În această lecție, vom vorbi despre lichide și proprietățile lor. Lichidele au o serie de proprietăți interesante și manifestările lor. O astfel de proprietate va fi discutată în această lecție.

În lumea din jurul nostru, alături de gravitație, elasticitate și frecare, există o altă forță căreia îi acordăm de obicei puțină atenție sau deloc. Această forță este relativ mică, acțiunea sa nu provoacă niciodată efecte impresionante. Totuși, nu putem turna apă într-un pahar, nu putem face nimic cu niciun lichid fără a pune în mișcare forțele despre care vom vorbi. Acestea sunt forțe de tensiune superficială.

Capacitatea unui lichid de a-și contracta suprafața se numește tensiune superficială.

forța de tensiune superficială numită forța care acționează de-a lungul suprafeței lichidului perpendicular pe linia care limitează această suprafață și tinde să o reducă la minim.

Forța de tensiune superficială este determinată de formula, produsul lui sigma și el. Unde sigma este coeficientul de tensiune superficială, el este lungimea perimetrului de umectare.

Să ne oprim asupra conceptului de „coeficient de tensiune superficială” mai detaliat.

Coeficientul de tensiune superficială este numeric egal cu forța care acționează pe unitatea de lungime a perimetrului de umectare și direcționată perpendicular pe acest perimetru.

De asemenea, coeficientul de tensiune superficială a unui lichid este o mărime fizică care caracterizează un lichid dat și este egal cu raportul dintre energia de suprafață și aria suprafeței lichidului.

Moleculele stratului de suprafață al unui lichid au un exces de energie potențială în comparație cu energia pe care ar avea-o aceste molecule dacă s-ar afla în interiorul lichidului.

energie de suprafață este excesul de energie potențială deținut de molecule de pe suprafața lichidului.

Coeficientul de tensiune superficială se măsoară în newtoni împărțit la un metru.

Să discutăm de ce depinde coeficientul de tensiune superficială a unui lichid. Pentru început, să reamintim că coeficientul de tensiune superficială caracterizează energia specifică a interacțiunii moleculelor, ceea ce înseamnă că factorii care modifică această energie vor modifica și coeficientul de tensiune superficială a lichidului.

Deci, coeficientul de tensiune superficială depinde de:

1. Natura lichidului (pentru lichidele „volatile”, precum eterul, alcoolul și benzina, tensiunea superficială este mai mică decât cea a celor „nevolatile” - apă, mercur și metale lichide).

2. Temperatura (cu cât temperatura este mai mare, cu atât tensiunea superficială este mai mică).

3. Prezența agenților tensioactivi care reduc tensiunea superficială (agenții tensioactivi), precum săpunul sau praful de spălat.

4. Proprietăţile unui gaz alăturat unui lichid.

Forțele de tensiune superficială determină forma și proprietățile picăturilor de lichid, un balon de săpun. Aceste forțe mențin un ac de oțel și o insectă călător de apă pe suprafața apei și mențin umiditatea pe suprafața țesăturii.

Puteți verifica existența forțelor de tensiune superficială folosind un experiment simplu. Dacă un fir este legat de inelul de sârmă în două locuri și astfel încât lungimea firului să fie ceva mai mare decât lungimea coardei care leagă punctele de atașare ale firului și scufundați inelul de sârmă în apă cu săpun, săpunul pelicula va strânge întreaga suprafață a inelului și firul se va întinde pe pelicula de săpun. Dacă acum folia este ruptă pe o parte a firului, folia de săpun rămasă pe cealaltă parte a firului se va micșora și întinde firul. De ce s-a întâmplat asta? Cert este că soluția de săpun rămasă deasupra, adică lichidul, tinde să-și reducă suprafața. Astfel, firul este tras în sus.

Luați în considerare un experiment care confirmă dorința unui lichid de a reduce suprafața de contact cu aerul sau vaporii acestui lichid.

Un experiment interesant a fost realizat de fizicianul belgian Joseph Plateau. El susține că, dacă o picătură se află în condițiile în care influența principală asupra formei sale este exercitată de forțele de tensiune superficială, ea ia forma cu cea mai mică suprafață, adică sferică.

În această lecție, vom vorbi despre lichide și proprietățile lor. Din punctul de vedere al fizicii moderne, lichidele sunt subiectul cel mai dificil de cercetare, deoarece, în comparație cu gazele, nu se mai poate vorbi de o energie de interacțiune neglijabilă între molecule, iar față de solide nu se poate vorbi de o aranjare ordonată a molecule lichide (nu există o ordine pe distanță lungă într-un lichid) . Acest lucru duce la faptul că lichidele au o serie de proprietăți interesante și manifestările lor. O astfel de proprietate va fi discutată în această lecție.

În primul rând, să discutăm proprietățile speciale pe care le au moleculele stratului apropiat de suprafață al unui lichid în comparație cu moleculele în vrac.

Orez. 1. Diferența dintre moleculele stratului apropiat de suprafață și moleculele din cea mai mare parte a lichidului

Luați în considerare două molecule A și B. Molecula A se află în interiorul lichidului, molecula B se află la suprafața sa (Fig. 1). Molecula A este înconjurată de alte molecule lichide în mod uniform, astfel încât forțele care acționează asupra moleculei A din moleculele care cad în sfera interacțiunii intermoleculare sunt compensate sau rezultanta lor este zero.

Ce se întâmplă cu molecula B, care se află la suprafața lichidului? Amintiți-vă că concentrația de molecule de gaz care este deasupra lichidului este mult mai mică decât concentrația de molecule de lichid. Molecula B este înconjurată pe o parte de molecule lichide, iar pe de altă parte de molecule de gaz foarte rarefiate. Deoarece mult mai multe molecule acționează asupra acestuia din partea lichidului, rezultanta tuturor forțelor intermoleculare va fi direcționată în interiorul lichidului.

Astfel, pentru ca o moleculă să ajungă de la adâncimea lichidului la stratul de suprafață, este necesar să se efectueze un lucru împotriva forțelor intermoleculare necompensate.

Amintiți-vă că munca este modificarea energiei potențiale, luată cu semnul minus.

Aceasta înseamnă că moleculele stratului apropiat de suprafață, în comparație cu moleculele din interiorul lichidului, au energie potențială în exces.

Această energie în exces este o componentă a energiei interne a fluidului și se numește energie de suprafață. Este desemnată și se măsoară, ca orice altă energie, în jouli.

Evident, cu cât suprafața lichidului este mai mare, cu atât mai multe astfel de molecule care au exces de energie potențială și, prin urmare, cu atât energia de suprafață este mai mare. Acest fapt poate fi scris ca următoarea relație:

,

unde este aria suprafeței și este factorul de proporționalitate, pe care îl vom numi tensiune de suprafata, acest coeficient caracterizează unul sau altul lichid. Să scriem o definiție riguroasă a acestei cantități.

Tensiunea superficială a unui lichid (coeficientul tensiunii superficiale a unui lichid) este o mărime fizică care caracterizează un lichid dat și este egală cu raportul dintre energia de suprafață și aria suprafeței lichidului.

Coeficientul de tensiune superficială se măsoară în newtoni împărțit la un metru.

Să discutăm de ce depinde coeficientul de tensiune superficială a unui lichid. Pentru început, să reamintim că coeficientul de tensiune superficială caracterizează energia specifică a interacțiunii moleculelor, ceea ce înseamnă că factorii care modifică această energie vor modifica și coeficientul de tensiune superficială a lichidului.

Deci, coeficientul de tensiune superficială depinde de:

1. Natura lichidului (pentru lichidele „volatile”, precum eterul, alcoolul și benzina, tensiunea superficială este mai mică decât cea a „nevolatile” - apă, mercur și metale lichide).

2. Temperatura (cu cât temperatura este mai mare, cu atât tensiunea superficială este mai mică).

3. Prezența agenților tensioactivi care reduc tensiunea superficială (agenții tensioactivi), precum săpunul sau praful de spălat.

4. Proprietăţile unui gaz alăturat unui lichid.

Rețineți că coeficientul de tensiune superficială nu depinde de suprafața, deoarece pentru o moleculă individuală aproape de suprafață este absolut neimportant câte dintre aceleași molecule sunt în jur. Acordați atenție tabelului, care arată coeficienții de tensiune superficială a diferitelor substanțe, la o temperatură:

Tabelul 1. Coeficienții tensiunii superficiale a lichidelor la limita cu aerul, la

Deci, moleculele stratului apropiat de suprafață au un exces de energie potențială în comparație cu moleculele din cea mai mare parte a lichidului. În cursul mecanicii, s-a demonstrat că orice sistem tinde spre un minim de energie potențială. De exemplu, un corp aruncat de la o anumită înălțime va tinde să cadă. În plus, te simți mult mai confortabil întinsă, deoarece în acest caz centrul de masă al corpului tău este situat cât mai jos. La ce duce dorința de a-și reduce energia potențială în cazul unui lichid? Deoarece energia de suprafață depinde de suprafață, înseamnă că este nefavorabil din punct de vedere energetic ca orice lichid să aibă o suprafață mare. Cu alte cuvinte, în stare liberă, lichidul va tinde să-și minimizeze suprafața.

