Физика_10класс_Поверхностное натяжение_Жидкие и твердые тела_теория

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение — явление молекулярного давления на жидкость, вызванное, притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам  внутри жидкости.

При уменьшении температуры газа и увеличении его давления уменьшается скорость молекул и сокращается среднее расстояние между ними. Силы притяжения молекул становятся особенно существенными, когда средняя потенциальная энергия молекул порядка их средней кинетической энергии. Притягиваясь друг к другу, молекулы объединяются в частицы пара, которые образуют жидкость. Если газ занимает весь предоставленный ему объем, то жидкость может занимать лишь определенную часть сосуда.

Молекулы на поверхности жидкости находятся в особых условиях по сравнению с молекулами ее внутренних слоев, Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю.

Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔA_внеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:

коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м²) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м²).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия E_p поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму.Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения - сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения.

F_пов=σl,

где σ-поверхностное натяжение, характеризующее силу поверхностного натяжения, действующую на единицу длины границы поверхности

            Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Ответьте на вопросы:

•              Какое явление называется поверхностным натяжением?

•              Где можно наблюдать явление поверхностное натяжение?

•              Какими величинами характеризуется поверхностное натяжение?

Капиллярные явления

Капиллярные явления - физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. К капиллярным явлениям относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с др. жидкостью, газом или собственным паром.

 Искривление поверхности ведёт к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления D_p, величина которого связана со средней кривизной r поверхности уравнением Лапласа:

D_p = p₁ — p₂ = 2s₁₂/r,

где  s₁₂ — поверхностное натяжение на границе двух сред;

       p₁ и p₂ — давления в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (фазе)

 В случае вогнутой поверхности жидкости (r < 0) давление в ней понижено по сравнению с давлением в соседней фазе: p₁ < p₂ и D_p < 0.

Для выпуклых поверхностей (r > 0) знак D_p меняется на обратный. Капиллярное давление создаётся силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведёт к появлению составляющей, направленной внутрь объёма одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности раздела (r = ¥) такая составляющая отсутствует и D_p = 0.

      Капиллярные явления охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности жидкости под действием межмолекулярных сил и внешних сил (в первую очередь силы тяжести).

      Высота поднятия жидкости в капиллярной трубке h определяется уравновешиванием лапласовского и гидростатичесого давлений:

      Высота подъёма (опускания) уровня жидкости в капилляре будет равна:

,

где   ρ - плотность жидкости

        σ - поверхностное натяжение

        R - радиус сферической формы мениска

        Капиллярные   явления   можно наблюдать   не   только   в трубках, но и в узких щелях. Если опустить в воду две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась узкая щель, то вода между пластинами поднимется, и тем выше, чем ближе они расположены. Капиллярные явления играют большую роль в природе и тех­нике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим ка­пиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т. е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай.

Первооткрывателем капиллярных явлений считается Леонардо да Винчи. Однако первые аккуратные наблюдения капиллярных явлений в трубках и стеклянных пластинках были выполнены Фрэнсисом Хоксби 1709 года. Как часто бывает, термодинамическое описание оказывается более простым и более общим, не будучи ограниченным недостатками конкретных моделей. О теории капиллярности Гиббса можно сказать, что она очень простая и очень сложная. Простая потому, что Гиббсу удалось найти метод, позволяющий получить наиболее компактные и изящные термодинамические соотношения, в равной степени применимы к плоских и искривленных поверхностей. Как видно из приведенного исторического обзора, капиллярные явления изучаются уже в течение почти трехсот лет. За это время заметно изменились способы описания капиллярных и поверхностных сил. Однако интересно отметить, что, начиная с самых первых работ по теории капиллярных явлений, люди вполне правильно относили их к макроскопических проявлений сил, действующих между частицами в веществе. С развитием представлений о эти силы менялось и понимание их роли в тех или капиллярных явлениях.

Ответьте  на вопросы:

•              Что такое капиллярные явления?

•              Где можно наблюдать капиллярные явления?

•              Какими величинами характеризуются капиллярные явления?

Явление смачивания и несмачивания жидкостей.

Почему роса на листях растений собирается в капли, а не растекается по ним? Почему пауки-водомерки бегают по воде, как по суше? Откуда возникла поговорка «как с гуся вода»? Ответ на все эти вопросы один – явление  несмачивания жидкостью поверхности твёрдого тела.

Но, наряду с явлением несмачивания, часто наблюдается и явление смачивания. Опустите в стакан с водой стеклянную трубочку и, вынув из воды, тщательно осмотрите её: на ней остались капельки воды. Если же стеклянную палочку искупать в стакане с ртутью, то никаких капелек ртути на палочке не обнаружите. Почему? Говорят, что стекло смачивается водой, но не смачивается ртутью. Смачивание (несмачивание) – явление, наблюдаемое при взаимодействии жидкостей с твёрдыми поверхностями.    

Если частицы жидкости (молекулы и/или атомы) сильнее притягиваются к твёрдой поверхности, чем друг к другу, то жидкость растекается – наблюдается смачивание, и краевой угол острый (1). Если же силы притяжения между частицами жидкости (молекулами и/или атомами) превосходят силы притяжения к твёрдой поверхности, то жидкость не растекается, а наоборот, собирается в капли. В этом случае жидкость не смачивает твёрдое тело, и краевой угол тупой (2).

   Если жидкости находится в сосуде, то смачивающая жидкость в месте соприкосновения с его стенкой образует выпуклость книзу (вогнутый мениск, от греческого meniskos – лунный серп), как бы стараясь растечься по большей площади твёрдой поверхности, и оттого приподнимается (1). В стеклянной посуде так себя ведут вода, спирт, мыльный раствор и другие жидкости. А вот ртуть, растительное масло и некоторые другие в стеклянных или других сосудах будут иметь уже выпуклость кверху – выпуклый мениск (2).

Смачивание имеет важное значение как в быту, так и в промышленности. Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотоматериалов, нанесении лакокрасочных покрытий, при склеивании материалов, при пайке, во флотационных процессах (обогащение руд). И наоборот, при сооружении гидроизоляции стен, бассейнов и т.д. нужны материалы, не смачиваемые водой. Ткани, не смачивающиеся водой, применяют для изготовления зонтов и плащей. Хорошо защищает от смачивания жир и масло. Водоплавающие птицы смазывают свои перья при помощи клюва жиром, который выделяется специальной железой. Поэтому гусь, утка, лебедь и многие другие птицы выходят из воды сухими. Роль поверхностных явлений в природе разнообразна. Например, поверхностная плёнка воды является для многих организмов опорой при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок. Лапка, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу к поверхностной плёнке воды с помощью не смачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приёмом «пользуются» личинки комаров (в том числе и малярийных).

Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желёз, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключённый между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает запас плавучести, действуя подобно спасательному поясу.

Ответьте на вопросы:

• Какую жидкость называют смачиваемой? несмачиваемой?

• Приведите примеры данных жидкостей.

• Для чего учитывают явление смачивания?

Роль капиллярных явлений в природе, быту и технике

Явление капиллярности играет огромную роль в самых разнообразных процессах, окружающих нас. Самый рас­про­стра­нен­ный при­мер ка­пил­ляр­но­го яв­ле­ния – это прин­цип ра­бо­ты обык­но­вен­но­го по­ло­тен­ца или бу­маж­ной сал­фет­ки. Вода с рук ухо­дит на по­ло­тен­це или бу­маж­ную сал­фет­ку за счет подъ­ема жид­ко­сти по тон­ким во­лок­нам, из ко­то­рых они со­сто­ят. Без капиллярных явлений существование живых организмов просто невозможно. Подъём питательного вещества по стеблю или стволу растения обусловлен явлением капиллярности: питательный раствор поднимается по тонким капиллярным трубкам, образованными стенками растительных клеток.

Следует учитывать и капиллярность почвы, ведь она также пронизана множеством мелких каналов, по которым вода поднимается из глубинных слоёв почвы в поверхностные. Пчёлы, бабочки извлекают нектар из глубин цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка.

Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с питанием и дыханием организма. Кровеносные сосуды – это капилляры, по которым течет кровь. Причем, чем дальше от сердца идут сосуды, тем тоньше они становятся.

Стро­и­те­лям при­хо­дит­ся учи­ты­вать подъ­ем влаги из почвы по порам стро­и­тель­ных ма­те­ри­а­лов. Если этого не учесть, то стены зда­ний от­сы­ре­ют. Для за­щи­ты фун­да­мен­та и стен от таких вод ис­поль­зу­ют гид­ро­изо­ля­цию. По капиллярам фитиля поднимаются горючие и смазочные вещества. Топ­ли­во по­сту­па­ет по фи­ти­лю за счет дви­же­ния по во­лок­нам фи­ти­ля, как по ка­пил­ляр­ным труб­кам. Промокание одежды во время дождя, к примеру, брюк до самых колен от ходьбы по лужам также обязано капиллярным явлениям. Вокруг нас множество примеров этого природного феномена.

Ответьте на вопросы:

• Какую функцию выполняет тонкий жировой слой на перьях водоплавающих птиц, например, уток?

• Почему водомерка спокойно передвигается по поверхности воды?

•Почему мелкие семена (например, семена моркови, петрушки) трудно сеять мокрыми руками?

•Какую роль в жизни растений играет восковый налёт на поверхности листа?

Скачано с www.znanio.ru