Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер плотности потока водяного пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

ньютон на метр миллиньютон на метр грамм-сила на сантиметр дина на сантиметр эрг на квадратный сантиметр эрг на квадратный миллиметр паундаль на дюйм фунт-сила на дюйм

Напряженность электрического поля

Подробнее о поверхностном натяжении

Общие сведения

Поверхностное натяжение - свойство жидкости противостоять силе, которая на нее действует. По сравнению с другими жидкостями, поверхностное натяжение воды одно из самых высоких. Это свойство воды вызвано ее молекулярной структурой, благодаря которой связи между молекулами намного прочнее, чем у других жидкостей.

Поверхностное натяжение зависит от самой жидкости и ее молекулярной структуры, но также и от того, с каким материалом эта жидкость соприкасается. Когда речь идет о поверхностном натяжении в животном мире и во многих других примерах, приведенных ниже, то обычно рассматривают либо систему вода-воздух, либо водные растворы различных веществ, так как это самые распространенные системы, которые встречаются в природе.

Вычисления поверхностного натяжения

Чтобы увеличить площадь поверхности воды, то есть, чтобы растянуть эту поверхность, нужно совершить механическую работу по преодолению сил поверхностного натяжения. Если к жидкости не приложены другие внешние силы, она стремится принять форму, при которой площадь поверхности этой жидкости минимальна. Как мы увидим ниже, наиболее оптимальной формой является шар. В условиях невесомости жидкость действительно принимает форму шара. Потенциальную энергию поверхностного натяжения находят по формуле:

Ε surf = σ · S

Здесь σ - это коэффициент поверхностного натяжения, а S - общая площадь жидкости. Эту формулу также можно выразить как:

σ = ε surf / S

Как видно из этой формулы, коэффициент поверхностного натяжения σ выражается в джоулях на квадратный метр (Дж/м² = Н/м). То есть, коэффициент поверхностного натяжения при постоянной температуре жидкости равен работе, которую необходимо выполнить, чтобы увеличить поверхность жидкости на единицу площади. Вспомним, что джоуль равен ньютону, умноженному на метр, и получим еще одну единицу для измерения поверхностного натяжения - ньютон на метр (Н/м).

О терминологии

Поверхностное натяжение возникает не только в системах воздух-жидкость. Чаще всего, когда говорят о силе на длину, имеют ввиду поверхностное натяжение в системах жидкость-газ. Иногда речь идет о системах жидкость-жидкость, которые тоже имеют поверхностное натяжение. Пример системы жидкость-жидкость, в котором можно говорить о поверхностном натяжении - это лавовые лампы. Когда лампа выключена, то парафин в ней находится в твердом состоянии, но когда она включена, он нагревается, тает, и поднимается вверх, так как в нагретом состоянии парафин легче жидкости, в которой он находится, а в холодном - тяжелее.

Механизм работы поверхностного натяжения

Каждая молекула в жидкости действует на окружающие молекулы с определенной силой. Соответственно, на каждую молекулу также действует ряд сил из разных направлений со сторон других молекул. Действие этих сил между молекулами показано на иллюстрации. Эти силы возникают благодаря тому, что атомы водорода и кислорода, из которых состоит вода, притягиваются друг к другу из-за разности зарядов (отрицательный заряд кислорода притягивается к положительному заряду водорода). Эти силы притягивают молекулы в разные стороны, по направлению друг к другу.

Ситуация с молекулами на поверхности вещества состоит немного иначе, так как величина силы, с которой молекулы воздуха действуют на молекулы воды намного меньше, чем силы, с которой молекулы воды действуют друг на друга. Как показано на иллюстрации, силы, действующие на молекулы на поверхности жидкости, меньше, чем силы, действующие на все остальные молекулы внутри вещества. Силы, действующие на эти молекулы, действуют на них со сторон, с которых они окружены другими молекулами воды, но не с поверхности. Благодаря этому молекулы на поверхности притягиваются внутрь жидкости с большей силой, чем они притягиваются в сторону поверхности. Из-за этого на поверхности образуется намного более «прочный» слой воды. Силы, действующие на молекулы на поверхности, заставляют поверхность сжиматься, чтобы как можно сильнее уменьшить площадь поверхности. По сравнению с другими связями, эти связи намного труднее разрушить.

Силы, которые действуют на молекулы воды, обусловливают наличие двух свойств воды -адгезии и когезии . Когезия - это свойство молекул одного и того же вещества притягиваться друг к другу. Как мы увидели из предыдущих примеров, молекулы воды обладают высокой когезией. Именно благодаря когезии возможно поверхностное натяжение.

Адгезия, наоборот, свойство молекул разных веществ или материалов притягиваться друг к другу. Например, если адгезия между жидкостью и сосудом велика, то жидкость «взбирается» по поверхности сосуда, в то время как область в центре жидкости остается на месте. Это хорошо видно на примере воды в стеклянном сосуде - вода образует вогнутый мениск , если налить ее в узкий сосуд.

Кончено, вогнутый мениск образуется в любом стеклянном сосуде, если тот не слишком полон, но этот эффект намного легче увидеть в узком сосуде, например в трубке. Стоит заметить, что на иллюстрации полного стакана мениск выпуклый . Это вызвано тем, что воде не за что «зацепиться», кроме как за другие молекулы воды. Выпуклая форма мениска вызвана когезией между молекулами воды. Процесс образования выпуклого мениска похож на процесс формирования капель воды, который описан ниже.

Если адгезия между поверхностью вещества и жидкости мала, то мениск будет выпуклым. Это вызвано тем, что молекулы жидкости притягиваются к другим молекулам жидкости сильнее, чем они притягиваются к поверхности сосуда. Наглядный пример такого мениска: ртуть. Если у вас есть измерительный прибор с ртутью внутри, например термометр, то вы легко увидите этот мениск.

Примеры поверхностного натяжения в работе

Примеры поверхностного натяжения в быту и технике окружают нас повсеместно. Легче всего увидеть эффект поверхностного натяжения в системах вода-воздух.

Капли воды

Образование капель сферической формы также происходит благодаря силам, которые притягивают молекулы поверхности жидкости внутрь. Представим каплю, как ее часто рисуют дети - ее форма совсем не сферическая, а продолговатая, удлиненная сверху и округленная снизу. Самое распространенное изображение капли имеет такую форму потому, что мы чаще всего видим капли именно такими, когда на них действуют различные силы. Например, так выглядят капли, которые скатываются по поверхности листьев и веток деревьев, а потом стекают вниз.

Когда капля еще не стекла с поверхности, на которой она находится, на нее действует несколько сил, включая силу притяжения. Вода легко изменяет форму, и капля, перед тем как упасть вниз, растянута и представляет собой висячую каплю . Нам хорошо знакома эта форма, так как такие капли, в отличие от сферических, движутся довольно медленно, и их легко увидеть.

По мере того, как капля растягивается, она достигает точки максимального растяжения, после которой силы поверхностного натяжения не могут больше удерживать молекулы капли как единое целое. Капля отрывается от других молекул воды и падает вниз. Пока она летит вниз, влияние окружающих сил на нее уменьшается, и благодаря поверхностному натяжению ее форма становится сферической, как мы обсудили выше.

Как видно на фотографии кофейной капли, которая падает в чашку из кофеварки эспрессо, форма этой капли очень близка к сферической, хотя она немного деформирована силой притяжения, которая на нее действует.

Чтобы понять механизм образования сферической капли, можно также рассмотреть поверхностное натяжение с точки зрения энергии, как в определении этого явления выше. Частицы притягиваются к другим частицам с противоположным зарядом, поэтому можно сказать, что у этих частиц есть потенциальная энергия, которая зависит от того, как эти молекулы взаимодействуют с окружающими молекулами. Молекулы на поверхности жидкости не окружены другими молекулами со стороны поверхности, поэтому их потенциальная энергия выше. Такая система стремится уменьшить потенциальную энергию, согласно принципу минимальной потенциальной энергии . Это значит, что молекулы с более высокой потенциальной энергией стремятся уменьшить ее, например, изменяя свою форму. В нашем случае это достигается изменением формы, которую принимает вода.

При постоянном поверхностном натяжении потенциальную энергию можно уменьшить, уменьшив площадь. Важно помнить, что речь идет о площади между молекулами. Рассмотрев формулы вычисления площади различных геометрических фигур заметим, что шар лучше всего подходит для уменьшения площади между молекулами, то есть эта площадь для молекул по наружной поверхности шара минимальная по сравнению с другими геометрическими формами. Эту зависимость можно доказать, используя уравнение Эйлера - Лагранжа .

Изменение поверхностного натяжения при изменении температуры и химического состава вещества

Стоит заметить, что при увеличении температуры поверхностное натяжение уменьшается. Это происходит потому, что при увеличении температуры молекулы становятся более активными и интенсивность их колебаний возрастает. В результате расстояние между молекулами увеличивается и связи между молекулами ослабевают. Некоторые вещества, добавленные в воду, например, мыло, также уменьшают поверхностное натяжение, и это позволяет воде лучше приставать к другим поверхностям.

Пониженное поверхностное натяжение позволяет воде проникать в поры и труднодоступные отверстия, например между волокнами ткани. Это возможно благодаря тому, что молекулы воды легко отделяются друг от друга при пониженном поверхностном натяжении. Именно поэтому ткани, посуду, и другие предметы и поверхности чаще всего моют горячей водой. Моющие средства имеют такой же эффект по уменьшению поверхностного натяжения, что и нагревание, поэтому их также нередко используют для мытья поверхностей, часто в совокупности с горячей водой.

Поверхностное натяжение в капиллярах

Выше мы рассмотрели образование мениска благодаря адгезии, но это не единственный пример того, как жидкости ведут себя в узких трубках и капиллярах. Жидкости поднимаются вверх по капилляру или трубке благодаря адгезии, но для того, чтобы жидкость могла подняться по трубке как одно целое, не разорвавшись, кроме адгезии также нужна когезия. Чем уже капилляр, тем выше может подняться жидкость, так как в более широкой трубке поверхностного натяжения может быть недостаточно для того, чтобы поднять большое количество воды вверх.

Примерами этого явления в капиллярах являются бумажные полотенца, которые впитывают пролитую жидкость, спортивная одежду из ткани, которая впитывает пот, и корни, которые впитывают воду из земли и передвигают ее по стволу, к веткам и листьям. Стоит заметить, что такое движение жидкости может быть вызвано не только поверхностным натяжением, но и осмосом. Интересное явление в индуистских храмах, известное как молочное чудо также объясняют работой капилляров. Молочное чудо заключалось в следующем. Посетители одного из индуистских храмов в Индии заметили, что статуи богов на территории храма «пили» молоко, которое перед ними оставляли на тарелочках верующие. Это явление было замечено в некоторых других храмах Индии, а также за пределами страны. Ученые объясняют это явление работой капилляров: камень, из которого были высечены статуи был пористым, и молоко поднималось по капиллярам внутрь статуй.

Как видно из этих примеров, без поверхностного натяжения не было бы и явлений движения жидкости по капиллярам. Жидкость может пристать к стенкам сосуда, если адгезия между жидкостью и материалом сосуда высока, но без поверхностного натяжения она не может поползти вверх, так как она не может двигаться как одно целое.

Предметы, плавающие на поверхности жидкости

Предметы, которые не намокают в жидкости и имеют плотность выше плотности воды, могут держаться на поверхности воды за счет равновесия между силами, благодаря которым возникает поверхностное натяжение и силам, которые тянут тело вниз, например весом тела. Здесь мы говорим только о телах из водостойких материалов. Если вода проникает внутрь материала или пристает к оболочке, то картина значительно усложняется. Это свойство тела оставаться на поверхности легко продемонстрировать на примере скрепки или иголки, плавающей на поверхности воды. Осторожно опустим скрепку в воду, стараясь не прилагать силу, большую силы поверхностного натяжения. Чтобы уменьшить количество воды, которое пристает к поверхности скрепки и заставляет ее опуститься под воду, покроем скрепку маслом. Если мы опустили скрепку на воду достаточно аккуратно, то она останется на поверхности воды.

Форма капель, которые пристали к твердой поверхности

В описанных ранее примерах мы увидели, что капли воды стремятся достичь сферической формы, чтобы уменьшить потенциальную энергию в системе. Иногда невозможно достичь формы шара, поэтому капли принимают форму, наиболее к нему близкую. Если капля воды упала на твердую поверхность и пристала к ней, то нижняя часть капли, которая соприкасается с этой поверхностью, примет форму этой поверхности, например, становится плоской. Это происходит потому, что сила притяжения притягивает каплю к поверхности. Поверхность капли, которая соприкасается только с воздухом, будет, наоборот, приближена к форме шара. В результате, капли на плоских поверхностях, например на листе или на стекле, приобретает форму полушария.

Когда капли падают на твердую поверхность, они принимают форму, которая позволяет уменьшить площадь, и остаются в таком виде до тех пор, пока равновесие между силами не нарушается настолько, что поверхностное натяжение не может больше удерживать каплю на поверхности в этой форме. Например, капли росы остаются на ткани палатки до тех пор, пока они не соприкоснутся с другой поверхностью. Когда капли образовались снаружи, если потрогать ткань палатки изнутри и убрать руку, то поверхностное натяжение нарушится настолько, что капли проникнут через ткань палатки и вода останется на пальцах.

Интересное явление можно увидеть, если налить в бокал алкогольный напиток, например вино, особенно когда это вино с высоким содержанием алкоголя. На стенках этого бокала образуются капли воды, известные под названием «слезы вина» .

Это явление вызвано рядом факторов, включая разницу в поверхностном натяжении этилового спирта и воды. Как мы уже упоминали выше, поверхностное натяжение воды велико, по сравнению с другими жидкостями. Оно во много раз превышает поверхностное натяжение этилового спирта. В смесях воды и спирта, как, например, в вине, молекулы воды притягиваются друг к другу больше, чем к молекулам спирта. Из-за этого вода «убегает» от молекул спирта, вверх по стенкам бокала. Другими словами, вода движется от молекул этанола по направлению к молекулам воды.

В вине в бокале этанол, конечно, есть, но на поверхности стакана над уровнем вина его нет, поэтому вода движется именно вверх по стенкам бокала. При этом на стенках над уровнем вина образуются капли, похожие на слезы. Отсюда и название этого явления.

Чем больше воды собирается в капле, и чем выше она поднимается, тем сложнее ей удерживаться на стекле только благодаря поверхностному натяжению. В конце концов, капля стекает назад в стакан. Чем выше содержание спирта в вине, тем более выражен этот эффект.

Поверхностное натяжение в медицинской диагностике

Врачи используют информацию о поверхностном натяжении вещества, чтобы определить его содержание в смеси. Например, для некоторых форм желтухи характерно высокое содержание желчных солей в моче. Присутствие этих солей понижает поверхностное натяжение мочи, и поэтому их содержание можно определить, проверив, всплывает ли или тонет определенное вещество в моче, в нашем случае - порошок серы. Он не тонет в моче здорового пациента, но если в ней есть примесь желчных солей, то поверхностное натяжение недостаточно, и порошок серы тонет. Этот тест называют тестом Хэя .

