поверхности воды, не пробивая ее. Это похоже на то, как ходить в снегоступах по глубоким сугробам, не опуская ног.

Иголка (или скрепка), плавающая на воде . Несмотря на то, что плотность этих объектов больше, чем у воды, поверхностного натяжения вдоль впадины достаточно, чтобы противодействовать силе тяжести, притягивающей металлический объект.. Щелкните изображение справа, затем щелкните «Далее», чтобы просмотреть диаграмму сил в этой ситуации или попробовать трюк с плавающей иглой.

Анатомия мыльного пузыря

Когда вы надуваете мыльный пузырь, вы создаете воздушный пузырь под давлением, который содержится на тонкой эластичной поверхности жидкости. Большинство жидкостей не могут поддерживать стабильное поверхностное натяжение для создания пузырей, поэтому в процессе обычно используется мыло … оно стабилизирует поверхностное натяжение за счет так называемого эффекта Марангони.

Когда пузырек надувается, поверхностная пленка имеет тенденцию сокращаться. Это приводит к увеличению давления внутри пузыря. Размер пузыря стабилизируется до такого размера, при котором газ внутри пузыря больше не сжимается, по крайней мере, без лопания пузыря.

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

Сферическая форма мыльного пузыря вызвана минимизацией площади поверхности – для данного объема, сфера всегда имеет форму с наименьшей площадью поверхности.

Давление внутри мыльного пузыря

Чтобы учесть давление внутри мыльного пузыря, мы учитываем радиус R пузыря, а также поверхностное натяжение гамма жидкости (мыло в данном случае – около 25 дин/см).

Мы начинаем с предположения об отсутствии внешнего давления (что, конечно, неверно, но мы позаботимся об этом в немного). Затем вы рассматриваете поперечное сечение через центр пузыря.

Мы знаем, что вдоль этого поперечного сечения, игнорируя очень небольшую разницу во внутреннем и внешнем радиусе окружность будет 2 pi R . Каждая внутренняя и внешняя поверхности будут иметь давление гамма по всей длине, то есть общее. Таким образом, общая сила поверхностного натяжения (как от внутренней, так и от внешней пленки) составляет 2 гамма (2 pi R ).

Однако внутри пузыря у нас есть давление p , которое действует по всему сечению pi R 2 , в результате чего общая сила p ( pi R 2 ).

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

2 гамма (2 pi R ) = p ( pi R 2 )
или
p = 4 гамма / R

Очевидно, это был упрощенный анализ, в котором давление за пределами пузыря было 0, но его легко расширить, чтобы получить разница между внутренним давлением p и внешним давлением pe :

p p e = 4 гамма / R

Давление в капле жидкости

Анализировать каплю жидкости, в отличие от мыльного пузыря, проще. Вместо двух поверхностей нужно учитывать только внешнюю поверхность, поэтому коэффициент 2 выпадает из предыдущего уравнения (помните, где мы удвоили поверхностное натяжение, чтобы учесть две поверхности?), Чтобы получить:

p p e = 2 гамма / R

Контактный угол

Поверхностное натяжение возникает во время газа -жидкий интерфейс, но если этот интерфейс соприкасается с твердой поверхностью – например, стенками контейнера – интерфейс обычно изгибается вверх или вниз около этой поверхности. Такая вогнутая или выпуклая форма поверхности известна как мениск

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

Угол смачивания можно использовать для определения отношения между поверхностным натяжением жидкость-твердое тело и поверхностное натяжение жидкость-газ следующим образом:

gamma ls = – гамма lg cos theta

где

  • gamma ls – поверхность жидкость-твердое тело натяжение
  • гамма lg – поверхностное натяжение жидкость-газ.
  • theta – это контактный угол.

В этом уравнении следует учитывать одну вещь: в случаях, когда мениск выпуклый (т. е. угол контакта больше 90 градусов), косинусная составляющая этого уравнения будет отрицательной, что означает, что поверхностное натяжение жидкость-твердое тело будет положительным.

Если, с другой стороны, мениск вогнутый (т.е. опускается вниз, поэтому контактный угол составляет менее 90 градусов), тогда член cos theta будет положительным, и в этом случае взаимосвязь приведет к отрицательному Поверхностное натяжение жидкость-твердое тело!

По сути, это означает, что жидкость прилипает к стенкам контейнера и работает, чтобы максимизировать площадь в контакт с твердой поверхностью, чтобы минимизировать общую потенциальную энергию.

Капиллярность

Другой эффект, связанный с водой в вертикальных трубках, – это свойство капиллярности, при котором поверхность жидкости становится приподнятой. или вдавлен внутри трубки по отношению к окружающей жидкости. Это тоже связано с наблюдаемым углом смачивания.

Если у вас есть жидкость в контейнере, поместите узкую трубку (или капилляр ) радиуса r в контейнер, вертикальное смещение y , которое будет иметь место внутри капилляра, определяется следующим уравнением:

y = (2 гамма lg cos theta )/(dgr)

где

  • y – вертикальное смещение (вверх, если положительное, вниз, если отрицательное).
  • гамма lg – это поверхностное натяжение жидкость-газ.
  • theta – контактный угол
  • d – плотность жидкости
  • g – ускорение свободного падения
  • r – радиус капилляра

ПРИМЕЧАНИЕ. Еще раз, если theta больше 90 градусов (выпуклый мениск), в результате При наличии поверхностного натяжения жидкость-твердое тело уровень жидкости будет понижаться по сравнению с окружающим уровнем, а не повышаться по отношению к нему.

Капиллярность проявляется во многих пути в повседневном мире. Бумажные полотенца впитывают капиллярность. При горении свечи расплавленный воск за счет капиллярности поднимается вверх по фитилю. В биологии, хотя кровь перекачивается по всему телу, именно этот процесс распределяет кровь по мельчайшим кровеносным сосудам, которые соответственно называются капиллярами .

Кварталы в полном стакане воды

Необходимые материалы:

  • От 10 до 12 четвертей
  • стакан, полный воды

Медленно, и твердой рукой по очереди подносите четвертинки к центру стакана. Опустите в воду узкий край четвертины и отпустите. (Это сводит к минимуму разрушение поверхности и предотвращает образование ненужных волн, которые могут вызвать переполнение.)

Продолжая использовать больше четвертей, вы будете удивлены, насколько выпуклые вода становится поверх стакана, не переливаясь!

Возможный вариант: Проведите этот эксперимент с одинаковыми стаканами, но используйте разные виды монет в каждом стакане. Используйте результаты того, сколько может войти, чтобы определить соотношение объемов различных монет.

Floating Needle

Необходимые материалы:

  • вилка (вариант 1)
  • кусок папиросная бумага (вариант 2)
  • швейная игла
  • стакан с водой

Вариант 1 Уловка

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

Этот трюк требует твердой руки и некоторой практики. , потому что вы должны снимать вилку так, чтобы части иглы не промокли … иначе игла утонет. Вы можете предварительно потереть иглу между пальцами, чтобы «смазать» это увеличивает ваши шансы на успех.

Вариант 2 Уловка

Поместите швейную иглу на небольшой кусок папиросной бумаги (достаточно большой, чтобы удерживать иглу). Игла помещается на папиросную бумагу. Салфетка пропитается водой и опустится на дно стакана, оставив иглу плавать по поверхности.

Погасите свечу мыльным пузырем.

поверхностным натяжением data-source = “inlineLink” data-type = “internalLink” data-ordinal = “1”>

Необходимые материалы:

  • зажженная свеча ( ПРИМЕЧАНИЕ: не играйте со спичками без одобрения и надзора родителей!)
  • воронка
  • моющее средство или раствор мыльных пузырей

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

Для эксперимента, имеющего отношение к теме, см. “Ракетный шар”.

Моторизованная рыба из бумаги

Необходимые материалы:

  • лист бумаги
  • ножницы
  • растительное масло или жидкое моющее средство для посудомоечной машины.
  • большая миска или кастрюля для выпечки хлеба, полная воды

this examplehref = “https://books.google.com/books?id=3Z4mwyZeb5EC&pg=PA5&lpg=PA5&dq=motorized+ бумага + рыба & источник = бл & отс = 6arzbWk_JX & сиг = 7KBZT8q5KtlwyCytEKjIKfFV96Y & гл = еп & е = m0OhTKjMJ4egsQPtwcV_ & са = Х & OI = book_result & CT = результат»данных компонент = “ссылка” источников данных = “inlineLink” тип-данных = “” данных порядковое = “externalLink 1″>

Вырезав узор из бумажной рыбы, поместите его на емкость с водой, чтобы он плавал по поверхности. Капните каплю масла или моющего средства в отверстие в середине рыбы.

Моющее средство или масло вызовут снижение поверхностного натяжения в этом отверстии. . Это заставит рыбу продвигаться вперед, оставляя след масла, когда она движется по воде, не останавливаясь, пока масло не снизит поверхностное натяжение всей чаши..

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

Экспериментальные значения поверхностного натяжения

Жидкость в контакте с воздухом Температура (градусы C) Поверхностное натяжение (мН/м или дин/см)
Бензол 20 28,9
Четыреххлористый углерод 20 26,8
Этанол 20 22,3
Глицерин 20 63,1
Меркурий 20 465,0
Оливковое масло 20 32,0
Мыльный раствор 20 25,0
Вода 0 75,6
Вода 20 72.8
Вода 60 66,2
Вода 100 58,9
Кислород -193 15,7
Неон -247 5,15
Гелий -269 0.12

Под редакцией Анны Мари Хелменстайн, Доктор философии

  • Как выполнять Пеппе r и магический трюк науки о воде
  • Определение и причины поверхностного натяжения
  • Определение сплоченности в химии
  • Как читать мениск в химии
  • Различные значения мениска в науке
  • Подсказки и ответы на поиски мусора в химии
  • Как работает перегрев – вода в микроволновой печи
  • Что за наука скрывается за пузырями?
  • А Рецепт создания пузырей, которые подпрыгивают
  • Научные фокусы
  • Определение пены в химии
  • Что такое поверхностно-активное вещество?
  • Научные проекты детских садов
  • Интересные вещи, которые можно сделать с сухим льдом
  • Что такое пузыри в кипящей воде?
  • Что такое декантация и как она работает?
Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий