Высота подъема влаги зависит от радиуса капилляра и свойств жидкости, таких как поверхностное натяжение и вязкость. 'В таблице 4 показано как зависит поверхностное натяжение и вязкость воды от ее температуры.
§ 8-1. Поверхностное натяжение
Род жидкости также оказывает влияние на зависимость поверхностного натяжения от температуры. Таким образом, можно сделать вывод, что поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и ее химических свойств. тем большая сила поверхносного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры.
Почему поверхностное натяжение зависит от рода
Почему поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости? 1. Почему коэффициент поверхностного натяжения жидкостей зависит от рода жидкости? Род жидкости также оказывает влияние на зависимость поверхностного натяжения от температуры. Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит. Поверхностное натяжение – порыв жидкости уменьшить собственную свободную поверхность, то есть сократить избыток потенциальной энергии на границе разъединения с газообразной фазой.
Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости кратко
Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический термодинамический и силовой механический. Энергетическое термодинамическое определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое механическое определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости [1]. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. В СИ он измеряется в ньютонах на метр.
Почему вода имеет высокое поверхностное натяжение, но низкую вязкость? Высокое поверхностное натяжение воды за счет водородных связей в молекулах воды.
Вязкость — это свойство жидкости иметь большое сопротивление течению. Какая характеристика позволяет воде иметь высокое поверхностное натяжение? Молекулы воды имеют сильные силы сцепления благодаря их способности образовывать водородные связи друг с другом. Силы сцепления ответственны за поверхностное натяжение, склонность поверхности жидкости сопротивляться разрыву при растяжении или напряжении. Почему вода имеет сильное поверхностное натяжение и почему это важно? Вода имеет высокое поверхностное натяжение потому что водородные связи между молекулами воды сопротивляются растяжению или разрыву поверхности.
Молекулы воды сильнее связаны друг с другом, чем с воздухом. Что вызывает высокое поверхностное натяжение, низкое давление пара и высокую температуру кипения воды? Многие уникальные и важные свойства воды, в том числе ее высокое поверхностное натяжение, низкое давление пара и высокая температура кипения, являются результатом водородная связь. Структура льда представляет собой правильный открытый каркас из молекул воды в шестиугольном расположении. Молекулы воды удерживаются вместе посредством водородных связей. Почему вода имеет большее поверхностное натяжение, чем глицерин?
Из-за относительно высоких сил притяжения между молекулами воды из-за сети водородных связей. Как вы объясните тот факт, что вода имеет наибольшее поверхностное натяжение, но самую низкую вязкость? Вода имеет самое высокое поверхностное натяжение, но самую низкую вязкость. Поскольку молекулы воды маленькие, они движутся очень быстро, что приводит к большому избытку энергии и, следовательно, к высокому поверхностному натяжению и низкой вязкости. Смотрите также, как безопасно наблюдать за солнцем Чем отличается поверхностное натяжение воды? Чем отличается поверхностное натяжение воды от поверхностного натяжения большинства других жидкостей?
Это выше. Имеет ли вода высокое поверхностное натяжение? Вода имеет высокую или низкую вязкость? Вязкость описывает внутреннее сопротивление жидкости течению и может рассматриваться как мера трения жидкости. Таким образом, вода «тонкая», имеющий низкую вязкость, а растительное масло «густое» с высокой вязкостью.
Эти связи создают силы притяжения, которые удерживают молекулы на поверхности воды. Для других жидкостей, таких как масло или спирт, молекулы не образуют таких сильных водородных связей. В результате, силы притяжения между молекулами в этих жидкостях слабее, что приводит к меньшему поверхностному натяжению. Поверхностное натяжение также зависит от размера молекул и их формы. Молекулы, которые имеют больший размер или могут формировать сложные структуры, могут создавать более сильные связи и, следовательно, иметь более высокое поверхностное натяжение. Изучение связи молекулярных свойств с поверхностным натяжением позволяет лучше понять не только физическую природу этого явления, но и его важность в различных процессах и приложениях, включая капиллярность, смачивание и адгезию. Количество изученных жидкостей существует ограниченное число, и дальнейшие исследования помогут расширить наши знания в этой области. Роль полярности и неполярности в поверхностном натяжении Полярные молекулы вещества обладают дипольным моментом, то есть разницей в электрическом заряде между атомами и молекулами. Вода является ярким примером полярной жидкости: у нее есть частично положительно заряженный водород и частично отрицательно заряженный кислород.