В природе

Измерение поверхностного натяжения

Есть несколько способов найти поверхностное натяжение, используя различные измерительные приборы. Ниже рассмотрим несколько широко известных измерительных систем.

В устройствах первого типа измеряется сила, приложенная к измерительному прибору в результате поверхностного натяжения. При измерении по методу отрыва кольца дю Нуи и методу дю Нуи–Падэя оценивается сила, необходимая для поднятия с поверхности жидкости кольца или иглы, соответственно. Согласно третьему закону Ньютона, сила, приложенная к кольцу или игле благодаря поверхностному натяжению, когда мы поднимаем их с поверхности жидкости, равна по величине силе, которая нужна, чтобы поднять эти предметы с поверхности воды. То есть, измеряя силу, которая нужна для поднятия эти предметов, мы также получаем величину силы, которая препятствует их подъему.

Метод Вильгельми измеряет силу, которая действует на металлическую пластину, погруженную в жидкость, поверхностное натяжение которой измеряют. Жидкость пристает к пластине, к кольцу или к игле (как в предыдущих методах измерения), и поверхностное натяжение удерживает молекулы жидкости, приставшие к поверхности, а также и остальные молекулы вместе, как единое целое. То есть, жидкость «не отпускает» пластину, кольцо или иглу. Материал, из которого изготовлена пластина, известен, также как и то, насколько сильно вода пристает к этому материалу, и это учитывают при вычислении силы.

Поверхностное натяжение можно также найти, используя вес капель воды, которые падают из вертикальной трубки или капилляра. Этот метод называется сталагмометрическим , а устройство, которым измеряют поверхностное натяжение - сталогмометром. Поверхностное натяжение жидкости легко вычислить по весу капли, так как вес и поверхностное натяжение взаимосвязаны. Если известен диаметр трубки, то вес капли можно определить по количеству капель в определенном количестве жидкости.

Метод определения по форме висящей капли похож на предыдущий тем, что в нем также используют каплю для определения силы поверхностного натяжения. В этом случае измеряют насколько капля может удлиниться перед тем, как она отделится от остальной жидкости и упадет вниз.

Существуют также измерительные приборы, которые раскручивают жидкость и газ (для систем жидкость-газ) до тех пор, пока система не достигнет равновесия, и форма вещества не станет постоянной. При этом определяют поверхностное натяжение по форме вещества с меньшей плотностью. Этот метод измерения поверхностного натяжения называютметодом вращающейся капли .

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Поверхностное натяжение питьевой воды

Важным параметром питьевой воды является поверхностное натяжение. Оно определяет степень сцепления между молекулами воды и форму поверхности жидкости, а так же определяет степень усвояемости воды организмом.

Уровень испаряемости жидкости зависит от того, насколько сильно сцеплены между собой ее молекулы. Чем сильнее молекулы притягиваются друг к другу, тем жидкость менее летуча. Чем меньше показатель поверхностного натяжения жидкости, тем более она летуча. Самым низким поверхностным натяжением обладают спирты и растворители. Это, в свою очередь, определяет их активность — способность взаимодействовать с другими веществами.

Зрительно поверхностное натяжение можно представить следующим образом: если медленно наливать в чашку чай до краев, то какое-то время он не будет выливаться через край и в проходящем свете можно увидеть, что над поверхностью жидкости образовалась тончайшая пленка, которая не дает чаю выливаться. Она набухает по мере доливания, и только при, как говорится, «последней капле» жидкость выливается через край.

Чем более «жидкая» вода используется для питья, тем меньше энергии требуется организму для разрыва молекулярных связей и насыщения клеток водой.

Единицей измерения поверхностного натяжения является дин/см.

Водопроводная вода имеет степень поверхностного натяжения до 73 дин/см, а внутри- и внеклеточная жидкость около 43 дин/см, поэтому клетке требуется большое количество энергии на преодоление поверхностного натяжения воды.

Образно говоря, вода бывает более «густая» и более «жидкая». Желательно, чтобы в организм поступала более «жидкая» вода, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения. Вода с низким поверхностным натяжением более биологически доступна. Она легче вступает в межмолекулярные взаимодействия.

Вы задумывались когда нибудь о том, «Почему горячая вода отмывает грязь лучше, чем холодная?». Это происходит потому что с ростом температуры воды снижается ее поверхностное натяжение. Чем ниже поверхностное натяжение воды, тем лучшим растворителем она является. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры. С ростом температуры (уменьшается и при критической температуре обращается в нуль. В зависимости от силы взаимодействия молекул жидкости с частицами твёрдого тела, соприкасающегося с ней, возможно смачивание или не смачивание жидкостью твёрдого тела. В обоих случаях поверхность жидкости вблизи границы с твёрдым телом искривляется.

Поверхностное натяжение воды можно понизить, например, добавляя биологически активные вещества или нагревая жидкость. Чем ближе будет значение поверхностного натяжение воды, которую вы употребляете для питья, к 43 дин/см, тем с меньшими энергетическими затратами она может быть усвоена вашим организмом.

Не знаете где можно взять правильную воду ? Я подскажу!

Обратите внимание:

Нажатие на кнопку «Узнать » не ведет к каким-либо финансовым тратам и обязательствам.

Вы лишь получите информацию о доступности правильной воды в Вашем регионе ,

а так же получите уникальную возможность бесплатно стать членом клуба здоровых людей

Поверхностный слой,

тонкий слой вещества близ поверхности соприкосновения двух фаз (тел, сред), отличающийся по свойствам от веществ в объёме фаз. Особые свойства П. с. обусловлены сосредоточенным в нём избытком свободной энергии (см. Поверхностная энергия, Поверхностное натяжение), а также особенностями его строения и состава. П. с. на границе конденсированных фаз часто называют межфазным слоем. Толщина П. с. зависит от разности плотностей фаз, интенсивности и типа межмолекулярных взаимодействий в граничной зоне, температуры, давления, химических потенциалов и др. термодинамических параметров системы. В одних случаях она не превышает толщины мономолекулярного слоя, в других - достигает десятков и сотен молекулярных размеров. Так, П. с. жидкостей вблизи критических температур смешения могут иметь толщину 1000 (100 нм) и более. П. с., образованный молекулами (или ионами) адсорбированного вещества, называется адсорбционным слоем. Особенно резко изменяются состав и свойства П. с. при адсорбции поверхностно-активных веществ. Адсорбционное, хемосорбционное и химическое воздействия на П. с. твёрдого тела могут вызвать его лиофилизацию или лиофобизацию (см. Лиофильность и лиофобность), привести к понижению его прочности (см. Ребиндера эффект) или, наоборот, повысить механические характеристики. Состояние П. с. различных конструкционных, радиотехнических и др. материалов сильно отражается на их эксплуатационно-технических и технологических характеристиках. Со свойствами П. с. связаны многообразные поверхностные явления в окружающем нас мире.

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, объем 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 .

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:

1. Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).

2. Сталагмометрический, или метод счета капель.

3. Метод максимального давления пузырька.

4. Метод осциллирующей струи

5. Метод стоячих волн

6. Метод бегущих волн

Поверхностное натяжение , стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию). Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз (размерность Дж/м 2). Согласно другому определению, поверхностное натяжение – сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к поверхности и препятствует ее самопроизвольному увеличению.

Поверхностное натяжение – основная термодинамическая характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или другой жидкостью. Поверхностное натяжение различных жидкостей на границе с собственным паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до нескольких тысяч мН/м для расплавленных тугоплавких веществ. Поверхностное натяжение зависит от температуры. Для многих однокомпонентных неассоциированных жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критической температуры хорошо выполняется линейная зависимость:

Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ) - химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность - способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз - это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.

На этом уроке пойдет речь о жидкостях и их свойствах. Жидкости обладают рядом интереснейших свойств и их проявлений. Об одном таком свойстве и пойдет речь на этом уроке.

В окружающем нас мире наряду с тяготением, упругостью и трением действует ещё одна сила, на которую мы обычно мало или совсем не обращаем внимания. Сила эта сравнительно невелика, её действие никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не может налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, о которых у нас и пойдёт речь. Это силы поверхностного натяжения.

Способность жидкости сокращать свою поверхность называется поверхностным натяжением.

Силой поверхностного натяжения называют силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить её до минимума.

Сила поверхностного натяжения определяется формулой, произведением сигмы на эль. Где сигма – коэффициент поверхностного натяжения, эль – длина периметра смачивания.

Остановимся подробнее на понятии “коэффициента поверхностного натяжения”.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно к этому периметру.

Также коэффициент поверхностного натяжения жидкости – это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости.

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией, которой эти молекулы обладали бы, находясь внутри жидкости.

Поверхностная энергия – избыточная потенциальная энергия, которой обладают молекулы на поверхности жидкости.

Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в ньютонах, деленных на метр.

Обсудим, от чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Для начала, вспомним, что коэффициент поверхностного натяжения характеризует удельную энергию взаимодействия молекул, а значит факторы, изменяющие эту энергию, изменят и коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Итак, коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

1. Природы жидкости (у “летучих” жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у “нелетучих” – воды, ртути и жидких металлов).

2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

3. Наличие поверхностно активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например мыла или стирального порошка.

4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Силы поверхностного натяжения определяют форму и свойства капель жидкости, мыльного пузыря. Эти силы удерживают на поверхности воды стальную иглу и насекомое водомерку, удерживают влагу на поверхности ткани.

Убедиться в существовании сил поверхностного натяжения можно при помощи простого эксперимента. Если к проволочному кольцу в двух местах привязана нить, причем так, чтобы длина нити была несколько больше длины хорды, соединяющей точки крепления нити, и обмакнуть проволочное кольцо в мыльный раствор, мыльная пленка затянет всю поверхность кольца и нить будет лежать на мыльной пленке. Если теперь порвать пленку с одной стороны нити, мыльная пленка, оставшаяся с другой стороны нити, сократится и натянет нить. Почему же так произошло? Дело в том, что оставшийся сверху мыльный раствор, то есть жидкость, стремится сократить площадь своей поверхности. Таким образом, нить вытягивается вверх.

Рассмотрим опыт, подтверждающий стремление жидкости уменьшить поверхность соприкосновения с воздухом или паром этой жидкости.

Интересный опыт был проведён бельгийским физиком Жозефом Плато. Он утверждает, если капля находится в условиях, когда основное влияние на её форму оказывают силы поверхностного натяжения, она принимает форму с наименьшей поверхностью, то есть сферическую.

Поверхностное натяжение , стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию). Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз (размерность Дж/м 2). Согласно другому определению, поверхностное натяжение - сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к поверхности и препятствует ее самопроизвольному увеличению.

Поверхностное натяжение - основная термодинамическая характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или другой жидкостью. Поверхностное натяжение различных жидкостей на границе с собственным паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до нескольких тысяч мН/м для расплавленных тугоплавких веществ. Поверхностное натяжение зависит от температуры. Для многих однокомпонентных неассоциированных жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критической температуры хорошо выполняется линейная зависимость:

где s и s 0 - поверхностное натяжение при температурах T и T 0 соответственно, α≈0,1 мН/(м·К) - температурный коэффициент поверхностного натяжения . Основной способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Поверхностное натяжение входит во многие уравнения физики, физической и коллоидной химии , электрохимии .

Оно определяет следующие величины:

1. капиллярное давление , где r 1 и r 2 - главные радиусы кривизны поверхности, и давление насыщенного пара р r над искривленной поверхностью жидкости: , где r - радиус кривизны поверхности, R - газовая постоянная, V n - молярный объем жидкости, p 0 - давление над плоской поверхностью (законы Лапласа и Кельвина, см. Капиллярные явления).

