Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами и газообразных, и твердых веществ. Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия. В данном случае средняя энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны, и газ занимает весь предоставленный ему объем.

В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия хаотического теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

Рентгеноструктурный анализ жидкостей показал, что характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, поэтому нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел наблюдается так называемый дальний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на больших расстояниях. В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимых с межатомными.

Теория жидкости до настоящего времени полностью не развита. Тепловое движение в жидкости объясняется тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости, и диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, что, является причиной уменьшения вязкости жидкости.

На каждую молекулу жидкости со стороны окружающих молекул действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием, следовательно, начиная с некоторого минимального расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние (приблизительно 10 -9 м) называетсярадиусом молекулярного действия r , а сфера радиуса r - сферой молекулярного действия.

Выделим внутри жидкости какую-либо молекулу А и проведем вокруг нее сферу радиуса r (рис.10.1). Достаточно, согласно определению, учесть действие на данную молекулу только тех молекул, которые находятся внутри сферы

Рис.10.1. молекулярного действия. Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны и в среднем скомпенсированы, поэтому результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю. Иначе обстоит дело, если молекула, например молекула В, расположена от поверхности на расстоянии, меньшем r. В данном случае сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Так как концентрация молекул в расположенном над жидкостью газе мала по сравнению с их концентрацией в жидкости, то равнодействующая силF , приложенных к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Таким образом, результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемоемолекулярным (иливнутренним). Молекулярное давление не действует на тело, помещенное в жидкость, так как оно обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости.

Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их хаотического теплового движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемаяповерхностной энергией, пропорциональна площади слоя ΔS :

ΔW =σ ΔS ,(10.1)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения , определяемый как плотность поверхностной энергии.

Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, т.е. форму шара. Наблюдая мельчайшие капельки, взвешенные в воздухе, можем видеть, что они действительно имеют форму шариков, но несколько искаженную из-за действия сил земного тяготения. В условиях невесомости капля любой жидкости (независимо от ее размеров) имеет сферическую форму, что доказано экспериментально на космических кораблях.

Итак, условием устойчивого равновесия жидкости является минимум поверхностной энергии. Это означает, что жидкость при заданном объеме должна иметь наименьшую площадь поверхности, т.е. жидкость стремится сократить площадь свободной поверхности. В этом случае поверхностный слой жидкости можно уподобить растянутой упругой пленке, в которой действуют силы натяжения.

Рассмотрим поверхность жидкости, ограниченную замкнутым контуром. Под действием сил поверхностного натяжения (они направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно участку контура, на который они действуют) поверхность жидкости сократилась и рассматриваемый контур переместился. Силы, действующие со стороны выделенного участка на граничащие с ним участки, совершают работу:

ΔA=f Δl Δx ,

где f=F/ Δl – сила поверхностного натяжения , действующая на единицу длины контура поверхности жидкости. Видно, чтоΔl Δx = ΔS , т.е.

ΔA=fΔS.

Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии, т.е.

ΔΑ =ΔW.

Из сравнения выражений видно, что

т.е.коэффициент поверхностного натяжения σ равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность . Единица поверхностного натяжения – ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м 2). Большинство жидкостей при температуре 300К имеет поверхностное натяжение порядка 10 -2 –10 -1 Н/м. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях.Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называютсяповерхностно-активными веществами (ПАВ). Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению к воде является мыло. Оно сильно уменьшает ее поверхностное натяжение (примерно с 7,5·10 -2 до 4,5·10 -2 Н/м). ПАВ, понижающими поверхностное натяжение воды, являются также спирты, эфиры, нефть и др.

Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой.

В строительстве применяют ПАВ для приготовления растворов, используемых при обработке деталей и конструкций, работающих в неблагоприятных атмосферных условиях (высокая влажность, повышенные температуры, воздействие солнечной радиации, и т.д.).