Частичный отрицательный заряд на одном конце молекулы воды притягивается к частичному положительному заряду другой молекулы воды. Что произойдет, если у воды слабое поверхностное натяжение? Как вы думаете, что произойдет, если вода будет иметь слабое поверхностное натяжение? Насекомые не смогут приземляться или ходить по воде. Почему вода имеет более высокую температуру кипения? Вода имеет необычно высокая температура кипения для жидкости. Эти сильные межмолекулярные силы заставляют молекулы воды «прилипать» друг к другу и препятствовать переходу в газообразную фазу. Почему вода имеет высокую температуру кипения и плавления? Высокая температура кипения и низкая температура плавления. Вода имеет прочные водородные связи между молекулами. Эти связи требуют много энергии, прежде чем они разорвутся. Это приводит к тому, что вода имеет более высокую температуру кипения, чем если бы были только более слабые диполь-дипольные силы. Что вызывает высокое поверхностное натяжение, низкое давление пара и высокую температуру кипения воды quizlet? Водородная связь создает слегка положительная сторона и слегка отрицательная сторона, которая позволяет воде легко слипаться. Это то, что создает воду с высокой температурой кипения, низким давлением пара и высоким поверхностным натяжением. Почему вода имеет более высокое поверхностное натяжение, чем этанол? Вода имеет большую степень водородных связей в объеме жидкости. Следовательно, поскольку молекулы воды на поверхности жидкости труднее протолкнуть вниз, поверхностное натяжение воды выше, чем у этилового спирта. Имеет ли вода большее поверхностное натяжение, чем глицерин? По сути, я сравнил вязкость и поверхностное натяжение воды и глицерина с помощью серии тестов и был весьма удивлен тем, что обнаружил. Согласно моим результатам и датабукам, когда я проверял , вода имеет более высокое поверхностное натяжение, чем глицерин, но глицерин более вязкий, чем вода. Что имеет более высокое поверхностное натяжение глицерин или вода? Силы, лежащие в основе возникновения поверхностного натяжения, — это силы сцепления и силы сцепления. Итак, среди предложенных вариантов Глицерин в воде имеет самое высокое поверхностное натяжение, потому что глицерин имеет больше водородных связей, образованных на молекулу. Как работает поверхностное натяжение воды?
Почему поверхностное натяжение зависит от рода
Таким образом, рода жидкости влияют на поверхностное натяжение различными способами, причем эффект температуры может варьироваться для каждого рода жидкости. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости. Высота подъема влаги зависит от радиуса капилляра и свойств жидкости, таких как поверхностное натяжение и вязкость.
2.2.3. Факторы, влияющие на величину поверхностного натяжения
Если положить небольшую швейную иглу на поверхность воды, гладь прогнется и не даст ей утонуть. Действием внешнего фактора можно описать скольжение легких насекомых таких, как водомерки, по всей поверхности водоемов. Лапка этих членистоногих деформирует водную поверхность, тем самым увеличивая ее площадь. В результате этого возникает сила поверхностного натяжения, стремящаяся уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сила будет всегда направлена исключительно вверх, компенсируя при этом действие тяжести. Результат действия поверхностного натяжения Под воздействием поверхностного натяжения небольшие количества жидких сред стремятся принять шарообразную форму, которая будет идеально соответствовать наименьшей величине окружающей среды. Приближение к шаровой конфигурации достигается тем больше, чем слабее начальные силы тяжести, так как у малых капель показатель силы поверхностного натяжения гораздо превосходит влияние тяжести. Поверхностное натяжение считается одной из важнейших характеристик поверхностей раздела фаз. Оно непосредственно воздействует на формирование мелкодисперсных частиц физических тел и жидкостей при их разделении, а также на слияние элементов или пузырьков в туманах, эмульсиях, пенах, на процессы адгезии.
Как можно объяснить поверхностное натяжение жидкостей? В целом поверхностное натяжение можно объяснить, как бесконечно малую или элементарную работу , которую необходимо совершить для увеличения общей площади поверхности жидкости на бесконечно малую величину при неизменной температуре. Какие силы создают поверхностное натяжение жидкости? Силы притяжения между молекулами на поверхности жидкости удерживают их от движения за ее пределы. Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения — на самом деле, именно благодаря этому жидкость моментально не улетучивается. Почему поверхностное натяжение жидкости зависит от рода жидкости? Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости? Поверхностное натяжение зависит от силы притяжения между молекулами. У молекул разных жидкостей силы взаимодействия разные, поэтому поверхностное натяжение разное.
Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее. Как можно снизить поверхностное натяжение воды? Существуют способы снижения поверхностного натяжения. Это нагревание, добавление биологически активных веществ стиральных порошков, мыла, паст и т. Степень поверхностного натяжения определяет «жидкость» воды. Что влияет на поверхностное натяжение?
Зависимость поверхностного натяжения от температуры. Коэффициент поверхностного натяжения от температуры формула. Почему коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры. Зависимость поверхностного натяжения от примесей.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит. Поверхностное натяжение воды при. Поверхностное натяжение от температуры. Температурный коэффициент поверхностного натяжения. Коэффициент натяжения жидкости. Формула для расчета поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение жидкости физика. Поверхностное натяжение раствора формула. Работа поверхностного натяжения формула. Коэффициент поверхностного натяжения физика.