2. Краевой угол смачивания θ в контакте жидкости с поверхностью твердого тела: cos , где - удельная свободная поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и жидкостью, - поверхностное натяжение жидкости (закон Юнга, см. Смачивание).

3. Адсорбцию ПАВ где μ - химический потенциал адсорбируемого вещества (уравнение Гиббса, см. Адсорбция). Для разбавленных растворов где с - молярная концентрация ПАВ.

4. Состояние адсорбционного слоя ПАВ на поверхности жидкости: (p s + a/A 2 )·(A - b )=kT , где p s =(s 0 —s) - двухмерное давление, s 0 и s - соответственно поверхностное натяжение чистой жидкости и той же жидкости при наличии адсорбционного слоя, а - постоянная (аналог постоянной Ван-дер-Ваальса), A - площадь поверхностного слоя, приходящаяся на одну адсорбированную молекулу, b - площадь, занимаемая 1 молекулой жидкости, k - постоянная Больцмана (уравнение Фрумкина-Фольмера, см. Поверхностная активность).

5. Электрокапиллярный эффект: - d s/d f = r s , где r s - плотность поверхностного заряда, f-потенциал электрода (уравнение Липмана, см. Электрокапиллярные явления).

6. Работу образования критического зародыша новой фазы W c . Например, при гомогенной конденсации пара при давлении , где p 0 - давление пара над плоской поверхностью жидкости (уравнение Гиббса, см. Зарождение новой фазы).

7. Длину l капиллярных волн на поверхности жидкости: , где ρ - плотность жидкости, τ - период колебаний, g - ускорение свободного падения.

8. Упругость жидких пленок со слоем ПАВ: модуль упругости , где s - площадь пленки (уравнение Гиббса, см. Тонкие пленки).

Поверхностное натяжение измерено для многих чистых веществ и смесей (растворов, расплавов) в широком интервале температур и составов. Поскольку поверхностное натяжение весьма чувствительно к наличию примесей, измерения разными методиками не всегда дают совпадающие значения.

Основные методы измерения следующие:

1. подъем смачивающих жидкостей в капиллярах. Высота подъема , где - разность плотностей жидкости и вытесняемого газа, ρ - радиус капилляра. Точность определения поверхностного натяжения растет с уменьшением отношения ρ/α (α -капиллярная постоянная жидкости).

2. Измерение максимального давления в газовом пузырьке (метод Ребиндера); расчет основан на уравнении Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом r перед моментом отрыва давление p m =2σ/r

3. Метод взвешивания капель (сталагмометрия): (уравнение Тейта), где G - общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r . Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэфициент, зависящий от r и объема капли.

4. Метод уравновешивания пластины (метод Вильгельми). При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины , где G 0 - вес сухой пластины.

5. Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи). Для отрыва проволочного кольца радиусом R от поверхности жидкости требуется сила

6. Метод сидящей капли. Профиль капли на несмачиваемой подложке определяется из условия постоянства суммы гидростатического и капиллярного давлений. Дифференциальное уравнение профиля капли решается численным интегрированием (метод Башфорта-Адамса). По измерениям геометрических параметров профиля капли с помощью соответствующих таблиц находят поверхностное натяжение .

7. Метод вращающейся капли. Капля жидкости плотностью r 1 помещается в трубку с более тяжелой (плотность r 2) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью ω капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r . Расчетное уравнение: . Метод применяют для измерения малых поверхностных натяжений на границе двух жидкостей.

Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости.

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В первой половине XIX в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во второй половине XIX в. Дж.Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение . В XX в. разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П.А. Ребиндер, A.H. Фрумкнн). Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей (включая расплавленные металлы), влияние кривизны поверхности на поверхностное натяжение.