Явление смачивания

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, изображенную на рис.10.2, в то время как ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю. В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором – не смачивает ее. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить

поверхность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом.

К линии соприкосновения трех сред (точка 0 есть ее пересечение с плоскостью чертежа) приложены три силы поверхностного натяжения, которые направлены по касательной внутрь поверхности соприкосновения соответствующих двух сред. Эти силы, отнесенные к единице длины линии соприкосновения, равны соответствующим поверхностным натяжениям σ 12 , σ 13 , σ 23 . Угол θ между касательными к поверхности жидкости и твердого тела называетсякраевым углом. Условием равновесия капли является равенство нулю суммы проекций сил поверхностного натяжения на направление касательной к поверхности твердого тела, т. е.

–σ 13 + σ 12 + σ 23 cosθ =0 (10.2)

cosθ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)

Из условия вытекает, что краевой угол может быть острым или тупым в зависимости от значений σ 13 и σ 12 . Если σ 13 >σ 12 , то cosθ >0 и угол θ острый, т.е. жидкость смачивает твердую поверхность. Если σ 13 <σ 12 , то cosθ <0 и угол θ – тупой, т. е. жидкость не смачивает твердую поверхность.

Краевой угол удовлетворяет условию (10.3), если

(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.

Если условие не выполняется, то капля жидкости ни при каких значениях θ не может находиться в равновесии. Если σ 13 >σ 12 +σ 23 , то жидкость растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (например, керосин на поверхности стекла),– имеет местополное смачивание (в данном случае θ =0).

Если σ 12 >σ 13 +σ 23 , то жидкость стягивается в шаровую каплю, в пределе имея с ней лишь одну точку соприкосновения (например, капля воды на поверхности парафина), – имеет местополное несмачивание (в данном случае θ =π).

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т.е. жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явления смачивания и несмачивания имеют большое значение в технике. Например, в методе флотационного обогащения руды (отделение руды от пустой породы) ее, мелко раздробленную, взбалтывают в жидкости, смачивающей пустую породу и не смачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидкостью частицы породы опускаются на дно, а крупинки минералов «прилипают» к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность жидкости. При механической обработке металлов их смачивают специальными жидкостями, что облегчает и ускоряет обработку поверхности.

В строительстве явление смачивания важно для приготовления жидких смесей (шпаклевки, замазки, строительные растворы для кладки кирпича и приготовления бетона). Необходимо, чтобы эти жидкие смеси хорошо смачивали поверхности строительных конструкций, на которые они наносятся. При подборе компонентов смесей учитывают не только краевые углы для пар смесь-поверхность, но и поверностноактивные свойства жидких компонентов.

Поверхностное натяжение описывает способность жидкости противостоять силе тяжести. Например, вода на поверхности стола образует капли, поскольку молекулы воды притягиваются друг к другу, что противодействует силе тяжести. Именно благодаря поверхностному натяжению более тяжелые предметы, например насекомые, могут удерживаться на поверхности воды. Поверхностное натяжение измеряется в силе (Н), поделенной на единицу длины (м), или в количестве энергии на единицу площади. Сила, с которой взаимодействуют молекулы воды (когезионная сила), вызывает натяжение, в результате чего образуются капли воды (или других жидкостей). Поверхностное натяжение можно измерить с помощью нескольких простых предметов, которые есть практически в каждом доме, и калькулятора.

Шаги

C помощью коромысла

Запишите уравнение для поверхностного натяжения. В данном эксперименте уравнение для определения поверхностного натяжения выглядит следующим образом: F = 2Sd , где F - сила в ньютонах (Н), S - поверхностное натяжение в ньютонах на метр (Н/м), d - длина используемой в эксперименте иглы. Выразим из этого уравнения поверхностное натяжение: S = F/2d .

• Сила будет рассчитана в конце эксперимента.
• Прежде чем приступить к эксперименту, с помощью линейки измерьте длину иглы в метрах.

