Поверхностное натяжение жидкости, воды и водных растворов (Таблица)

структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рис. 3.5.1).

image

Рисунок 3.5.1.

Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед

Рис. 3.5.2 иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие от рис. 3.5.1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис. 3.5.2 дает представление о структуре молекулы воды.

image

Рисунок 3.5.2.

Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·107 раз

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Например, для изменения объема воды на 1 % нужно увеличить давление приблизительно в 200 раз. Такое увеличение давления по сравнению с атмосферным достигается на глубине около 2 км.

Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V пропорционально изменению температуры ΔT:

Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20 °С βв ≈ 2·10–4 К–1, у стали βст ≈ 3,6·10–5 К–1, у кварцевого стекла βкв ≈ 9·10–6 К–1.

Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры (β < 0). Максимум плотности ρ<sub>в = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому жизнь может существовать в воде замерзающих водоемов.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Поверхностные молекулы силами межмолекулярного притяжения втягиваются внутрь жидкости. Но все молекулы, в том числе и молекулы пограничного слоя, должны находиться в состоянии равновесия. Это равновесие достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. Как видно из рис. 3.1.2, при уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Если среднее расстояние между молекулами внутри жидкости равно r, то молекулы поверхностного слоя упакованы несколько более плотно, а поэтому они обладают дополнительным запасом потенциальной энергии по сравнению с внутренними молекулами (см. рис. 3.1.2). Следует иметь ввиду, что вследствие крайне низкой сжимаемости наличие более плотно упакованного поверхностного слоя не приводит к сколь-нибудь заметному изменению объема жидкости. 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), внешние силы должны совершить положительную работу ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:

ΔAвнеш = σΔS.

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 Eр поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Eр = Aвнеш = σS.

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.

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.

Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 3.5.3).

Рисунок 3.5.3.

Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы  и результирующей сил поверхностного натяжения

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу  Если под действием силы  перекладина переместится на Δx, то будет произведена работа ΔAвн = FвнΔx = ΔEp = σΔS, где ΔS = 2LΔx – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил  и  одинаковы, можно записать:

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе разреза длиной 2πR и сил избыточного давления, действующих на площадь πR2 сечения (рис. 3.5.4). Условие равновесия записывается в виде

σ2πR = ΔpπR2.

Отсюда избыточное давление внутри капли равно

(капля жидкости).

Рисунок 3.5.4.

Сечение сферической капли жидкости

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности:

(мыльный пузырь).

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 3.5.5). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.

Рисунок 3.5.5.

Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

На рис. 3.5.6 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести  действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: Fт = Fн, где Fт = mg = ρhπr2g, Fн = σ2πr cos θ.

Отсюда следует:

Рисунок 3.5.6.

Подъем смачивающей жидкости в капилляре

При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае

При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.</p>

Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Перейти к: навигация, поиск

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ — сила, действующая на единицу площади поверхности раздела двух фаз, находящихся в состоянии равновесия, и численно равная работе, затрачиваемой на образование единицы площади такой поверхности. Любая биол, система, в т. ч. клетка (см.), является системой гетерогенной и отличается большим количеством поверхностей раздела, в основном в виде биол, мембран (см. Мембраны биологические), поэтому изучение закономерностей изменения П. н. на границе раздела фаз в биол, системах в норме и при функц, нарушениях или под действием лекарственных средств и токсических соединений находит применение в биол, и мед. исследованиях.

Понятие «поверхностное натяжение» появилось в научной литературе в начале 19 в. благодаря трудам Юнга (Т. Young); подробно П. н. изучали Ван-дер Ваальс (J. D. van der Waals) и представители его школы. Существенный вклад в изучение поверхностных явлений внесли также Гиббс (J. Gibbs), Дюкло (J. Du-claux), Гуггенгейм (E. Guggenheim), Кондо (S. Kondo), П. A. Ребиндер, Б. В. Дерягин и др.

П. п. обычно обозначают греч, буквой σ, единицы измерения П. н. в системе СИ — Дж/м2 или Н/м, в системе СГС — эрг/см2 или дин/см.

Под влиянием П. н. жидкость (см.) стремится сократить свою поверхность, и если влияние силы тяжести мало (напр., при уменьшении размера капель или при погружении исследуемой жидкости в другую жидкость сходной плотности), то исследуемая жидкость принимает форму шара, т. е. тела, обладающего минимальной поверхностью при данном объеме.