Acest lucru este ușor de verificat prin experimentarea cu o peliculă de săpun. Dacă un cadru de sârmă este scufundat într-o soluție de săpun, atunci se formează o peliculă de săpun pe acesta, iar filmul capătă o astfel de formă încât suprafața sa este minimă (Fig. 2).

Orez. 2. Cifre dintr-o soluție de săpun

Puteți verifica existența forțelor de tensiune superficială folosind un experiment simplu. Dacă un fir este legat de inelul de sârmă în două locuri și în așa fel încât lungimea firului să fie ceva mai mare decât lungimea coardei care leagă punctele de atașare ale firului, iar inelul de sârmă este scufundat în săpun soluție (Fig. 3a), pelicula de săpun va strânge întreaga suprafață a inelului, iar firul se va așeza pe folie de săpun. Dacă acum filmul este rupt pe o parte a firului, pelicula de săpun rămasă pe cealaltă parte a firului se va micșora și întinde firul (Fig. 3b).

Orez. 3. Experimentați pentru a detecta forțele de tensiune superficială

De ce s-a întâmplat asta? Cert este că soluția de săpun rămasă deasupra, adică lichidul, tinde să-și reducă suprafața. Astfel, firul este tras în sus.

Deci, suntem convinși de existența forței de tensiune superficială. Acum să învățăm cum să o calculăm. Pentru a face acest lucru, să facem un experiment de gândire. Să coborâm un cadru de sârmă, a cărui latură este mobilă, în soluția de săpun (Fig. 4). Vom întinde pelicula de săpun, acționând cu forță pe partea mobilă a cadrului. Astfel, există trei forțe care acționează asupra barei transversale - o forță externă și două forțe de tensiune superficială care acționează de-a lungul fiecărei suprafețe a filmului. Folosind a doua lege a lui Newton, putem scrie asta

Orez. 4. Calculul forței de tensiune superficială

Dacă, sub acțiunea unei forțe externe, bara transversală se mișcă pe o distanță , atunci această forță externă va face lucru

Desigur, datorită performanței acestei lucrări, suprafața filmului va crește, ceea ce înseamnă că va crește și energia de suprafață, ceea ce o putem determina prin coeficientul de tensiune superficială:

La rândul său, modificarea zonei poate fi determinată după cum urmează:

unde este lungimea părții mobile a cadrului de sârmă. Având în vedere acest lucru, putem scrie că munca forței exterioare este egală cu

Echivalând părțile potrivite în (*) și (**), obținem o expresie pentru forța de tensiune superficială:

Astfel, coeficientul de tensiune superficială este numeric egal cu forța de tensiune superficială care acționează pe unitatea de lungime a liniei care delimitează suprafața

Deci, am văzut din nou că lichidul tinde să ia o astfel de formă încât suprafața sa este minimă. Se poate demonstra că pentru un volum dat, aria suprafeței va fi minimă pentru o sferă. Astfel, dacă nicio altă forță nu acționează asupra fluidului sau dacă acțiunea lor este mică, fluidul va tinde să capete o formă sferică. Deci, de exemplu, apa se va comporta în imponderabilitate (Fig. 5) sau bule de săpun (Fig. 6).

Orez. 5. Apa în gravitate zero

Orez. 6. Baloane de săpun

Prezența forțelor de tensiune superficială poate explica și de ce un ac metalic „se întinde” pe suprafața apei (Fig. 7). Acul, care este așezat cu grijă pe suprafață, îl deformează, crescând astfel suprafața acestei suprafețe. Astfel, apare o forță de tensiune superficială, care tinde să reducă o astfel de modificare a zonei. Forța rezultantă a tensiunii superficiale va fi îndreptată în sus și va compensa forța gravitațională.

Orez. 7. Ac pe suprafața apei

Principiul de funcționare al pipetei poate fi explicat în același mod. Picătura, asupra căreia acționează forța gravitației, este trasă în jos, crescându-și astfel suprafața. În mod firesc, apar forțe de tensiune superficială, a căror rezultată este opusă direcției gravitației și care nu permit picăturii să se întindă (Fig. 8). Când apăsați pe capacul de cauciuc al pipetei, creați o presiune suplimentară care ajută la gravitație, determinând căderea picăturii.

Orez. 8. Cum funcționează pipeta

Să luăm un alt exemplu din viața de zi cu zi. Dacă înmuiați o pensulă într-un pahar cu apă, firele de păr se vor umfla. Dacă scoți acum această perie din apă, vei observa că toate firele de păr sunt lipite unul de celălalt. Acest lucru se datorează faptului că suprafața apei care aderă la perie va fi atunci minimă.

Și încă un exemplu. Dacă doriți să construiți un castel de nisip uscat, este puțin probabil să reușiți, deoarece nisipul se va prăbuși sub influența gravitației. Cu toate acestea, dacă udați nisipul, acesta își va păstra forma datorită tensiunii superficiale a apei dintre boabele de nisip.

În cele din urmă, observăm că teoria tensiunii superficiale ajută la găsirea unor analogii frumoase și simple atunci când rezolvăm probleme fizice mai complexe. De exemplu, atunci când trebuie să construiți o structură ușoară și în același timp puternică, fizica a ceea ce se întâmplă în bule de săpun vine în ajutor. Și a fost posibil să se construiască primul model adecvat al nucleului atomic, asemănând acest nucleu atomic cu o picătură de lichid încărcat.

Bibliografie

1. G. Ya. Myakishev, B. B. Buhovtsev, N. N. Sotsky. „Fizica 10”. - M.: Educație, 2008.
2. Ya. E. Geguzin „Bubbles”, Biblioteca Kvant. - M.: Nauka, 1985.
3. B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky „Fundamentals of Physics” vol. 1.
4. G. S. Landsberg „Manual elementar de fizică” vol. 1.

1. Nkj.ru ().
2. Youtube.com().
3. Youtube.com().
4. Youtube.com().

Teme pentru acasă

1. Rezolvând sarcinile pentru această lecție, vă veți putea pregăti pentru întrebările 7,8,9 din GIA și întrebările A8, A9, A10 ale examenului unificat de stat.
2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Fizică. Culegere de probleme nota 10 „5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. Pe baza problemei 5.47, determinați coeficientul de tensiune superficială a soluției de apă și săpun.

Lista de întrebări și răspunsuri

Întrebare: De ce se modifică tensiunea superficială odată cu temperatura?

Răspuns: Pe măsură ce temperatura crește, moleculele lichidului încep să se miște mai repede și, prin urmare, moleculele depășesc mai ușor forțele potențiale de atracție. Acest lucru duce la o scădere a forțelor de tensiune superficială, care sunt forțe potențiale care leagă moleculele stratului apropiat de suprafață al lichidului.

Întrebare: Coeficientul de tensiune superficială depinde de densitatea lichidului?

Răspuns: Da, da, deoarece energia moleculelor stratului apropiat de suprafață al lichidului depinde de densitatea lichidului.

Întrebare: Care sunt modalitățile de a determina coeficientul de tensiune superficială al unui lichid?

Răspuns:În cursul școlar sunt studiate două metode pentru determinarea coeficientului de tensiune superficială a unui lichid. Prima este metoda de rupere a sârmei, principiul ei este descris în problema 5.44 din teme, a doua este metoda de numărare a picăturilor, descrisă în problema 5.47.

Întrebare: De ce se prăbușesc bulele de săpun după un timp?

Răspuns: Cert este că după un timp, sub acțiunea gravitației, bula devine mai groasă în partea de jos decât în ​​partea de sus și apoi, sub influența evaporării, se prăbușește la un moment dat. Acest lucru duce la faptul că întreaga bulă, ca un balon, se prăbușește sub acțiunea forțelor de tensiune superficială necompensate.

Cea mai caracteristică proprietate a unui lichid, care îl deosebește de un gaz, este că la limita cu un gaz, lichidul formează o suprafață liberă, a cărei prezență duce la apariția unui tip special de fenomene numite suprafață. Își datorează aspectul condițiilor fizice speciale în care moleculele se află în apropierea suprafeței libere.

Asupra fiecărei molecule lichide din moleculele care o înconjoară, aflate la o distanță de aproximativ 10 -9 m de aceasta acționează forțe atractive (raza de acțiune moleculară). pe moleculă M 1 situat în interiorul lichidului (Fig. 1), acţionează forţe din aceleaşi molecule, iar rezultanta acestor forţe este aproape de zero.

Pentru molecule M 2 forțe rezultante sunt diferite de zero și sunt direcționate în interiorul lichidului, perpendicular pe suprafața acestuia. Astfel, toate moleculele lichide din stratul de suprafață sunt atrase în lichid. Dar spațiul din interiorul lichidului este ocupat de alte molecule, deci stratul de suprafață creează presiune asupra lichidului (presiune moleculară).

Pentru a muta o moleculă M 3 situat direct sub stratul de suprafață, la suprafață, este necesar să se efectueze lucrări împotriva forțelor presiunii moleculare. Prin urmare, moleculele stratului de suprafață al lichidului au energie potențială suplimentară în comparație cu moleculele din interiorul lichidului. Această energie se numește energie de suprafață.

Evident, cu cât suprafața liberă este mai mare, cu atât energia de suprafață este mai mare. Se modifică aria suprafeței libere cu Δ S, în timp ce energia de suprafață s-a modificat cu \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\), unde σ este coeficientul de tensiune superficială. Deoarece pentru această schimbare este necesar să se lucreze

\(~A = \Delta W_p ,\) apoi \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)

Prin urmare \(~\sigma = \dfrac(A)(\Delta S)\) .

Unitatea SI pentru tensiunea superficială este joule pe metru pătrat (J/m2).

- o valoare egală numeric cu munca efectuată de forțele moleculare atunci când aria suprafeței libere a lichidului se modifică cu 1 m 2 la o temperatură constantă.

Deoarece orice sistem, lăsat la sine, tinde să ia o poziție în care energia sa potențială este cea mai mică, lichidul prezintă tendința de a reduce suprafața liberă. Stratul de suprafață al lichidului se comportă ca o peliculă de cauciuc întinsă, de exemplu. se străduiește tot timpul să-și reducă suprafața la dimensiunile minime posibile pentru un volum dat.

De exemplu, o picătură de lichid în stare de imponderabilitate are o formă sferică.

Tensiune de suprafata

Proprietatea suprafeței unui lichid de a se micșora poate fi interpretată ca existența unor forțe care tind să scurteze această suprafață. Moleculă M 1 (Fig. 2), situat pe suprafața lichidului, interacționează nu numai cu moleculele situate în interiorul lichidului, ci și cu moleculele situate la suprafața lichidului, situate în sfera de acțiune moleculară. Pentru o moleculă M 1 rezultanta \(~\vec R\) a forțelor moleculare îndreptate de-a lungul suprafeței libere a lichidului este egală cu zero, iar pentru o moleculă M 2 situat la limita suprafeței lichidului, \(~\vec R \ne 0\) și \(~\vec R\) direcționat de-a lungul normalului la limitele suprafeței libere și tangențial la suprafața lichidă în sine.

Rezultanta forțelor care acționează asupra tuturor moleculelor situate la limita suprafeței libere este forța tensiune de suprafata. În general, acţionează în aşa fel încât tinde să reducă suprafaţa lichidului.

Se poate presupune că forța de tensiune superficială \(~\vec F\) este direct proporțională cu lungimea l limitele stratului superficial al lichidului, deoarece în toate părțile stratului superficial al lichidului moleculele se află în aceleași condiții:

\(~F \sim l .\)

Într-adevăr, luați în considerare un cadru dreptunghiular vertical (Fig. 3, a, b), a cărui latură mobilă este echilibrată. După îndepărtarea cadrului din soluția de film de săpun, partea mobilă se mișcă din poziție 1 în poziție 2 . Ținând cont de faptul că pelicula este un strat subțire de lichid și are două suprafețe libere, găsim munca făcută la deplasarea barei transversale la distanță. h = A 1 ⋅ A 2: A = 2F⋅h, Unde F- forța care acționează asupra cadrului din lateralul fiecărui strat de suprafață. Pe de altă parte, \(~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).

Prin urmare, \(~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Rightarrow F = \sigma \cdot l\), de unde \(~\sigma = \dfrac Fl\).

Conform acestei formule, unitatea SI pentru tensiunea superficială este newton pe metru (N/m).

Coeficientul de tensiune superficialăσ este numeric egal cu forța de tensiune superficială care acționează pe unitatea de lungime a limitei suprafeței libere a lichidului. Coeficientul de tensiune superficială depinde de natura lichidului, de temperatură și de prezența impurităților. Pe măsură ce temperatura crește, aceasta scade.

• La temperatura critică, când distincția dintre lichid și vapori dispare, σ = 0.

Impuritățile reduc în general (unele măresc) coeficientul de tensiune superficială.

Astfel, stratul de suprafață al unui lichid este, parcă, o peliculă elastică întinsă care acoperă întregul lichid și tinde să-l colecteze într-o „picătură”. Un astfel de model (film elastic elastic) face posibilă determinarea direcției forțelor de tensiune superficială. De exemplu, dacă un film este întins sub acțiunea forțelor externe, atunci forța de tensiune superficială va fi direcționată de-a lungul suprafeței lichidului împotriva întinderii. Cu toate acestea, această stare diferă semnificativ de tensiunea unei pelicule elastice de cauciuc. Un film elastic este întins prin creșterea distanței dintre particule, în timp ce forța de tensiune crește, în timp ce se întinde pelicula lichidă, distanța dintre particule nu se modifică, iar creșterea suprafeței se realizează ca urmare a tranziției moleculelor. de la lichid la stratul superficial. Prin urmare, odată cu creșterea suprafeței lichidului, forța de tensiune superficială nu se modifică (nu depinde de suprafața).

Vezi si

1. Kikoin A.K. Despre forțele tensiunii superficiale // Kvant. - 1983. - Nr. 12. - S. 27-28

umezire

În cazul contactului cu un corp solid, forțele de coeziune ale moleculelor lichide cu moleculele corpului solid încep să joace un rol semnificativ. Comportarea unui lichid va depinde de care este mai mare: aderența dintre moleculele lichidului sau aderența moleculelor lichidului la moleculele solidului.

umezire- un fenomen care apare ca urmare a interacțiunii moleculelor lichide cu moleculele solide. Dacă forțele de atracție dintre moleculele unui lichid și un solid sunt mai mari decât forțele de atracție dintre moleculele unui lichid, atunci lichidul se numește umezire; dacă forțele de atracție ale lichidului și solidului sunt mai mici decât forțele de atracție dintre moleculele lichidului, atunci lichidul se numește neumezitoare acest corp.

Același lichid poate fi umezitor și neumeziv în raport cu corpuri diferite. Așadar, apa udă sticla și nu umezește o suprafață grasă, mercurul nu udă sticla, ci udă cuprul.

Udarea sau neumezirea pereților vasului în care se află de către un lichid afectează forma suprafeței libere a lichidului din vas. Dacă într-un vas se toarnă o cantitate mare de lichid, atunci forma suprafeței acestuia este determinată de forța gravitațională, care oferă o suprafață plană și orizontală. Totuși, în apropierea pereților, fenomenul de umezire și neumedare duce la o curbură a suprafeței lichide, așa-numita efecte de margine.

Caracteristica cantitativă a efectelor de margine este unghi de contactθ este unghiul dintre planul tangent la suprafața lichidului și suprafața solidului. În interiorul unghiului de contact există întotdeauna lichid (Fig. 4, a, b). Când este umezită, va fi ascuțită (Fig. 4, a), iar când nu este umezită, va fi tocită (Fig. 4, b). Într-un curs de fizică școlar, se ia în considerare numai umezirea completă (θ = 0º) sau neumezirea completă (θ = 180º).

Forțele asociate prezenței tensiunii superficiale și direcționate tangențial la suprafața lichidului, în cazul unei suprafețe convexe, dau forța rezultantă îndreptată în interiorul lichidului (Fig. 5, a). În cazul unei suprafeţe concave, forţa rezultată este îndreptată, dimpotrivă, către gazul adiacent lichidului (Fig. 5, b).

Dacă lichidul de umectare se află pe suprafața deschisă a unui corp solid (Fig. 6, a), atunci se răspândește pe această suprafață. Dacă există un lichid neumeziv pe suprafața deschisă a unui corp solid, atunci acesta ia o formă apropiată de una sferică (Fig. 6, b).

Udarea este importantă atât în ​​viața de zi cu zi, cât și în industrie. O bună umezire este necesară la vopsirea, spălarea, prelucrarea materialelor fotografice, aplicarea vopselei și vopselelor de lac, la lipirea materialelor, la lipire, în procesele de flotație (imbogățirea minereurilor cu rocă valoroasă). În schimb, la construirea dispozitivelor de hidroizolație, sunt necesare materiale care nu sunt umezite de apă.

Fenomene capilare

Curbura suprafeței lichidului de la marginile vasului este vizibilă în mod deosebit în tuburile înguste, unde întreaga suprafață liberă a lichidului este curbată. În tuburile cu o secțiune transversală îngustă, această suprafață face parte dintr-o sferă, se numește menisc. Un lichid de umectare are un menisc concav (Fig. 7, a), în timp ce un lichid neumeziv are unul convex (Fig. 7, b). Deoarece suprafața meniscului este mai mare decât aria secțiunii transversale a tubului, suprafața curbată a lichidului tinde să se îndrepte sub acțiunea forțelor moleculare.

Forțele de tensiune superficială creează suplimentar (laplacian) presiune sub o suprafață curbată a lichidului.

Dacă suprafaţa lichidului concav, atunci forța de tensiune superficială este direcționată în afara lichidului (Fig. 8, a), iar presiunea sub suprafața concavă a lichidului este mai mică decât sub cea plată cu \(~p = \dfrac(2 \sigma ) (R)\). Dacă suprafaţa lichidului convex, atunci forța de tensiune superficială este direcționată în interiorul lichidului (Fig. 8, b), iar presiunea sub suprafața convexă a lichidului este mai mare decât sub cea plată cu aceeași valoare.