1. Сконструируйте небольшое коромысло. В данном эксперименте для определения поверхностного натяжения используются коромысло и небольшая игла, которая плавает на поверхности воды. Необходимо внимательно отнестись к сооружению коромысла, так как от этого зависит точность результата. Можно использовать различные материалы, главное, сделать горизонтальную перекладину из чего-то жесткого: дерева, пластмассы или плотного картона.

   • Определите центр стержня (например, соломинки или пластмассовой линейки), который вы собираетесь использовать в качестве перекладины, и просверлите или проткните в этом месте отверстие; это будет точка опоры перекладины, на которой та будет свободно вращаться. Если вы используете пластмассовую соломинку, просто проткните ее булавкой или гвоздем.
   • Просверлите или проткните отверстия на концах перекладины так, чтобы они располагались на одинаковом расстоянии от центра. Проденьте через отверстия нитки, на которых вы подвесите чашку для груза и иглу.
   • При необходимости подоприте коромысло книгами или другими достаточно твердыми предметами, чтобы перекладина оставалась в горизонтальном положении. Необходимо, чтобы перекладина свободно вращалась вокруг воткнутого в ее середину гвоздя или стержня.

2. Возьмите кусок алюминиевой фольги и сверните ее в форме коробочки или блюдца. Совсем не обязательно, чтобы это блюдце имело правильную квадратную или круглую форму. Вы заполните его водой или другим грузом, так что позаботьтесь о том, чтобы оно выдержало вес.

   • Подвесьте коробочку или блюдце из фольги к одному концу перекладины. Проделайте по краям блюдца небольшие отверстия и проденьте через них нитку, так чтобы блюдце висело на перекладине.

3. Подвесьте к другому концу перекладины иглу или скрепку, так чтобы она располагалась горизонтально. Привяжите горизонтально иглу или скрепку к нити, которая свисает с другого конца перекладины. Чтобы эксперимент удался, необходимо расположить иглу или скрепку именно горизонтально.

4. Разместите на перекладине что-нибудь, например пластилин, чтобы уравновесить емкость из алюминиевой фольги. Прежде чем приступить к эксперименту, необходимо добиться, чтобы перекладина располагалась горизонтально. Блюдце из фольги тяжелее иглы, поэтому на его стороне перекладина опустится вниз. Прикрепите к противоположной стороне перекладины достаточное количество пластилина, чтобы она располагалась горизонтально.

   • Это называется балансировкой.

5. Поместите свисающую на нитке иглу или скрепку в емкость с водой. На этом шаге потребуются дополнительные усилия, чтобы расположить иглу на поверхности воды. Проследите, чтобы игла не погрузилась в воду. Наполните емкость водой (или другой жидкостью с неизвестным поверхностным натяжением) и поставьте ее под висящей иглой, так чтобы игла расположилась прямо на поверхности жидкости.

   • Проследите при этом, чтобы удерживающая иглу веревка оставалась на месте и была достаточно натянута.

6. Взвесьте на небольших весах несколько булавок или небольшое количество отмеренных капель воды. Вы будете добавлять в алюминиевое блюдце на коромысле по одной булавке или капле воды. При этом необходимо знать точный вес, при котором игла оторвется от поверхности воды.

   • Посчитайте количество булавок или капель воды и взвесьте их.
   • Определите вес одной булавки или капли воды. Для этого поделите общий вес на количество булавок или капель.
   • Предположим, 30 булавок весят 15 граммов, тогда 15/30 = 0,5, то есть одна булавка весит 0,5 грамма.

7. Добавляйте булавки или капли воды по одной в блюдце из алюминиевой фольги до тех пор, пока игла не оторвется от поверхности воды. Постепенно добавляйте по одной булавке или капле воды. Внимательно наблюдайте за иглой, чтобы не пропустить момент, когда после очередного увеличения груза она оторвется от воды. Как только игла оторвется от поверхности жидкости, перестаньте добавлять булавки или капли воды.