П. н. на границе двух жидкостей, называемое межфазным натяжением, уменьшается с возрастанием взаимной растворимости этих жидкостей. В случае двух неограниченно взаиморастворяющихся жидкостей П. н. равно нулю.

В отличие от чистой жидкости состав поверхностного слоя в р-ре отличается от состава р-ра в глубине объема: в поверхностном слое адсорбируется тот из компонентов р-ра, который обусловливает уменьшение П. н. Этому противодействует процесс диффузии (см.), способствующий выравниванию концентраций во всех частях объема р-ра. Итогом этих разнонаправленных процессов является установление равновесия (см. Равновесие химическое). В коллоидных р-рах и р-рах высокомолекулярных соединений время установления равновесия 104 — 105 сек., тогда как в чистых жидкостях ок. 10-4 сек.

При растворении какого-либо вещества в жидкости ее П. н. изменяется. Растворенное вещество может повышать обычно незначительное П. н. жидкости; вещества, обладающие этим свойством, называют поверхностно-неактивными. По отношеншо к воде такими веществами являются неорганические соли, сахара, многоатомные спирты, альфа-аминокислоты. Те вещества, которые понижают П. п. жидкости-растворителя, называют поверхностно-активными веществами (общепринятое сокращение — ПАВ). По отношению к воде такими веществами являются жирные к-ты, одноатомные спирты, эфиры, гликозиды, белки и др. Поверхностная активность обычно характеризуется величиной отношения изменения П. н. к изменению концентрации вещества, вызвавшего изменение П. н. чистого растворителя.

Поверхностная активность органических веществ в гомологическом ряду возрастает примерно втрое при присоединении к углеводородной цепи очередной СНз-группы (правило Дюкло — Траубе). Физиол, активность веществ одного и того же гомологического ряда нередко изменяется пропорционально изменению их поверхностной активности.

Исследования П. н. цельнохр крови, плазмы и сыворотки крови выявили существенные различия между П. н. статическим (равновесным) и динамическим, т. е. П. п., измеренным в условиях, когда вновь образованный поверхностный слой не достиг равновесного состояния. Динамическое П. н. крови практически равно П. н. воды (72,8 эрг/см2). Статическое П. п. крови, в к-рую для предотвращения свертывания добавлен оксалат, составляет 56 ±1 эрг/см2 (для мужчин) и 61 ±2 эрг/см2 (для женщин). Динамическое П. н. крови заметно меняется при беременности и нек-рых патол, состояниях, что обусловлено изменением концентрации в крови различных веществ, являющихся поверхностно-активными. Наиболее резкое уменьшение П. н. наблюдается при анафилактическом шоке.

П. н. крови и сыворотки крови весьма резистентно к действию поверхностно-активных веществ и довольно быстро (приблизительно за 5*102 сек.) восстанавливается при добавлении, напр., 0,1% олеата натрия, сильно и необратимо снижающего П. н. воды (см. Детергенты).

Межфазное натяжение на поверхностях клеточных мембран очень мало и не превышает 5 эрг/см2. Однако изменение этого натяжения играет существенную роль в процессах амебоидного движения, деления клеток, проницаемости клеточных мембран.

Существует несколько методов измерения П. н. Наиболее точным методом измерения величины статического Н. н. является метод капиллярного поднятия. Он состоит в измерении высоты подъема жидкости (h) в стеклянном капилляре, радиус которого r. В этом случае σ = (rhρg2)/2 , где ρ — плотность жидкости, g — ускорение силы тяжести. Метод применим для чистых жидкостей и р-ров низкомолекулярных веществ, хорошо смачивающих поверхность капилляра.

Метод отрыва кольца пли рамки от поверхности жидкости основан на измерении максимальной силы отрыва (F), пропорциональной П. н., длине рамки или длине кольца. Однако этот метод недостаточно точен и мало используется в практике.

Библиография: Адамсон А. У. Физическая химия поверхностей, пер. с англ., М., 1979; Васильев Ю. М. и Маленков А. Г. Клеточная поверхность и реакция к.яетки, Л., 1968; Маленков А. Г. и Чуй ч Г. А. Межклеточные контакты и реакции ткани, М., 1979; Оно С. и К о н д о С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях, пер. с англ., М., 1963; Успехи КОЛ.ЯОИДНОЙ химии, под ред. П. А. Ря-биндера, М., 1973; Proceedings of symposium on surface chemistry of biological systems, N. Y., 1970.