Коэффициент поверхностного натяжения выражается соотношением:. Коэффициент поверхности натяжения. Формула поверхностного натяжения физическая химия. Формула поверхностного натяжения воды в химии. Поверхностное натяжение воды формула физика. Поверхностное натяжение формула химия. Поверхностное натяжение жидкости тем больше, чем. Явление поверхностного натяжения. Механизм снижения поверхностного натяжения. Явления с уменьшением поверхностного натяжения.
Схема снижения поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение жидкости формула физика. Поверхностное натяжение растворов. Эффект поверхностного натяжения жидкости. Сила поверхностного натяжения жидкости формула. Поверхностное натяжение и капиллярные явления в природе. Природа поверхностного натяжения жидкости. Сила поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение жидкости формула 10 класс. Формула поверхностного натяжения жидкости химия.
Поверхностное натяжение и смачивание. Коэффициент поверхности натяжения воды. Сила и коэффициент поверхностного натяжения. Формула коэффициента поверхностного натяжения жидкости вывод. Температурный коэффициент поверхностного натяжения формула. Коэффициент поверхностного натяжения определяется по формуле:. Свободная поверхность жидкости. Свободная поверхность жидкости примеры. Форма свободной поверхности жидкости. Поверхностное натяжение жидкости.
Поверхностное натяжение жидкостей смачивание капиллярные явления. Смачивающие и несмачивающие жидкости. Смачиваемость это в физике. Смачивание и несмачивание жидкостью твердого тела. Зависимость поверхностного натяжения от природы вещества. Эффект поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от пав. Поверхностное натяжение схема. Температурная зависимость поверхностного натяжения. Смачивание капиллярность.
Поверхностное натяжение и капиллярные эффекты.
Эффект температуры на поверхностное натяжение разных родов жидкостей Влияние температуры на поверхностное натяжение может быть разным для разных родов жидкостей. Обычно поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при повышении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, что приводит к увеличению количества молекул, обладающих достаточной энергией для преодоления межмолекулярных сил и выхода на поверхность жидкости. Однако у разных родов жидкостей этот эффект может проявляться по-разному. Например, у некоторых жидкостей, таких как вода, эффект температуры на поверхностное натяжение может быть наиболее выраженным и значительным. При повышении температуры вода может «распадаться» на отдельные молекулы и образовывать пар, что приводит к увеличению доступных для образования поверхностного слоя молекул и, как следствие, уменьшению поверхностного натяжения.
С другими родами жидкостей, такими как масла или спирты, эффект температуры на поверхностное натяжение может быть менее значительным. Это связано с более слабыми межмолекулярными взаимодействиями в этих жидкостях, что делает эффект температуры на поверхностное натяжение менее выраженным. Таким образом, рода жидкости влияют на поверхностное натяжение различными способами, причем эффект температуры может варьироваться для каждого рода жидкости. Это явление имеет важное значение в различных областях науки и технологии, таких как химия, физика, биология и материаловедение. Практическое применение знаний о влиянии рода жидкости на поверхностное натяжение Знание о влиянии рода жидкости на поверхностное натяжение имеет практическое применение в различных областях науки и промышленности.
Поверхностное натяжение
- Поверхностное натяжение жидкости
- Вода с низким поверхностным натяжением
- почему у воды высокое поверхностное натяжение
- Коэффициент поверхностного натяжения
- Поверхностное натяжение жидкости — формулы и определение с примерами
Почему поверхностное натяжение зависит от рода воды?
Упругая пленка растягивается за счет увеличения расстояния между частицами, при этом сила натяжения возрастает, при растяжении же жидкой пленки расстояние между частицами не меняется, а увеличение поверхности достигается в результате перехода молекул из толщи жидкости в поверхностный слой. Поэтому при увеличении поверхности жидкости сила поверхностного натяжения не изменяется она не зависит от площади поверхности. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекул жидкости с молекулами твердого тела. Смачивание — явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел.
Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют смачивающей; если силы притяжения жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют несмачивающей это тело. Одна и та же жидкость может быть смачивающей и несмачивающей по отношению к разным телам. Так, вода смачивает стекло и не смачивает жирную поверхность, ртуть не смачивает стекло, а смачивает медь.
Смачивание или несмачивание жидкостью стенок сосуда, в котором она находится, влияет на форму свободной поверхности жидкости в сосуде. Если большое количество жидкости налито в сосуд, то форма ее поверхности определяется силой тяжести, которая обеспечивает плоскую и горизонтальную поверхность. Однако у самых стенок явление смачивания и несмачивания приводят к искривлению поверхности жидкости, так называемые краевые эффекты.