   • Посчитайте количество булавок или капель воды, при котором игла на противоположном конце перекладины оторвалась от поверхности воды.
   • Запишите результат.
   • Повторите опыт несколько (5 или 6) раз, чтобы получить более точные результаты.
   • Посчитайте среднее значение полученных результатов. Для этого сложите число булавок или капель во всех экспериментах и поделите сумму на количество экспериментов.

8. Переведите число булавок в силу. Для этого следует умножить количество граммов на 0,00981 Н/г. Чтобы рассчитать поверхностное натяжение, необходимо знать силу, которая понадобилась для отрыва иглы от поверхности воды. Поскольку вы сосчитали вес булавок на предыдущем шаге, чтобы определить силу, достаточно умножить этот вес на 0,00981 Н/г.

   • Умножьте число помещенных в блюдце булавок на вес одной булавки. Например, если вы положили 5 булавок весом по 0,5 грамма, их общий вес составит 0,5 г/булавка = 5 x 0,5 = 2,5 грамма.
   • Умножьте количество граммов на множитель 0,00981 Н/г: 2,5 x 0,00981 = 0,025 Н.

9. Подставьте полученные значения в уравнение и найдите искомую величину. С помощью полученных в ходе эксперимента результатов можно определить поверхностное натяжение. Просто подставьте найденные величины и вычислите результат.

   • Допустим, что в приведенном выше примере длина иглы составляет 0,025 метра. Подставляем значения в уравнение и получаем: S = F/2d = 0,025 Н/(2 x 0,025) = 0,05 Н/м. Таким образом, поверхностное натяжение жидкости равно 0,05 Н/м.

Молекулы жидкости взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания, которые проявляются заметно в пределах расстояния r, называемого радиусом молекулярного действия (порядка нескольких диаметров молекулы). Сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия. Если молекула находится в поверхностном слое, то есть удалена от поверхности менее чем на r, то равнодействующая сил притяжения со стороны окружающих молекул направлена внутрь жидкости. Поэтому для перехода молекулы из внутренней части жидкости на её поверхность требуется совершить работу, в результате свободная энергия поверхности возрастает. Свободную поверхностную энергию, приходящуюся на единицу поверхности жидкости, называют коэффициентом поверхностного натяжения:

где А - работа, которую нужно совершить, чтобы площадь поверхности увеличить на S. В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения (измеряется в Дж/м2.

В положении равновесия свободная энергия системы минимальна, поэтому жидкость, предоставленная самой себе, стремится сократить свою поверхность. Мысленно ограничим какой-либо участок поверхностного слоя замкнутым контуром. В нём действуют силы, называемые силами поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности перпендикулярно к участку контура, на который они действуют. Коэффициент поверхностного натяжения (можно определить и как силу, приходящуюся на единицу длины контура,ограничивающего поверхность:

Единица его измерения в системе СИ: 1Н/м (ньтонах на метр = 1 Дж/м2, или миллиньтонах на метр.

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 при различных температурах

Поверхностное натяжение (при 20° C)

Поверхностное натяжение жидкостей

Вещество	q, мН/м
Алюминий расплавленный (приt=7000 0 С, в)	840
Азот жидкий (при t=-183 0 С,п)	6,2
Ацетон (п)	24
Вода (при t=0 0 С,в)	75,6
Вода (при t=20 0 С,в)	72,8
Вода (при t=100 0 С,в)	58,8
Вода (при t=374,15 0 С,в)	0
Золото расплавленное (при t=1130 0 С, в)	1102
Глицерин (в)	63
Керосин (при t=0 0 С,в)	29
Керосин (в)	24
Кислород жидкий (приt=-183 0 С, в)	13,1
Молоко (в)	46
Нефть (в)	30
Раствор мыла (в)	40
Ртуть (п)	472
Свинец расплавленный (при t=350 0 С, в)	442
Серебро расплавленное (при t=970 0 С, в)	930
Спирт (при t=0 0 С,в)	22
Эфир (п)	17