B. Б. Акопян.

Категория: Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Рекомендуемые статьи

Поделись знанием: Материал из Википедии — свободной энциклопедии Перейти к: навигация, поиск

Механика сплошных сред
Сплошная среда
Классическая механика
Закон сохранения массы · Закон сохранения импульса
Теория упругости
Напряжение · Тензор · Твёрдые тела · Упругость · Пластичность · Закон Гука · Реология · Вязкоупругость
Гидродинамика
Жидкость · Гидростатика · Гидродинамика · Вязкость · Ньютоновская жидкость · Неньютоновская жидкость · Поверхностное натяжение
Основные уравнения
Уравнение непрерывности · Уравнение Эйлера · Уравнения Навье — Стокса · Уравнение вихря · Уравнение диффузии · Закон Гука
Известные учёные
Ньютон · ГукБернулли · Эйлер · Коши · Стокс · Навье
См. также: Портал:Физика

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

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. Коэффициент пропорциональности gamma  — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.

В 1983 году было доказано теоретически и подтверждено данными из справочников [www.intellectualarchive.com/getfile.php?file=qKk6nlGeeOK&orig_file=Khaidarov_1983_surface_tension_scan2014.doc (посмотреть статью: Журнал физической химии. 1983, № 10, с. 2528—2530)], что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии (хотя и специфической: для симметричных молекул близких по форме к шарообразным). Приведенные в этой журнальной статье формулы позволяют для некоторых веществ теоретически рассчитывать значения поверхностного натяжения жидкости по другим физико-химическим свойствам, например, по теплоте парообразования или по внутренней энергии (подробнее о физической природе поверхностного натяжения жидкости см.[ru.wikibooks.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5 соотв. статью на викиучебнике] или [2] , [3])

В 1985 году аналогичный взгляд на физическую природу поверхностного натяжения, как части внутренней энергии, при решении другой физической задачи был опубликован В. Вайскопфом (Victor Frederick Weisskopf) в США (V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618—619.).

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.

В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.

Проявления

Внешние видеофайлы
[www.youtube.com/watch?v=KuJQjN5vSQw Видео, демонстрирующее передвижение водомерки по поверхности воды за счёт поверхностного натяжения.]

Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:

  • в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел одинакового объёма). То же самое происходит с каплей жидкости, помещаемой внутрь другой, несмешивающейся жидкости той же плотности (опыт Плато).
  • струя воды «сливается» в цилиндр, который затем разбивается на шаровидные капли.
  • маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения оказывается уравновешенной силой поверхностного натяжения.
  • некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.
  • На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

Математическая теория

Площадь поверхности

С поверхностью жидкости связана свободная энергия

mathcal{E}_{surf} = sigma S

где sigma — коэффициент поверхностного натяжения, S — полная площадь поверхности жидкости[4]. Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Таким образом задача о форме жидкости сводится к изопериметрической задаче при заданных дополнительных условиях (начальное распределение, объём и т. п.). Свободная капля принимает форму шара, однако при более сложных условиях задача о форме поверхности жидкости становится исключительно сложной.

Формула Лапласа

Рассмотрим тонкую жидкую плёнку, толщиной которой можно пренебречь. Стремясь минимизировать свою свободную энергию, плёнка создаёт разность давления с разных сторон. Этим объясняется существование мыльных пузырей: плёнка сжимается до тех пор, пока давление внутри пузыря не будет превышать атмосферное на величину добавочного давления плёнки. Добавочное давление в точке поверхности зависит от средней кривизны в этой точке и задаётся формулой Лапласа:

Delta p = sigma K = sigma left({1over R_1} + {1over R_2}right)

Здесь R_{1,2} — радиусы главных кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный знак — если по разную сторону. Например, для сферы центры кривизны в любой точке поверхности совпадают с центром сферы, поэтому

R_1 = R_2 = R
Delta p = {2sigma over R}

Для случая поверхности кругового цилиндра радиуса R имеем

R_1 = R, ~~~R_2 = infty
Delta p = {sigma over R}

Обратите внимание, что Delta p должно быть непрерывной функцией на поверхности плёнки, так что выбор «положительной» стороны плёнки в одной точке локально однозначно задаёт положительную сторону поверхности в достаточно близких её точках.