• Această formulă este un caz special al formulei Laplace, care determină suprapresiunea pentru o suprafață lichidă arbitrară cu curbură dublă:

Unde R 1 și R 2 - razele de curbură ale oricăror două secțiuni normale reciproc perpendiculare ale suprafeței lichidului. Raza de curbură este pozitivă dacă centrul de curbură al secțiunii corespunzătoare este în interiorul fluidului și negativă dacă centrul de curbură este în afara fluidului. Pentru o suprafață cilindrică ( R 1 = l; R 2 = ∞) suprapresiune \(~p = \dfrac(\sigma)(R)\) .

Dacă punem un tub îngust ( capilar) la un capăt într-un lichid turnat într-un vas larg, apoi datorită prezenței forței de presiune laplaciană, lichidul din capilar se ridică (dacă lichidul se umezește) sau coboară (dacă lichidul nu se umezește) (Fig. 9, a, b), deoarece sub suprafața plată a lichidului nu există o presiune în exces într-un vas larg.

Fenomenele de modificare a înălțimii nivelului lichidului în capilare în comparație cu nivelul lichidului din vasele largi se numesc fenomene capilare.

Lichidul din capilar se ridică sau coboară la o astfel de înălțime h, la care forța presiunii hidrostatice a coloanei de lichid este echilibrată de forța presiunii în exces, adică.

\(~\dfrac(2 \sigma)(R) = \rho \cdot g \cdot h .\)

De unde \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R)\). Dacă umezirea nu este completă θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), apoi, după cum arată calculele, \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R) \cdot \cos \theta\).

Fenomenele capilare sunt foarte frecvente. Creșterea apei în sol, sistemul vaselor de sânge din plămâni, sistemul de rădăcină la plante, fitilul și hârtia absorbantă sunt sisteme capilare.

Literatură

1. Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 178-184.

Definiția 1

Tensiunea superficială este precipitarea unui lichid de a-și reduce propria suprafață liberă, adică de a reduce excesul de energie potențială la limita separării de faza gazoasă.

Nu numai corpurile fizice solide sunt echipate cu caracteristici elastice, ci și suprafața lichidului în sine. Toată lumea din viața lor a văzut cum o peliculă de săpun se întinde cu niște bule care suflă. Forțele de tensiune superficială care apar într-o peliculă de săpun rețin aerul pentru o anumită perioadă de timp, similar modului în care o vezică de cauciuc întinsă reține aerul într-o minge de fotbal.

Tensiunea superficială apare la interfața fazelor principale, de exemplu, gazos și lichid, sau lichid și solid. Acest lucru se datorează direct faptului că particulele elementare ale stratului de suprafață al lichidului experimentează întotdeauna o forță de atracție diferită din interior și din exterior.

Acest proces fizic poate fi luat în considerare pe exemplul unei picături de apă, în care lichidul se mișcă ca și cum ar fi într-o înveliș elastic. Aici, atomii stratului de suprafață al unei substanțe lichide sunt atrași de propriii lor vecini interni mai puternic decât de particulele de aer extern.

În general, tensiunea superficială poate fi explicată ca o lucrare infinitezimală sau elementară $\sigma A$ care trebuie făcută pentru a crește suprafața totală a unui lichid cu o cantitate infinitezimală $dS$ la o temperatură constantă $dt$.

Mecanismul tensiunii superficiale în lichide

Figura 2. Valoare scalară pozitivă. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Un lichid, spre deosebire de solide și gaze, nu este capabil să umple întregul volum al vasului în care a fost plasat. Între vapori și substanța lichidă se formează o anumită interfață, care funcționează în condiții speciale față de o altă masă de lichid. Luați în considerare, pentru un exemplu mai ilustrativ, două molecule $A$ și $B$. Particula $A$ se află în interiorul lichidului însuși, molecula $B$ se află direct pe suprafața sa. Primul element este înconjurat uniform de alți atomi ai lichidului, astfel încât forțele care acționează asupra moleculei de la particulele care cad în sfera interacțiunii intermoleculare sunt întotdeauna compensate, sau, cu alte cuvinte, puterea lor rezultată este zero.

Molecula $B$ este încadrată pe o parte de molecule lichide, iar pe de altă parte de atomi de gaz, a căror concentrație finală este mult mai mică decât combinația de particule elementare ale lichidului. Deoarece mult mai multe molecule acționează asupra moleculei $B$ din partea lichidului decât din partea unui gaz ideal, rezultanta tuturor forțelor intermoleculare nu mai poate fi egalată cu zero, deoarece acest parametru este direcționat în interiorul volumului substanţă. Astfel, pentru ca o moleculă din adâncimea lichidului să ajungă în stratul de suprafață, trebuie să se lucreze împotriva forțelor necompensate. Și aceasta înseamnă că atomii de la nivelul de aproape de suprafață, în comparație cu particulele din interiorul lichidului, sunt echipați cu energie potențială în exces, care se numește energie de suprafață.

Coeficientul de tensiune superficială

Figura 3. Tensiunea de suprafață. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Definiția 2

Coeficientul de tensiune superficială este un indicator fizic care caracterizează un anumit lichid și este numeric egal cu raportul dintre energia de suprafață și aria totală a mediului liber al lichidului.

În fizică, unitatea de bază pentru măsurarea coeficientului de tensiune superficială în conceptul SI este (N)/(m).

Această valoare depinde direct de:

• natura lichidului (pentru „elementele volatile precum alcoolul, eterul, benzina, coeficientul de tensiune superficială este mult mai mic decât pentru „elementele nevolatile - mercur, apă);
• temperatura substanței lichide (cu cât temperatura este mai mare, cu atât tensiunea superficială finală este mai mică);
• proprietățile unui gaz ideal alăturat unui lichid dat;
• prezența unor elemente tensioactive stabile, cum ar fi praful de spălat sau săpunul, care sunt capabile să reducă tensiunea superficială.

Observație 1

De asemenea, trebuie remarcat faptul că parametrul de tensiune superficială nu depinde de aria inițială a mediului fluid liber.

De asemenea, din mecanică se știe că valoarea minimă a energiei sale interne corespunde întotdeauna stărilor neschimbate ale sistemului. Datorită acestui proces fizic, corpul lichid capătă adesea o formă cu o suprafață minimă. Dacă lichidul nu este afectat de forțe străine sau acțiunea lor este extrem de mică, elementele sale sunt sub forma unei sfere sub forma unei picături de apă sau a unui balon de săpun. În mod similar, apa începe să se comporte în gravitate zero. Fluidul se mișcă în așa fel ca și cum ar exista factori care acționează tangențial la suprafața sa principală care reduc acest mediu. Aceste forțe se numesc forțe de tensiune superficială.

Prin urmare, coeficientul de tensiune superficială poate fi definit și ca modulul de bază al forței de tensiune superficială, care acționează în general pe unitatea de lungime a conturului inițial care delimitează mediul fluid liber. Prezența acestor parametri face ca suprafața unei substanțe lichide să arate ca o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele constante din film depind direct de zona sistemului său, iar forțele de tensiune superficială însele sunt capabile să munca independenta. Dacă puneți un mic ac de cusut pe suprafața apei, suprafața se va îndoi și va împiedica să se scufunde.

Acțiunea unui factor extern poate descrie alunecarea insectelor ușoare, cum ar fi călcătorii de apă, pe întreaga suprafață a corpurilor de apă. Piciorul acestor artropode deformează suprafața apei, crescând astfel suprafața acesteia. Ca rezultat, apare o forță de tensiune superficială care tinde să reducă o astfel de modificare a zonei. Forța rezultată va fi întotdeauna îndreptată exclusiv în sus, compensând efectul gravitației.

Rezultatul tensiunii superficiale

Sub influența tensiunii superficiale, cantități mici de mediu lichid tind să capete o formă sferică care se va potrivi în mod ideal cu cea mai mică dimensiune a mediului. Aproximarea la o configurație sferică se realizează cu atât mai mult, cu atât forțele gravitaționale inițiale sunt mai slabe, deoarece pentru picături mici, indicele forței de tensiune superficială este mult mai mare decât efectul gravitației.

Tensiunea superficială este considerată una dintre cele mai importante caracteristici ale interfețelor. Afectează direct formarea particulelor fine de corpuri fizice și lichide în timpul separării lor, precum și fuziunea elementelor sau bulelor în ceață, emulsii, spume și procese de aderență.

Observația 2

Tensiunea de suprafață stabilește forma viitoarelor celule biologice și părțile lor principale.

O modificare a forțelor acestui proces fizic afectează fagocitoza și procesele respirației alveolare. Datorită acestui fenomen, substanțele poroase pot reține o cantitate uriașă de lichid chiar și din vaporii de aer pentru o perioadă lungă de timp.Fenomenele capilare, care implică modificări ale înălțimii nivelului lichidului din capilare în comparație cu nivelul lichidului dintr-un vas mai larg, sunt foarte comun. Prin aceste procese se determină creșterea apei în sol, de-a lungul sistemului radicular al plantelor, mișcarea fluidelor biologice prin sistemul de mici tubuli și vase.