Поверхностное натяжение водных растворов (в дин/см)
Пересчет в СИ: 1 дин/см = 10 - 3 Н/м

Растворенное вещество	t, °C	Содержание, масс.%
		5	10	20	50
H 2 SO 4	18	-	74,1	75,2	77,3
HNO 3	20	-	72,7	71,1	65,4
NaOH	20	74,6	77,3	85,8	-
NaCl	18	74,0	75,5	-	-
Na 2 SO 4	18	73,8	75,2	-	-
NaNO 3	30	72,1	72,8	74,4	79,8
KC1	18	73,6	74,8	77,3	-
KNO 3	18	73,0	73,6	75,0	-
K 2 CO 3	10	75,8	77,0	79,2	106,4
NH 3	18	66,5	63,5	59,3	-
NH 4 C1	18	73,3	74,5	-	-
NH 4 NO 3	100	59,2	60,1	61,6	67,5
MgCl 2	18	73,8	-	-	-
CaCl 2	18	73,7	-	-	-

Жи́дкость – вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Общая информация о жидком состоянии

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое.

Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела).

Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.

Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние–стекло), выше– в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления.

Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения– это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).

Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей.

Физические свойства жидкостей

1 ).Текучесть

Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу, то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.

В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести: достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.

2).Сохранение объёма

Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля, справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от до приблизительно .

3).Вязкость

Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью. Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из частей относительно другой– то есть как внутреннее трение.

Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением. Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую– энергию хаотического движения молекул.

Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.

4).Смешиваемость

Смешиваемость– способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло.

5).Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение

Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую– газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух.

Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела– силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.

6).Волны плотности

Хотя жидкость чрезвычайно трудно сжать, тем не менее, при изменении давления её объем и плотность всё же меняются. Это происходит не мгновенно; так, если сжимается один участок, то на другие участки такое сжатие передаётся с запаздыванием. Это означает, что внутри жидкости способны распространяться упругие волны, более конкретно, волны плотности. Вместе с плотностью меняются и другие физические величины, например, температура.

Если при распространении волны́ плотность меняется достаточно слабо, такая волна называется звуковой волной, или звуком.

Если плотность меняется достаточно сильно, то такая волна называется ударной волной. Ударная волна описывается другими уравнениями.

Волны плотности в жидкости являются продольными, то есть плотность меняется вдоль направления распространения волны. Поперечные упругие волны в жидкости отсутствуют из-за несохранения формы.

Упругие волны в жидкости со временем затухают, их энергия постепенно переходит в тепловую энергию. Причины затухания– вязкость, «классическое поглощение», молекулярная релаксация и другие. При этом работает так называемая вторая, или объёмная вязкость– внутреннее трение при изменении плотности. Ударная волна в результате затухания через какое-то время переходит в звуковую.

Упругие волны в жидкости подвержены также рассеянию на неоднородностях, возникающих в результате хаотического теплового движения молекул.

Строение жидкостей

Экспериментальные исследования жидкого состояния вещества, основанные на наблюдении дифракции рентгеновских лучей и потоков нейтронов при прохождении их через жидкие среды, обнаружили наличие в жидкости ближнего порядка , т.е. наличие некоторой упорядоченности в расположении частиц лишь на малом расстоянии от какой-либо выделенной позиции (рис. 140).

Взаимное расположение соседних частиц в жидкостях сходно с упорядоченным расположением соседних частиц в кристаллах. Однако, эта упорядоченность в жидкостях наблюдается лишь внутри малых объёмов. При расстояниях: от некоторой выбранной «центральной» молекулы упорядоченность нарушается ( –эффективный диаметр молекулы). Подобная упорядоченность в расположении частиц в жидкостях и называется ближним порядком.

Из – за отсутствия дальнего порядка жидкости, за немногим исключением, не обнаруживают анизотропии, характерной для кристаллов. По этой причине структуру жидкости иногда называют квазикристаллической или кристаллоподобной.

Впервые идея о близости некоторых свойств жидкостей (особенно расплавов металлов) и кристаллических твердых тел была высказана и затем развивалась в работах советского физика Я.И.Френкеля еще 1930–1940-х. Согласно взглядам Френкеля, получившим теперь всеобщее признание, тепловое движение атомов и молекул в жидкости состоит из нерегулярных колебаний со средней частотой, близкой к частоте колебаний атомов в кристаллических телах. Центр колебаний определяется при этом полем сил соседних частиц и смещается вместе со смещениями этих частиц.

Упрощенно можно представить такое тепловое движение как наложение друг на друга сравнительно редких перескоков частиц из одних временных положений равновесия в другие и тепловых колебаний в промежутках между скачками. Среднее время «оседлого» пребывания молекулы жидкости вблизи некотрого положения равновесия называется временем релаксации. По истечеии времени молекула меняет место равновесия, скачком перемещаясь в новое положение, отстоящее от предыдущего на расстояние порядка размеров самих молекул. Таким образом, молекула медленно перемещается внутри жидкости. С ростом температуры время уменьшается, подвиждность молекул возрасчтает, что влечёт за собой уменьшенине вязкости жидкостей (возрастает текучесть). По образному выражению Я.И.Френкеля, молекулы странствуют по всему объему жидкости, ведя кочевой образ жизни, при котором кратковременные переезды сменяются относительно длинными периодами оседлой жизни.

Аморфные твёрдые тела (стекло, смолы, битум и т.д.) можно рассматривать как переохлаждённые жидкости, частицы которых из-за сильно возросшей вязкости имеют ограниченную подвижность.

Из-за малой упорядоченности жидкого состояния теория жидкости оказывается менее развитой, чем теория газов и кристаллических твердых тел. Пока нет полной теории жидкости.

Особый тип жидкостей – это некоторые органические соединения, состоящие из молекул удлиненной или дискообразной формы, или так называемые жидкие кристаллы. Взаимодействие между молекулами в таких жидкостях стремится выстроить длинные оси молекул в определенном порядке. При высоких температурах тепловое движение препятствует этому, и вещество представляет собой обычную жидкость. При температурах ниже критической в жидкости появляется выделенное направление, возникает дальний ориентационный порядок. Сохраняя основные черты жидкости, например, текучесть, жидкие кристаллы обладают характерными свойствами твердых кристаллов – анизотропией магнитных, электрических и оптических свойств. Эти их свойства (наряду с текучестью) находят многочисленные технические применения, например, в электронных часах, калькуляторах, мобильных телефонах, а также в мониторах персональных компьютеров, телевизорах, в качестве индикаторов, табло и экранов для отображения цифровой, буквенной и аналоговой информации.

Поверхностное натяжение

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности . С поверхностью жидкости связана свободная энергия , пропорциональная площади свободной поверхности жидкости: . 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 ит.п.). Свободная капля принимает форму шара, однако при более сложных условиях задача о форме поверхности жидкости становится исключительно сложной.

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 (рис. 141).

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. При уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Молекулы поверхностного слоя упакованы несколько более плотно, а поэтому они обладают дополнительным запасом потенциальной энергии по сравнению с внутренними молекулами. Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией , равной свободной энергии . .Таким образом, потенциальная энергия поверхности жидкости пропорциональна ее площади: .

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии, т.е. свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называютсясилами поверхностного натяжения .

Выберем на поверхности жидкости некоторый замкнутый контур . Для всех молекул, лежащих внутри этого контура, все силы ,взаимно уравновешиваются. Однако для молекул, расположенных вдоль контура , силы направлены наружу, являются внешними силами; они перпендикулярны периметру и касательные к поверхности жидкости. Эти силы, растягивающие плёнку, и являютсясилами поверхностного натяжения (рис. 143).

Рис. 143.

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка : .

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.

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.