Из формулы Лапласа следует, что свободная мыльная плёнка, натянутая на рамку произвольной формы и не образующая пузырей, будет иметь среднюю кривизну, равную 0.

Зависимость от температуры

С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается и равна нулю при критической температуре. Наиболее известная эмпирическая зависимость поверхностного натяжения от температуры была предложена Лорандом Этвёшом, так называемое правило Этвёша (англ.). В настоящее время получен вывод теоретической зависимости поверхностного натяжения от температуры в области до критических температур, подтверждающей правило Этвёша (журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета», 2012, вып. 1, с. 24-28).

Способы определения

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов (например, в случае концентрированных растворов полимеров с высокой вязкостью). Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения. Например, для раствора мыла после перемешивания поверхностное натяжение 58 мДж/м², а после отстаивания — 35 мДж/м² . То есть поверхностное натяжение меняется. До установления равновесного оно будет динамическое.

Статические методы:

  1. Метод поднятия в капилляре
  2. Метод Вильгельми
  3. Метод лежачей капли
  4. Метод определения по форме висячей капли.
  5. Метод вращающейся капли

Динамические методы:

Поверхностное натяжение обуславливается направлением внутрь притяжением молекул жидкости, находящихся в поверхностном слое. Это притяжение вызывает искривление свободной поверхности жидкости и создает некоторую разность давлений:

∆p = δ (1/R+ 1/R2) $

Здесь ∆p обозначает разность давлений, а R1 и R2 – главные радиусы кривизны поверхности жидкости. Величина δ обозначает коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость – газ, δ обычно измеряется в дин/см (эквивалентно свободной поверхности энергии в эрг/см2). При соприкосновении двух (взаимно не растворяющихся) жидкостей говорят о поверхностном натяжении на границе двух жидкостей; при соприкосновении жидкости и твердого тела говорят о явлениях смачивания и не смачивания (капиллярных явлениях).

Зависимость от температуры. Натяжение уменьшается при возрастании температуры жидкости и при ее критической температуре становится равным нулю. Для многих жидкостей применима формула:

-d/dt [δ (M/p)2/3 = 2,12

( M – молекулярный вес, р – плотность, t – температура).

Таблица поверхностное натяжение воды на границе с воздухом

T, °C

10

15

20

25

30

40

50

60

70

80

100

Поверхностное натяжение δ

75,7

74,2

73,5

72,75

72,0

71,2

69,6

67,9

66,2

64,4

62,6

58,8

Таблица поверхностное натяжение различных жидкостей

(в – на границе с воздухом, п – на границе с парами этой же жидкости) 

