Поверхневий натяг

Назва роботи: Поверхневий натяг. Змочування і незмочування. капілярність

Предметна область: Педагогіка і дидактика

Опис: Найбільш характерним властивістю рідини відрізняє її від газу є те що на кордоні з газом рідина утворює вільну поверхню наявність якої призводить до виникнення явищ особливого роду званих поверхневими.

Розмір файлу: 167.81 KB

Роботу скачали: 36 чол.

Тема №28: «Поверхневий натяг. Змочування і незмочування. Капілярність. »

1 Поверхневий натяг

Найбільш характерним властивістю рідини, що відрізняє її від газу, є те, що на кордоні з газом рідина утворює вільну поверхню, наявність якої призводить до виникнення явищ особливого роду, які називаються поверхневими. Своїм виникненням вони зобов'язані особливим фізичним умовам, в яких знаходяться молекули поблизу вільної поверхні.

На кожну молекулу рідини діють сили тяжіння з боку оточуючих її молекул, розташованих від неї на відстані близько 10 -9 м (радіус молекулярного дії). На молекулу M 1. розташовану всередині рідини (рис. 1), діють сили з боку таких же молекул, і рівнодіюча цих сил близька до нуля.

Для молекул M 2 равнодействующие сил відмінні від нуля і спрямовані всередину рідини, перпендикулярно до її поверхні. Таким чином, всі молекули рідини, що знаходяться в поверхневому шарі, втягуються всередину рідини. Але простір всередині рідини зайнято іншими молекулами, тому поверхневий шар створює тиск на рідину (молекулярне тиск).

Щоб перемістити молекулу M 3. розташовану безпосередньо під поверхневим шаром, на поверхню, необхідно зробити роботу проти сил молекулярного тиску. Отже, молекули поверхневого шару рідини володіють додатковою потенційної енергією в порівнянні з молекулами всередині рідини. Цю енергію називають поверхневою енергією.

Очевидно, що величина поверхневої енергії тим більше, чим більше площа вільної поверхні. Нехай площа вільної поверхні змінилася на Δ S. при цьому поверхнева енергія змінилася на

де σ # 151; коефіцієнт поверхневого натягу. Так як для цього зміни необхідно зробити роботу

A = ΔW p. то А = σΔ S

Одиницею коефіцієнта поверхневого натягу в СІ є джоуль на квадратний метр (Дж / м 2).

Коефіцієнт поверхневого натягу # 151; величина, що чисельно дорівнює роботі, досконалої молекулярними силами при зміні площі вільної поверхні рідини на 1 м 2 при постійній температурі.

Так як будь-яка система, надана сама собі, прагне зайняти таке положення, в якому її потенційна енергія найменша, то рідина виявляє прагнення до скорочення вільної поверхні. Поверхневий шар рідини поводиться подібно розтягнутої гумової плівці, тобто весь час прагне скоротити площу своєї поверхні до мінімальних розмірів, можливих при даному обсязі.

Наприклад, крапля рідини в стані невагомості має сферичну форму.

Властивість поверхні рідини скорочуватися можна витлумачити як існування сил, що прагнуть скоротити цю поверхню. Молекула M 1 (рис. 2), розташована на поверхні рідини, взаємодіє не тільки з молекулами, що знаходяться всередині рідини, але і з молекулами, що знаходяться на поверхні рідини, розташованими в межах сфери молекулярного дії. Для молекули M 1 рівнодіюча молекулярних сил, спрямованих уздовж вільної поверхні рідини, дорівнює нулю, а для молекули M 2. розташованої біля кордону поверхні рідини, і спрямована по нормалі до кордонів вільної поверхні і по дотичній до самої поверхні рідини.

Рівнодіюча сил, що діють на всі молекули, що знаходяться на кордоні вільної поверхні, і є сила поверхневого натягу. В цілому вона діє так, що прагне скоротити поверхню рідини.

Можна припустити, що сила поверхневого натягу прямо пропорційна довжині l кордону поверхневого шару рідини, адже на всіх ділянках поверхневого шару рідини молекули знаходяться в однакових умовах:

Дійсно, розглянемо вертикальний прямокутний каркас (рис. 3, а, б), рухома сторона якого врівноважена. Після вилучення рамки з розчину мильної плівки рухома частина переміщається з положення 1 в положення 2. З огляду на, що плівка являє собою тонкий шар рідини і має дві вільні поверхні, знайдемо роботу, що здійснюються при переміщенні поперечки на відстань h = a 1 ⋅ a 2. A = 2 F ⋅ h. де F # 151; сила, що діє на каркас з боку кожного поверхневого шару. З іншого боку, A = σΔS = σ 2L h.

Отже, 2 Fh = σ 2 L h => F = σ L. звідки σ = F / L.

Відповідно до цієї формули одиницею коефіцієнта поверхневого натягу в СІ є ньютон на метр (Н / м).

Коефіцієнт поверхневого натягу σ чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини кордону вільної поверхні рідини. Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від природи рідини, від температури і від наявності домішок. При збільшенні температури він зменшується.

1. При критичній температурі, коли зникає різниця між рідиною і парою, σ = 0.

Домішки в основному зменшують (деякі збільшують) коефіцієнт поверхневого натягу.

Таким чином, поверхневий шар рідини являє собою як би еластичну розтягнуту плівку, що охоплює всю рідину і прагне зібрати її в одну «краплю». Така модель (еластична розтягнута плівка) дозволяє визначати напрямок сил поверхневого натягу. Наприклад, якщо плівка під дією зовнішніх сил розтягується, то сила поверхневого натягу буде спрямована уздовж поверхні рідини проти розтягування. Однак цей стан істотно відрізняється від натягу пружної гумової плівки. Пружна плівка розтягується за рахунок збільшення відстані між частинками, при цьому сила натягу зростає, при розтягуванні же рідкої плівки відстань між частинками не змінюється, а збільшення поверхні досягається в результаті переходу молекул з товщі рідини в поверхневий шар. Тому при збільшенні поверхні рідини сила поверхневого натягу не змінюється (вона не залежить від площі поверхні).

2 Змочування і незмочування

У разі зіткнення з твердим тілом сили зчеплення молекул рідини з молекулами твердого тіла починають відігравати суттєву роль. Поведінка рідини буде залежати від того, що більше: зчеплення між молекулами рідини або зчеплення молекул рідини з молекулами твердого тіла.

змочування # 151; явище, яке виникає внаслідок взаємодії молекул рідини з молекулами твердих тіл. Якщо сили тяжіння між молекулами рідини і твердого тіла більше сил тяжіння між молекулами рідини, то рідина називають смачивающей; якщо сили тяжіння рідини і твердого тіла менше сил тяжіння між молекулами рідини, то рідина називають несмачіваемих це тіло.

Одна і та ж рідина може бути смачивающей і несмачіваемих по відношенню до різних тіл. Так, вода змочує скло і не змочує жирну поверхню, ртуть не змочується скло, а змочує мідь.

Змочування або незмочування рідиною стінок посудини, в якому вона знаходиться, впливає на форму вільної поверхні рідини в посудині. Якщо велика кількість рідини налито в посудину, то форма її поверхні визначається силою тяжіння, яка забезпечує плоску і горизонтальну поверхню. Однак у самих стін явище змочування і несмачіванія призводять до викривлення поверхні рідини, так звані крайові ефекти.

Кількісною характеристикою крайових ефектів служить крайової кут θ - кут між площиною дотичній до поверхні рідини і поверхнею твердого тіла. Усередині крайового кута завжди знаходиться рідина (рис. 4, а, б). При змочуванні він буде гострим (рис. 4, а), а при несмачіванія # 150; тупим (рис. 4, б). У шкільному курсі фізики розглядають тільки повне змочування (θ = 0º) або повне незмочування (θ = 180º).

Сили, пов'язані з наявністю поверхневого натягу і спрямовані по дотичній до поверхні рідини, в разі опуклої поверхні дають результуючу, спрямовану всередину рідини (рис. 5, а). У разі увігнутої поверхні результуюча сила спрямована, навпаки, в бік газу, що межує з рідиною (рис. 5, б).

Якщо змочувальна рідина знаходиться на відкритій поверхні твердого тіла (рис. 6, а), то відбувається її розтікання по цій поверхні. Якщо на відкритій поверхні твердого тіла знаходиться незмочувальна рідина, то вона приймає форму, близьку до кульової (рис. 6, б).

Змочування має важливе значення як в побуті, так і в промисловості. Гарне змочування необхідно при фарбуванні, прання, оброблення фотоматеріалів, нанесенні лакофарбових покриттів, при склеюванні матеріалів, при пайку, у флотаційних процесах (збагачення руд цінною породою). І навпаки, при спорудженні гідроізоляційних пристроїв необхідні матеріали, не змочувані водою.

3 Капілярні явища

Викривлення поверхні рідини у країв судини особливо чітко видно у вузьких трубках, де викривляється вся вільна поверхня рідини. В трубках з вузьким перетином ця поверхня являє собою частину сфери, її називають меніском. У смачивающей рідини утворюється увігнутий меніск (рис. 7, а), а у несмачіваемих # 151; опуклий (рис. 7, б). Так як площа поверхні меніска більше, ніж площа поперечного перерізу трубки, то під дією молекулярних сил викривлена ​​поверхня рідини прагне випрямитися.

Сили поверхневого натягу створюють додатковий тиск під викривленою поверхнею рідини.

Якщо поверхню рідини увігнута. то сила поверхневого натягу спрямована з рідини (рис. 8, а), і тиск під увігнутою поверхнею рідини менше, ніж під плоскою, на. Якщо поверхню рідини опукла. то сила поверхневого натягу спрямована всередину рідини (рис. 8, б), і тиск під опуклою поверхнею рідини більше, ніж під плоскою, на ту ж величину.