Внутри краевого угла всегда находится жидкость рис. При смачивании он будет острым рис. В случае вогнутой поверхности результирующая сила направлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидкостью рис.
Если смачивающая жидкость находится на открытой поверхности твердого тела рис. Если на открытой поверхности твердого тела находится несмачивающая жидкость, то она принимает форму, близкую к шаровой рис.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости, от температуры и от наличия примесей. При увеличении температуры он уменьшается. Примеси в основном уменьшают некоторые увеличивают коэффициент поверхностного натяжения.
Таким образом, поверхностный слой жидкости представляет собой как бы эластичную растянутую пленку, охватывающую всю жидкость и стремящуюся собрать ее в одну «каплю». Такая модель эластичная растянутая пленка позволяет определять направление сил поверхностного натяжения. Например, если пленка под действием внешних сил растягивается, то сила поверхностного натяжения будет направлена вдоль поверхности жидкости против растяжения. Однако это состояние существенно отличается от натяжения упругой резиновой пленки. Упругая пленка растягивается за счет увеличения расстояния между частицами, при этом сила натяжения возрастает, при растяжении же жидкой пленки расстояние между частицами не меняется, а увеличение поверхности достигается в результате перехода молекул из толщи жидкости в поверхностный слой.
Поэтому при увеличении поверхности жидкости сила поверхностного натяжения не изменяется она не зависит от площади поверхности. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекул жидкости с молекулами твердого тела. Смачивание — явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют смачивающей; если силы притяжения жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют несмачивающей это тело. Одна и та же жидкость может быть смачивающей и несмачивающей по отношению к разным телам.
Так, вода смачивает стекло и не смачивает жирную поверхность, ртуть не смачивает стекло, а смачивает медь. Смачивание или несмачивание жидкостью стенок сосуда, в котором она находится, влияет на форму свободной поверхности жидкости в сосуде.
Эти силы определяют поверхностное натяжение — силу, с которой молекулы жидкости притягиваются к поверхности. Разные жидкости имеют разные межмолекулярные силы и, следовательно, разное поверхностное натяжение. Например, у воды поверхностное натяжение выше, чем у многих других жидкостей, из-за сильных водородных связей между молекулами.
Прочность этой «эластичной мембраны» зависит от типа жидкости. Вода, например, имеет очень высокое поверхностное натяжение, потому что кислород и водород - два химических компонента воды H2O - имеют частичные отрицательные и положительные заряды, соответственно, и, таким образом, притягиваются ко всем другим молекулам воды, окружающим их. Водородные связи, как известно, прочны, поэтому вода имеет тенденцию удерживаться на поверхности даже лучше, чем другие жидкости, образуя щит, который может быть на удивление трудно сломать. Почему поверхностное натяжение так важно? Хотя это свойство жидкостей, безусловно, интересно, оно, похоже, не играет большой роли в нашей повседневной жизни, но именно здесь вы ошибаетесь. Помимо просмотра крутых видеороликов об идеально круглых каплях воды, падающих в замедленном режиме еще один пример поверхностного натяжения или водомерки, которые двигаются со скоростью 2 метра в секунду, скользя по поверхности озера, почему поверхностное натяжение имеет значение? В некоторых отраслях поверхностное натяжение является более простым показателем загрязнения продуктов. Поскольку поверхностное натяжение определяется на молекулярном уровне, любое изменение компонентов жидкости, поверхностно-активных веществ, топлива или соединений в жидкости может привести к изменению поверхностного натяжения.
Проекты по теме:
- Поверхностное натяжение: чем вызвано, коэффициент, определение по формуле
- Поверхностное натяжение жидкости
- Ответы и объяснения
- Поверхностное натяжение
Что такое поверхностное натяжение?
Поскольку поверхностное натяжение определяется на молекулярном уровне, любое изменение компонентов жидкости, поверхностно-активных веществ, топлива или соединений в жидкости может привести к изменению поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости и от ее температуры. Важно понимать, что поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и может быть сильным или слабым в зависимости от типа взаимодействия между молекулами.
Как можно объяснить поверхностное натяжение жидкостей?
- Почему поверхностное натяжение зависит от вида жидкости?
- Сила поверхностного натяжения
- Оглавление
- Поверхностное натяжение веществ на границе с воздухом
Поверхностное натяжение воды. НПК.
Радиус кривизны поверхности жидкости при этом того же порядка, что и радиус трубки. Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в узкой трубке капилляре поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, и это ведёт к опусканию несмачивающей жидкости.
Знак капиллярного давления «плюс» или «минус» зависит от знака кривизны. Центр кривизны выпуклой поверхности находится внутри соответствующей фазы. Выпуклые поверхности имеют положительную кривизну, вогнутые — отрицательную.
Из рис. Полученная формула, определяющая высоту поднятия жидкости в капиллярной трубочке, носит название формулы Жюрена. Очевидно, что чем меньше радиус трубки, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость.
Кроме того, высота поднятия растёт с увеличением коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Подъём смачивающей жидкости по капилляру можно объяснить и по-другому. Как было сказано ранее, под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости стремится сократиться.
Вследствие этого поверхность вогнутого мениска стремится выпрямиться и сделаться плоской. При этом она тянет за собой частицы жидкости, лежащие под ней, и жидкость поднимается по капилляру вверх. Но поверхность жидкости в узкой трубке плоской оставаться не может, она должна иметь форму вогнутого мениска.
Как только в новом положении данная поверхность примет форму мениска, она снова будет стремиться сократиться и т. В результате действия этих причин смачивающая жидкость и поднимается по капилляру. Поднятие прекратится, когда сила тяжести Fтяж поднятого столба жидкости, которая тянет поверхность вниз, уравновесит равнодействующую силу F сил поверхностного натяжения, направленных касательно к каждой точке поверхности.
В случае несмачивающей жидкости последняя, стремясь сократить свою поверхность, будет опускаться вниз, выталкивая жидкость из капилляра. Выведенная формула применима и для несмачивающей жидкости. В этом случае h — высота опускания жидкости в капилляре.
Капиллярные явления в природе Капиллярные явления также весьма распространены в природе и часто используются в практической деятельности человека. Дерево, бумага, кожа, кирпич и очень многие другие предметы, окружающие нас, имеют капилляры. За счет капилляров вода поднимается по стеблям растений и впитывается в полотенце, когда мы им вытираемся.
Поднятие воды по мельчайшим отверстиям в куске сахара, забор крови из пальца — это тоже примеры капиллярных явлений. Кровеносная система человека, начинаясь с весьма толстых сосудов, заканчивается очень разветвленной сетью тончайших капилляров. Могут вызвать интерес, например, такие данные.
Площадь поперечного сечения аорты равна 8 см2. Диаметр же кровеносного капилляра может быть в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса при длине 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется порядка 160 млрд капилляров.
Их общая длина доходит до 80 тыс. По многочисленным капиллярам, имеющимся в почве, вода из глубинных слоев поднимается к поверхности и интенсивно испаряется. Чтобы замедлить процесс потери влаги, капилляры разрушают путем разрыхления почвы с помощью борон, культиваторов, рыхлителей.
Опустим один из концов капилляра в сосуд с водой -вода поднимется выше уровня воды в сосуде. Поверхностное натяжение способно поднимать жидкость на сравнительно большую высоту. Поднятие жидкости вследствие действия сил поверхностного натяжения воды можно наблюдать в простом опыте.
Возьмем чистую тряпочку и опустим один ее конец в стакан с водой, а другой свесим наружу через край стакана.
Соотношение между поверхностными и объемными эффектами. Насекомые и поверхностное натяжение Почему эта «оболочка» превращает маленькие капли в совершенные по форме шарики вопреки действию силы тяжести и не может сделать этого с более крупными лужами? С молекулярной точки зрения согласно нашей теории, если вам угодно это обусловлено особым поведением молекул, расположенных на поверхности. Эти силы действуют на поверхности и не связаны с основной массой жидкости. Но сила тяжести действует на всю жидкость, равным образом на ее внешние и внутренние слои. Поверхностное натяжение — это «поверхностный эффект», а вес — «объемный эффект», и их относительная важность будет изменяться в зависимости от реального размера капли или лужи.
Представим себе, что поверхностные силы возрастают прямо пропорционально величине поверхности[73], тогда как вес, конечно, возрастает пропорционально объему. Рассмотрим превращение небольшой капли в каплю, в 10 раз большую. Для простоты представим, что капли имеют вид кубиков[74]: маленького С1 фиг. Как соотносятся их поверхности? Кубические «капли». Сравнение поверхности и объема. Каждый куб имеет шесть граней.
Куб с десятикратными линейными размерами имеет в 102, или в 100 раз, большую поверхность. Как соотносятся объемы этих кубов? Они соответственно равны а3 и 10а 3, т. Объем одного куба превышает объем другого в 103, или в 1000 раз, и, следовательно, вес воды в нем будет в 1000 раз больше. При переходе от малого кубика к большому поверхностные эффекты возрастут только в 100 раз, но действие силы тяжести возрастет в 1000 раз; таким образом, ее относительное значение увеличится в 10 раз. На самом же деле силы поверхностного натяжения растягивают каждую границу, или край, поверхности. Поэтому они возрастают пропорционально линейным размерам, т.
Для очень больших объемов сила тяжести во много раз превосходит влияние поверхностного натяжения; поэтому поверхность прудов плоская, а пролитое на пол ведро воды растекается под действием силы тяжести. На форму маленьких капель сильно влияет поверхностное натяжение, для очень маленьких капель это влияние становится определяющим. Для ныряющего в воду человека главную опасность представляет давление на него воды. Для крошечного клопа, ползущего по капле дождя, непреодолимы силы поверхностного натяжения. Теперь понятно, почему маленькие водяные насекомые могут бегать по поверхности пруда не проваливаясь? Они ничем не рискуют: большинство из них водой не смачивается и провалиться не может. Даже если их насильно затолкнуть под воду, они немедленно выскочат наружу, причем помогает им поверхностный слой.
Для крошечных насекомых, тело которых имеет способность намокать, капля воды оказывается тюрьмой. Частично смачиваемые водой насекомые могут держаться на ее поверхности, если они достаточно малы, но, погрузившись однажды в воду, случайно проскочив через упругую поверхность, они уже не смогут выбраться наружу. В жизни еще более мелких существ, например микробов, все определяется поверхностными силами; вес едва ли имеет для них какое-либо значение. Весь контакт с внешним миром они осуществляют через свою поверхность; через нее поступает пища, и, если они хотят двигаться, им надо изменять-форму своей поверхности. Не удивительно поэтому, что такие существа можно уничтожать с помощью ядов, которые покрывают их поверхность, подобно тому как краска наносится на волокна одежды. Размышления завели нас далеко от экспериментальных фактов. Некоторые из развитых идей подтверждаются последующими опытами, другие стоят лишь немногим более простой игры воображения, и их следует использовать только в той мере, в какой они приводят к плодотворным предположениям.
Краевой угол с молекулярной точки зрения Все же мы можем развить дальше молекулярную картину и обсудить, как жидкости соприкасаются с твердыми телами, т. Возвращаясь к небольшим лужицам на столе и к классификации по краевым углам, нарисуем каплю, поверхность которой принимает выпуклую форму под влиянием поверхностных сил, действующих на молекулы фиг. Поверхностное натяжение и краевой угол с молекулярной точки зрения. В том месте, где лужица соприкасается со столом, угловые молекулы должны также притягиваться столом. Совместное притяжение стола и жидкости и определяет краевой угол. Складывая силы притяжения как векторы, получаем равнодействующую R сил притяжения со стороны соседних молекул как жидкости, так и стола. Для поверхности жидкости эта равнодействующая играет роль «вертикали», и поверхность расположится перпендикулярно к ней, точно так же, как поверхность большой лужи принимает горизонтальное положение, перпендикулярно силе тяжести.
Итак, краевой угол определяется направлением равнодействующей сил притяжения R; прежде чем продолжить обсуждение, рассмотрим подробнее силы, которые определяют форму поверхности. Молекулярные силы и поверхность жидкости Чтобы понять, почему поверхность жидкости располагается перпендикулярно равнодействующей сил притяжения R, вернемся к обсуждению сил, действующих на молекулу. На молекулы действуют: дальнодействующие силы: б притяжение соседей только в пределах нескольких диаметров молекул ; короткодействующие силы: в сильное отталкивание во время столкновений с соседями на расстоянии долей диаметра молекулы. Для описания поведения молекул вряд ли стоит применять термин «равновесие», но все же можно сказать, что в покоящейся жидкости каждая молекула в среднем находится в равновесии. Коротко- и дальнодействующие силы. На любую молекулу на поверхности жидкости короткодействующие силы действуют со всех сторон и снизу, поэтому равнодействующая будут перпендикулярна поверхности. Равнодействующая дальнодействующих сил, которая уравновешивает эти короткодействующие силы, должна иметь противоположное направление, а следовательно, она также будет перпендикулярна поверхности.
Из последнего утверждения следует и обратное — поверхность должна быть перпендикулярна равнодействующей сил притяжения, в противном случае все силы перемещали бы поверхность, пока она не приняла бы этого положения. Конечно, в молекулярном масштабе сама поверхность исчезает в хаосе беспорядочных движений, подобно границе толпы. Она представляется гладкой, только когда ее рассматривают издалека. Две из названных сил действуют на поверхность и меняют свое направление, когда поверхность изгибается. Это — короткодействующее отталкивание и дальнодействующее притяжение соседей. Третья сила — земное притяжение — всегда направлена вертикально вниз. В большом пруду основное направление задается силой тяжести, которая превращает всю поверхность в горизонтальную плоскость; поэтому две другие силы также вертикальны.
На молекулы же, расположенные вблизи твердой стенки или на поверхности небольшой искривленной капли, притяжение соседей влияет намного больше, чем сила тяжести. Поэтому для объяснения искривленного мениска или краевого угла силой тяжести можно пренебречь. Просто говорят: «Поверхность располагается перпендикулярно равнодействующей сил притяжения, которые действуют на молекулу, находящуюся на поверхности». Краевой угол и молекулярные силы Чтобы объяснить природу краевого угла с точки зрения молекулярных сил, рассмотрим силы притяжения, действующие на молекулу С, которая находится в том месте, где лужица жидкости соприкасается с твердым столом фиг. Силы, действующие на молекулу, находящуюся на краю небольшой лужицы жидкости. Лужица находится на столе, который сильно притягивает молекулы жидкости. Во-первых, на нее действует притяжение соседей, находящихся внутри слоя жидкости; равнодействующая этих сил равна F1 и направлена по биссектрисе угла клина направление подсказано симметрией.
Во-вторых, ее притягивают молекулы твердого стола с равнодействующей F2, которая перпендикулярна столу снова по соображениям симметрии. Векторное сложение сил F1 и F2 и дает их равнодействующую R; поверхность жидкости должна расположиться перпендикулярно R. Это схематически изображено на фиг. В таком случае краевой угол невелик и жидкость смачивает стол. Можно сказать, что сильно притягивающий стол побуждает жидкость растекаться. Таким образом, смачивание зависит от относительной силы молекулярного притяжения. Если молекулы жидкости притягиваются молекулами твердого тела сильнее, чем соседними молекулами самой жидкости, жидкость будет смачивать стол и растекаться.
С другой стороны, если молекула жидкости предпочитает своих собратьев молекулам стола, силу F1 следует нарисовать больше F2 и картина примет такой вид, как на фиг. Для «водоотталкивания», по-видимому, требуется, чтобы молекулы жидкости испытывали со стороны соседних молекул стола меньшее притяжение, чем со стороны соседних молекул жидкости. Лужица находится на столе, который слабо притягивает молекулы жидкости. Водоотталкивание и смачивание Таково молекулярное объяснение смачивания и краевого угла. Разве это не просто волшебная сказка, выдуманная для того, чтобы свести концы с концами? Нет, это объяснение совсем не так плохо, поскольку оно основано на молекулярных представлениях, которые используются в других областях физики и химии. Кроме того, оно позволяет сделать полезные рекомендации: 1 Для улучшения смачивания мечта прачек надо сделать F2 больше, чем F1, т.
Это можно осуществить, применяя молекулы-посредники, которыми на практике являются молекулы мыла. Таким образом, мы раскрыли секрет мыла и указали путь к созданию новых синтетических моющих средств. На вопрос: «Какой толщины должно быть покрытие? На вопрос: «Какова толщина молекулы? Это особенно заметно, когда жидкости поднимаются в очень узких трубках; «капиллярность» — полезное свойство жидкостей, и мы сейчас его разберем. Нагрейте кусок стеклянной трубки, растяните его в очень тонкую трубку и опустите один ее конец в чернила фиг. Окрашенная вода поднимается вверх вопреки силе тяжести, опровергая правило: «вода в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне».
Однако в U-образной трубке с колонами разного сечения жидкость все же устанавливается на одном уровне фиг. Если вспомнить обсуждение относительной роли поверхностных и объемных эффектов, можно догадаться, что влияние поверхностного натяжения будет более заметно в приборах малых размеров; например, в небольшой U-образной трубке фиг. Конечно, это то же самое, что мы уже видели при погружении тонкой трубки в чернила. Наброски, представленные на фиг. Если жидкость поднимается в тонких трубках, то в еще более тонких она должна подняться еще выше. Проверьте это см. Капиллярные явления.
Поскольку это следствие поверхностного натяжения проявляется в трубках, «тонких, как волос», оно получило название от латинского слова «волос» — capilla. Таким образом, капиллярность — это старое название поверхностного натяжения, которое еще применяется, чтобы охарактеризовать поведение жидкостей в тонких трубках. Это красивое название, но оно не объясняет подъема жидкости. Сказать, что вода поднимается по тонкой трубке вследствие капиллярности, по существу то же, что сказать «вследствие поведения тонких трубок». Рассматривая через увеличительное стекло мениск поверхность жидкости в тонкой трубке, мы увидим, что он висит, как прикрепленный к стеклу изогнутый мешок, весьма похожий на одеяло пожарников, которые ловят выбрасывающегося из окна горящего дома тяжелого мужчину фиг. Снова возникает мысль о резиновой оболочке. Если измерить силы, удерживающие оболочку, то видно, что эти же силы определяют форму маленьких капель.
Можно даже говорить, что оболочка удерживает поднимающуюся по трубке жидкость[75], но более реально говорить о молекулах, которые вскарабкиваются по внутренней поверхности трубки и образуют изогнутый мениск. Жидкости поднимаются не только в круглом стеклянном капилляре. Капиллярность проявляется в любом узком пространстве. Когда вода стекает между щетинками малярной кисти или увлажняет в ванне ваши волосы, то она заполняет не полые волоски, а узкие промежутки между отдельными волосками. На таком поведении жидкостей основано всасывание масла в ламповый фитиль, воды в банное полотенце и т. Задача 3 трудная. Формула капиллярности Допустим, что подъем жидкости в капилляре определяется разностью давлений по обе стороны мениска.
Вернитесь к опыту с двумя соединенными друг с другом мыльными пузырями см. Какой вывод только из этого опыта можно сделать о соотношении между высотой подъема в капилляре и его диаметром? Задача 4. Капиллярность в несмачиваемой трубке Возьмем жидкость, которая образует со стенками трубки большой краевой угол. К задаче 4. Уровень ртути в широкой трубке показан, но рисунки не закончены. Набросайте в тетради все эти рисунки и закончите их.
Применения капиллярности Чтобы жидкость втягивалась в капилляр, а не только поднималась вверх, и вообще проникала в поры, необходим малый краевой угол между жидкостью и стенками пор. При большой величине краевого угла предметы будут оставаться сухими. Ниже приведены примеры, которые демонстрируют роль капиллярности и смачивания в природе и в быту. Чернила на конце пера щель на конце пера подает чернила на бумагу вследствие капиллярности; стальные перья, применявшиеся прежде, когда они бывали новыми, имели большой краевой угол, и для улучшения работы перья следовало смочить слюной. Чернила на бумаге но поры в бумаге должны быть закрыты. Кровь на бинтах. Капли от насморка на слизистой оболочке носа.
Припой на металле для уменьшения краевого угла применяют флюс. Слюна на пище. Растворитель для краски на сухом порошке красителя. Жидкая краска на окрашиваемых поверхностях с этим связан ряд вопросов в технике живописи. Мыльная вода при стирке грязной одежды. Вода на стеклах очков здесь нет узких промежутков, но при небольшом краевом угле конденсирующаяся на стекле вода создает плоскую пленку, а не туман из капелек. Блинное тесто на сковороде.
Вода на полу в ванной. Вода на стеклах очков мелкие капли быстрее испаряются. Важную роль капиллярность играет в садоводстве. Вода проникает в тонкие промежутки между частицами почвы. Разрыхление и вскапывание изменяет размеры этих промежутков и затрудняет доступ воды из глубины почвы к поверхности, предотвращая тем самым ее испарение.
От теории к практике Рис. Например, капли воды при соприкосновении сливаются в одну, форма которой отличается от сферической из-за воздействия силы тяжести и силы реакции опоры. Чем меньше радиус капли, тем большую роль играет поверхностная энергия по сравнению с потенциальной энергией капли в гравитационном поле Земли и тем ближе форма капель жидкости на опоре к сферической. Поэтому маленькие капельки росы на листьях растений принимают форму, близкую к шарообразной рис. От теории к практике Докажите, что при слиянии нескольких капель воды в одну при неизменной температуре выделяется энергия. Считая форму капель сферической, сравните поверхностную энергию всех мелких капель с поверхностной энергией энергией капли, получившейся при их слиянии. Учтите, что объём шара , а площадь его поверхности Рис. Опустим проволочное кольцо с привязанной к нему нитью в мыльный раствор. Контур кольца, извлечённого из раствора, затянут мыльной плёнкой, а нить в ней размещается случайным образом рис. Если проколоть плёнку по одну сторону нити, то оставшаяся часть плёнки сократится так, что площадь её поверхности станет минимальной при заданной длине нити рис. Следовательно, на нить со стороны плёнки действуют силы, удерживающие её в натянутом состоянии и стремящиеся сократить свободную поверхность жидкости. Рассмотрим молекулы М1 и М2, находящиеся на поверхности жидкости рис.
Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины линии, ограничивающей поверхность Проявления сил поверхностного натяжения в природе Итак, мы еще раз убедились в том, что жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной. Можно показать, что при заданном объеме площадь поверхности будет минимальной у шара. Таким образом, если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать сферическую форму. Так, например, будет вести себя вода в невесомости рис. Вода в невесомости Рис. Мыльные пузыри Наличием сил поверхностного натяжения также можно объяснить то, почему металлическая иголка «лежит» на поверхности воды рис. Иголка, которую аккуратно положили на поверхность, деформирует ее, увеличивая тем самым площадь этой поверхности. Таким образом, возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, и она скомпенсирует силу тяжести. Иголка на поверхности воды Таким же образом можно объяснить принцип действия пипетки. Капелька, на которую действует сила тяжести, вытягивается вниз, тем самым увеличивая площадь своей поверхности. Естественно, возникают силы поверхностного натяжения, равнодействующая которых противоположна направлению силы тяжести, и которые не дают капельке растягиваться рис. Когда вы нажимаете на резиновый колпачок пипетки, вы тем самым создаете дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, и в результате, капля падает вниз. Принцип работы пипетки Приведем еще один пример из повседневной жизни. Если опустить кисточку для рисования в стакан с водой, то ее волоски распушатся.