Жидкость

На границе

 δ

Жидкость

На границе

δ

Неорганические вещества

Алюминий

в

700

840

Натрий йодистый

N2

861

776

Азот

п

-183

6,2

Натрий сернокислый

N2

900

195

Золото

в

1130

1102

Натрий фтористый

N2

1010

200

Кадмий

N2

320

630

Натрий хлористый

N2

908

106

Калий

CO2

64

410

Ртуть

п

20

472

Калий хлористый

N2

909

88

Ртуть

п

100

456

Кислород

в

-183

13,1

Свинец

CO2

350

453

Натрий

CO2

90

290

Свинец хлористый

в

490

138

Органические вещества

Анилин

п

20

42,9

Спирт н-пропиловый

п

20

23,8

Ацетон

п

20

23,7

Спирт этиловый

в

24,1

Ацетон

п

50

20,0

Спирт этиловый

п

10

23,6

Бензол

в

10

30,22

Спирт этиловый

п

20

22,8

Бензол

в

20

28,88

Спирт этиловый

п

30

21,9

Бромоформ

п

20

41,5

Толуол

п

20

28,4

Н-Гексан

в

20

18,4

Углерод 4-хлористый

п

20

27,0

Глицерин

в

20

63,4

Углерод 4-хлористый

п

100

17,3

Н-Кислота масляная

в

20

26,8

Фенол

в

20

40,9

Кислота олеиновая

в

20

32,5

Хлороформ

в

20

27,14

Кислота уксусная

п

20

27,8

Этил бромистый

п

20

24,2

Н-Октан

в

20

21,8

Этилацетат

п

20

23,6

Сероуглерод

п

20

32,3

Эфир этиловый

п

20

16,96

Н-Спирт бутиловый

в

20

24,6

Эфир этиловый

п

50

13,4

Спирт метиловый

в

24,5

Спирт метиловый

в

20

22,6

Спирт метиловый

п

50

20,2

Таблица поверхностное натяжение водных растворов солей

Соль

Соль

KCI

1,4

NaNO3

1,2

NaCI

1,64

Na2SO4

2,7

Na2CO3

2,7

Таблица поверхностное натяжение на границе двух жидкостей при 20С

Жидкости

Поверхностное натяжение δ, дин/см

Жидкости

Поверхностное натяжение δ, дин/см

ВОДА И

Хлороформ

28

Бензол

35

Эфир этиловый

10

Н-Гептан

51

РТУТЬ И

Кислота гептоловая

7

Ацетон

390

Масло парафиновое

48

Бензол

357

Масло прованское

20

Н-Гептан

379

Н-Октан

51

Кислота олеиновая

322

Углерод

45

Хлороформ

357

Поделитесь ссылкой с друзьями:

Похожие таблицы

Комментарии:

comments powered by HyperComments

Дадим теперь количественную характеристику поверхностного натяжения. Проведём следующий опыт. Нальём в бюретку В воды и откроем немного кран К так, чтобы из бюретки медленно капала вода. Можно заметить, что каждая капля постепенно растёт, отрывается и падает. Если спроецировать конец бюретки с каплей на экран, то видно, что по мере роста капли между ней и жидкостью в трубке образуется шейка, постепенно суживающаяся. Отрыв капли С происходит по окружности шейки АВ. Следовательно, эта окружность в момент отрыва является границей поверхностного слоя. Вдоль неё действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю.

Силы поверхностного натяжения распределены по длине линии, поэтому для установления искомой нами количественной характеристики может служить величина силы поверх постного натяжения, действующая на единицу длины линии.

Отношение силы поверхностного натяжения к длине границы поверхностного слоя жидкости называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Обозначим коэффициент поверхностного натяжения буквой σ  (греч. «сигма»). Тогда согласно определению:

σ = F/l

где F – сила поверхностного натяжения, а l – длина границы поверхностного слоя. Если силу выражать в динах, а длину в сантиметрах, то σ будет измеряться в дин/см.

Рассмотрим теперь, как рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды в нашем опыте.

Капля отрывается тогда, когда вес её Р становится больше силы поверхностного натяжения F. Если r – радиус шейки АВ, то l = 2πr.

Поскольку непосредственно перед моментом отрыва F = P, то мы можем написать:

σ = P/r

Взвесив несколько десятков капель, можно определить средний вес отдельной капли и, приняв r равным внутреннему радиусу трубки (на самом деле r немного меньше этого радиуса), можно найти по этой формуле приближённо величину σ.

В таблице приведены значения коэффициента поверхностного натяжения для некоторых жидкостей.

Жидкость Температура, оС Поверхностное натяжение, дин/см

Вода

Вода

Вода

Вода

Раствор мыла

Спирт

Эфир

Ртуть

Свинец жидкий

Железо жидкое

Платина жидкая

Жидкий водород

Жидкий гелий

18

35

100

20

20

25

20

336

1267

2000

-253

-269

75,5

74

70

58,8

40

22

17

470

442

963

1819

2,1

0,12

Как видно из таблицы, с повышением температуры поверхностное натяжение у воды уменьшается; то же относится ко всем жидкостям.

Очень велико поверхностное натяжение у расплавленных металлов, очень мало у сжиженных газов, особенно у жидкого гелия.

На величину поверхностного натяжения влияют различные причины. Малейшие примеси в жидкости сильно меняют величину поверхностного натяжения, в большинстве случаев уменьшая её. В практике с этим приходится считаться; в частности, при определении коэффициента поверхностного натяжения надо пользоваться исключительно чистыми жидкостями.

Если бросить на поверхность воды мелкие кусочки камфары, то они начнут совершать сложные, весьма запутанные движения. Чем эти движения вызываются?

Кусочки камфары вследствие неправильной формы растворяются в поверхностном слое воды по–разному. Появление же в воде примесей камфары изменяет величину поверхностного натяжения воды, и тем сильнее, чем больше растворяется камфара. Различие в величине поверхностного натяжения воды, окружающей кусочек камфары, и вызывает эти причудливые движения.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий