Co je povrchové napětí. Povrchové napětí
Definice 1
Povrchové napětí je nápor kapaliny ke zmenšení vlastního volného povrchu, to znamená ke snížení přebytečné potenciální energie na hranici oddělení od plynné fáze.
Pružnými vlastnostmi jsou vybavena nejen pevná tělesa, ale i samotný povrch kapaliny. Každý ve svém životě viděl, jak se mýdlový film natahuje s malými vyfukujícími bublinami. Síly povrchového napětí, které se vyskytují v mýdlovém filmu, zadržují vzduch po určitou dobu, podobně jako natažený pryžový měchýř zadržuje vzduch ve fotbalovém míči.
Povrchové napětí se objevuje na rozhraní hlavních fází, například plynné a kapalné nebo kapalné a pevné látky. Je to dáno přímo tím, že elementární částice povrchové vrstvy kapaliny pociťují zevnitř a zvenčí vždy jinou přitažlivou sílu.
Tento fyzikální proces lze uvažovat na příkladu kapky vody, kde se kapalina sama pohybuje, jako by byla v elastickém obalu. Zde jsou atomy povrchové vrstvy kapalné látky přitahovány k vlastním vnitřním sousedům silněji než k vnějším částicím vzduchu.
Obecně lze povrchové napětí vysvětlit jako nekonečně malou nebo elementární práci $\sigma A$, která musí být vykonána pro zvětšení celkového povrchu kapaliny o nekonečně malé množství $dS$ při konstantní teplotě $dt$.
Mechanismus povrchového napětí v kapalinách
Obrázek 2. Skalární kladná hodnota. Author24 - online výměna studentských prací
Kapalina na rozdíl od pevných látek a plynů není schopna zaplnit celý objem nádoby, do které byla umístěna. Mezi párou a kapalnou látkou se vytváří určité rozhraní, které funguje za zvláštních podmínek ve srovnání s jinou hmotou kapaliny. Uvažujme pro názornější příklad dvě molekuly $A$ a $B$. Částice $A$ je uvnitř samotné kapaliny, molekula $B$ je přímo na jejím povrchu. První prvek je rovnoměrně obklopen ostatními atomy kapaliny, takže síly působící na molekulu od částic dopadajících do sféry mezimolekulární interakce jsou vždy kompenzovány, jinak řečeno, jejich výsledná síla je nulová.
Molekula $B$ je orámována na jedné straně molekulami kapaliny a na druhé straně atomy plynu, jejichž konečná koncentrace je mnohem nižší než u kombinace elementárních částic kapaliny. Protože na molekulu $B$ působí mnohem více molekul ze strany kapaliny než ze strany ideálního plynu, nelze již výslednici všech mezimolekulárních sil rovnat nule, protože tento parametr směřuje dovnitř objemu kapaliny. látka. Aby se tedy molekula z hloubky kapaliny dostala do povrchové vrstvy, musí se pracovat proti nekompenzovaným silám. A to znamená, že atomy blízké hladiny jsou ve srovnání s částicemi uvnitř kapaliny vybaveny přebytkem potenciální energie, která se nazývá povrchová energie.
Koeficient povrchového napětí
Obrázek 3. Povrchové napětí. Author24 - online výměna studentských prací
Definice 2
Koeficient povrchového napětí je fyzikální ukazatel, který charakterizuje určitou kapalinu a je číselně roven poměru povrchové energie k celkové ploše volného média kapaliny.
Ve fyzice je základní jednotkou pro měření koeficientu povrchového napětí v pojetí SI (N)/(m).
Tato hodnota přímo závisí na:
- povaha kapaliny (pro „těkavé prvky jako alkohol, éter, benzín je koeficient povrchového napětí mnohem menší než pro „netěkavé prvky – rtuť, voda);
- teplota kapalné látky (čím vyšší teplota, tím nižší je konečné povrchové napětí);
- vlastnosti ideálního plynu sousedícího s danou kapalinou;
- přítomnost stabilních povrchově aktivních prvků, jako je prací prášek nebo mýdlo, které jsou schopny snižovat povrchové napětí.
Poznámka 1
Je třeba také poznamenat, že parametr povrchového napětí nezávisí na počáteční ploše volného tekutého média.
Z mechaniky je také známo, že minimální hodnota jeho vnitřní energie vždy odpovídá nezměněným stavům systému. Díky tomuto fyzikálnímu procesu získává tekuté těleso často tvar s minimální plochou. Pokud kapalina není ovlivněna vnějšími silami nebo je jejich působení extrémně malé, její prvky jsou ve formě koule ve formě kapky vody nebo mýdlové bubliny. Podobně se voda začíná chovat v nulové gravitaci. Tekutina se pohybuje takovým způsobem, jako by existovaly faktory působící tangenciálně k jejímu hlavnímu povrchu, které toto médium redukují. Tyto síly se nazývají síly povrchového napětí.
Koeficient povrchového napětí lze proto také definovat jako základní modul síly povrchového napětí, který obecně působí na jednotku délky počátečního obrysu, který omezuje volné médium kapaliny. Přítomnost těchto parametrů způsobuje, že povrch kapalné látky vypadá jako napnutá elastická fólie, s jediným rozdílem, že konstantní síly ve fólii přímo závisí na ploše jejího systému a síly povrchového napětí samy o sobě jsou schopny Pracovat nezávisle. Pokud na hladinu vody položíte malou šicí jehlu, hladina se prohne a zabrání jejímu potopení.
Působením vnějšího faktoru lze popsat klouzání lehkého hmyzu, např. vodních plachetnic, po celém povrchu vodních ploch. Noha těchto členovců deformuje vodní hladinu, čímž zvětšuje její plochu. V důsledku toho vzniká síla povrchového napětí, která má tendenci zmenšovat takovou změnu plochy. Výsledná síla bude vždy směřovat výhradně nahoru, kompenzující účinek gravitace.
Výsledek povrchového napětí
Vlivem povrchového napětí má malá množství kapalného média tendenci nabývat kulového tvaru, který bude v ideálním případě odpovídat nejmenší hodnotě životní prostředí. Přiblížení ke kulovému uspořádání je dosaženo tím více, čím slabší jsou počáteční gravitační síly, protože pro malé kapky je index síly povrchového napětí mnohem větší než účinek gravitace.
Povrchové napětí je považováno za jednu z nejdůležitějších charakteristik rozhraní. Přímo ovlivňuje tvorbu jemných částic fyzických těles a kapalin při jejich oddělování, stejně jako splývání prvků nebo bublinek v mlhách, emulzích, pěnách a adhezní procesy.
Poznámka 2
Povrchové napětí určuje tvar budoucích biologických buněk a jejich hlavních částí.
Změna sil tohoto fyzikálního procesu ovlivňuje fagocytózu a procesy alveolárního dýchání. Díky tomuto jevu mohou porézní látky dlouhodobě zadržovat obrovské množství kapaliny i ze vzduchových par Kapilární jevy, zahrnující změny výšky hladiny kapaliny v kapilárách oproti hladině kapaliny v širší nádobě, jsou velmi společný. Těmito procesy je určován vzestup vody v půdě, podél kořenového systému rostlin, pohyb biologických tekutin systémem malých tubulů a cév.
V této lekci budeme hovořit o kapalinách a jejich vlastnostech. Z hlediska moderní fyziky jsou kapaliny nejobtížnějším předmětem zkoumání, protože ve srovnání s plyny již nelze mluvit o zanedbatelné interakční energii mezi molekulami a ve srovnání s pevnými látkami nelze hovořit o uspořádaném uspořádání molekuly kapaliny (v kapalině neexistuje řád na dlouhé vzdálenosti) . To vede k tomu, že kapaliny mají řadu zajímavých vlastností a jejich projevů. Jedna taková vlastnost bude probrána v této lekci.
Nejprve si proberme speciální vlastnosti, které mají molekuly blízké povrchové vrstvy kapaliny ve srovnání s molekulami ve velkém.
Rýže. 1. Rozdíl mezi molekulami připovrchové vrstvy a molekulami v objemu kapaliny
Uvažujme dvě molekuly A a B. Molekula A je uvnitř kapaliny, molekula B je na jejím povrchu (obr. 1). Molekula A je obklopena ostatními molekulami kapaliny rovnoměrně, takže síly působící na molekulu A od molekul spadajících do sféry mezimolekulární interakce jsou kompenzovány, případně je jejich výslednice nulová.
Co se stane s molekulou B, která se nachází na povrchu kapaliny? Připomeňme, že koncentrace molekul plynu, která je nad kapalinou, je mnohem menší než koncentrace molekul kapaliny. Molekula B je na jedné straně obklopena molekulami kapaliny a na druhé straně molekulami vysoce zředěného plynu. Protože na něj ze strany kapaliny působí mnohem více molekul, bude výslednice všech mezimolekulárních sil směřovat dovnitř kapaliny.
Aby se tedy molekula dostala z hloubky kapaliny do povrchové vrstvy, je nutné vykonat práci proti nekompenzovaným mezimolekulárním silám.
Připomeňme, že práce je změna potenciální energie, braná se znaménkem mínus.
To znamená, že molekuly blízké povrchové vrstvy mají ve srovnání s molekulami uvnitř kapaliny přebytek potenciální energie.
Tato přebytečná energie je součástí vnitřní energie tekutiny a nazývá se povrchová energie. Označuje se jako a měří se jako každá jiná energie v joulech.
Je zřejmé, že čím větší je povrch kapaliny, tím více takových molekul má přebytek potenciální energie, a tím větší je povrchová energie. Tuto skutečnost lze zapsat jako následující vztah:
,
kde je plocha povrchu a je faktor proporcionality, který budeme nazývat povrchové napětí, tento koeficient charakterizuje jednu nebo druhou kapalinu. Zapišme si přesnou definici této veličiny.
Povrchové napětí kapaliny (koeficient povrchového napětí kapaliny) je fyzikální veličina, která charakterizuje danou kapalinu a rovná se poměru povrchové energie k ploše povrchu kapaliny.
Koeficient povrchového napětí se měří v newtonech děleno metrem.
Proberme, na čem závisí koeficient povrchového napětí kapaliny. Pro začátek si připomeňme, že koeficient povrchového napětí charakterizuje měrnou energii interakce molekul, což znamená, že faktory, které tuto energii mění, změní i koeficient povrchového napětí kapaliny.
Koeficient povrchového napětí tedy závisí na:
1. Povaha kapaliny (u "těkavých" kapalin, jako je éter, alkohol a benzín, je povrchové napětí menší než u "netěkavých" - voda, rtuť a tekuté kovy).
2. Teplota (čím vyšší teplota, tím nižší povrchové napětí).
3. Přítomnost povrchově aktivních látek, které snižují povrchové napětí (tenzidy), jako je mýdlo nebo prací prášek.
4. Vlastnosti plynu sousedícího s kapalinou.
Všimněte si, že koeficient povrchového napětí nezávisí na ploše povrchu, protože pro jednu jednotlivou molekulu blízkého povrchu je absolutně nedůležité, kolik stejných molekul je kolem. Věnujte pozornost tabulce, která ukazuje koeficienty povrchového napětí různé látky, při teplotě:
Tabulka 1. Součinitele povrchového napětí kapalin na rozhraní se vzduchem, at
Takže molekuly blízké povrchové vrstvy mají přebytečnou potenciální energii ve srovnání s molekulami v objemu kapaliny. V průběhu mechaniky se ukázalo, že každý systém tíhne k minimu potenciální energie. Například tělo hozené z určité výšky bude mít tendenci spadnout. Navíc se cítíte mnohem pohodlněji vleže, protože těžiště vašeho těla je v tomto případě umístěno co nejníže. K čemu vede touha snížit její potenciální energii v případě kapaliny? Protože povrchová energie závisí na ploše povrchu, znamená to, že je energeticky nevýhodné, aby jakákoli kapalina měla velký povrch. Jinými slovy, ve volném stavu bude mít kapalina tendenci minimalizovat svůj povrch.
To lze snadno ověřit experimentováním s mýdlovým filmem. Pokud se drátěný rám ponoří do mýdlového roztoku, vytvoří se na něm mýdlový film, který získá takový tvar, že jeho povrch je minimální (obr. 2).
Rýže. 2. Figurky z mýdlového roztoku
Existenci sil povrchového napětí můžete ověřit pomocí jednoduchého experimentu. Pokud je nit přivázána k drátěnému kroužku na dvou místech, a to tak, že délka nitě je o něco větší než délka tětivy spojující body upevnění nitě, a drátěný kroužek je ponořen do mýdla roztokem (obr. 3a), mýdlový film utáhne celý povrch kroužku a závit bude ležet na mýdlovém filmu. Pokud se nyní fólie na jedné straně nitě přetrhne, mýdlový film zbývající na druhé straně nitě se smrští a natáhne nit (obr. 3b).
Rýže. 3. Experiment k detekci sil povrchového napětí
proč se to stalo? Faktem je, že mýdlový roztok zůstávající nahoře, tedy kapalina, má tendenci zmenšovat svůj povrch. Tím je vlákno vytaženo nahoru.
Jsme tedy přesvědčeni o existenci síly povrchového napětí. Nyní se naučíme, jak to vypočítat. K tomu udělejme myšlenkový experiment. Do mýdlového roztoku spusťte drátěný rám, jehož jedna strana je pohyblivá (obr. 4). Napneme mýdlovou fólii a působíme silou na pohyblivou stranu rámu. Na příčku tedy působí tři síly - vnější síla a dvě síly povrchového napětí působící podél každého povrchu fólie. Pomocí druhého Newtonova zákona to můžeme napsat
Rýže. 4. Výpočet síly povrchového napětí
Pokud se při působení vnější síly příčka posune o vzdálenost , pak tato vnější síla vykoná práci
Přirozeně se díky výkonu této práce zvětší povrch fólie, což znamená, že se také zvýší povrchová energie, kterou můžeme určit pomocí koeficientu povrchového napětí:
Změnu oblasti lze zase určit takto:
kde je délka pohyblivé části drátěného rámu. Vzhledem k tomu můžeme napsat, že práce vnější síly se rovná
Porovnáním správných částí v (*) a (**) získáme výraz pro sílu povrchového napětí:
Koeficient povrchového napětí je tedy číselně roven síle povrchového napětí, která působí na jednotku délky čáry, která ohraničuje povrch
Znovu jsme tedy viděli, že kapalina má tendenci mít takový tvar, že její povrch je minimální. Lze ukázat, že pro daný objem bude plocha povrchu koule minimální. Pokud tedy na tekutinu nepůsobí žádné jiné síly nebo je jejich působení malé, bude mít tekutina tendenci nabývat kulového tvaru. Takže například voda se bude chovat v nulové gravitaci (obr. 5) nebo mýdlové bubliny (obr. 6).
Rýže. 5. Voda v nulové gravitaci
Rýže. 6. Mýdlové bubliny
Přítomnost sil povrchového napětí může také vysvětlit, proč kovová jehla "leží" na hladině vody (obr. 7). Jehla, která je pečlivě umístěna na povrchu, ji deformuje, čímž zvětšuje plochu tohoto povrchu. Vzniká tedy síla povrchového napětí, která má tendenci takovou změnu plochy zmenšovat. Výsledná síla povrchového napětí bude směřovat nahoru a bude kompenzovat gravitační sílu.
Rýže. 7. Jehla na hladině vody
Princip fungování pipety lze vysvětlit stejným způsobem. Kapka, na kterou působí gravitační síla, je stahována dolů, čímž se zvětšuje její povrch. Přirozeně vznikají síly povrchového napětí, jejichž výslednice je proti směru gravitace a nedovolí kapce natažení (obr. 8). Když zatlačíte na gumový uzávěr pipety, vytvoříte extra tlak, který pomáhá gravitaci a způsobí, že kapka spadne dolů.
Rýže. 8. Jak funguje pipeta
Vezměme si další příklad z Každodenní život. Pokud ponoříte štětec do sklenice s vodou, jeho chloupky se načechrají. Pokud nyní vytáhnete tento kartáč z vody, všimnete si, že všechny chloupky jsou k sobě přilepené. To je způsobeno skutečností, že povrch vody ulpívající na kartáčku bude minimální.
A ještě jeden příklad. Pokud chcete postavit hrad ze suchého písku, je nepravděpodobné, že uspějete, protože písek se vlivem gravitace rozpadne. Pokud však písek namočíte, zachová si svůj tvar díky povrchovému napětí vody mezi zrnky písku.
Nakonec poznamenáváme, že teorie povrchového napětí pomáhá najít krásné a jednoduché analogie při řešení složitějších fyzikálních problémů. Například, když potřebujete postavit lehkou a zároveň pevnou konstrukci, přijde na pomoc fyzika toho, co se děje v mýdlových bublinách. A bylo možné sestavit první adekvátní model atomového jádra přirovnáním tohoto atomového jádra ke kapce nabité kapaliny.
Bibliografie
- G. Ya Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. "Fyzika 10". - M.: Vzdělávání, 2008.
- Ya. E. Geguzin "Bubbles", Kvant Library. - M.: Nauka, 1985.
- B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky „Základy fyziky“, díl 1.
- G. S. Landsberg "Základní učebnice fyziky" 1. díl.
- Nkj.ru ().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
Domácí práce
- Po vyřešení úkolů pro tuto lekci se budete moci připravit na otázky 7, 8, 9 GIA a otázky A8, A9, A10 jednotné státní zkoušky.
- Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Fyzika. Sbírka problémů stupeň 10 "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
- Na základě úlohy 5.47 určete koeficient povrchového napětí vody a mýdlového roztoku.
Seznam otázek a odpovědí
Otázka: Proč se povrchové napětí mění s teplotou?
Odpovědět: S rostoucí teplotou se molekuly kapaliny začnou pohybovat rychleji, a proto molekuly snadněji překonávají potenciální přitažlivé síly. To vede ke snížení sil povrchového napětí, což jsou potenciální síly, které vážou molekuly připovrchové vrstvy kapaliny.
Otázka: Závisí koeficient povrchového napětí na hustotě kapaliny?
Odpovědět: Ano, má, protože energie molekul blízké povrchové vrstvy kapaliny závisí na hustotě kapaliny.
Otázka: Jaké jsou způsoby stanovení koeficientu povrchového napětí kapaliny?
Odpovědět: Ve školním kurzu jsou studovány dvě metody pro stanovení koeficientu povrchového napětí kapaliny. První je metoda trhání drátu, její princip je popsán v problému 5.44 z domácí práce, druhá je metoda počítání kapek popsaná v problému 5.47.
Otázka: Proč mýdlové bubliny po chvíli splasknou?
Odpovědět: Faktem je, že po chvíli působením gravitace bublina zespodu zhoustne než nahoře a pak se vlivem odpařování v určitém okamžiku zhroutí. To vede k tomu, že se celá bublina jako balón zhroutí působením nekompenzovaných sil povrchového napětí.
Státní pedagogická univerzita Vologda
Celoroční práce na téma :
METODY MĚŘENÍ KOEFICIENTU POVRCHOVÉHO NAPĚTÍ.
Splnil : Orechov N.V.
Vologda 1998
Koeficient povrchového napětí.
Povrch kapaliny ve styku s jiným médiem, například s vlastní parou, s nějakou jinou kapalinou nebo s pevným tělesem (zejména se stěnami nádoby, ve které je obsažena), je ve zvláštních podmínkách srovnáván ke zbytku hmoty kapaliny.
Tyto zvláštní podmínky vznikají proto, že molekuly mezní vrstvy kapaliny, na rozdíl od molekul v její hloubce, nejsou ze všech stran obklopeny molekulami téže kapaliny. Někteří ze „sousedů“ povrchových molekul jsou částice druhého prostředí, se kterým kapalina sousedí. Toto médium se může od kapaliny lišit jak povahou, tak hustotou částic. Molekuly povrchové vrstvy, které mají různé sousedy, s nimi interagují různými způsoby. Síly působící na každou molekulu v této vrstvě se proto ukazují jako nevyvážené: existuje určitá výsledná síla směřující buď k objemu kapaliny, nebo k objemu média, které s ní sousedí. V důsledku toho je pohyb molekuly z povrchové vrstvy do hloubky kapaliny nebo do hloubky média, se kterým sousedí, doprovázen výkonem práce (uvnitř kapaliny jsou molekuly, obklopené ze všech stran přesně stejné částice, jsou v rovnováze a jejich pohyb vyžaduje vynaložení práce. Hodnota a znaménko této práce závisí na poměru mezi silami interakce molekul povrchové vrstvy s "jejich" molekulami a s molekulami molekuly druhého média.
V případě, kdy kapalina hraničí s vlastní párou (nasycenou), tedy v případě, kdy máme co do činění s jednou látkou, síla, kterou působí molekuly povrchové vrstvy, směřuje dovnitř kapaliny. To je vysvětleno skutečností, že hustota molekul v kapalině je mnohem větší než v nasycené páře nad kapalinou (daleko od kritické teploty), a proto přitažlivá síla, kterou působí molekula povrchové vrstvy ze strany molekul kapaliny je větší než ze strany molekul páry.
Z toho vyplývá, že molekula při pohybu z povrchové vrstvy do kapaliny koná pozitivní práci. Naopak přechod molekul z objemu kapaliny na povrch je doprovázen negativní prací, to znamená, že vyžaduje vynaložení externí práce.
Představte si, že z toho či onoho důvodu se povrch kapaliny zvětšuje (roztahuje). To znamená, že určitý počet molekul přechází z objemu kapaliny do povrchové vrstvy. K tomu, jak jsme právě viděli, musíme vynaložit vnější práci. Jinými slovy, zvýšení hladiny kapaliny je doprovázeno záporný práce. Naopak, když se povrch zmenší, pozitivní Práce.
Pokud se při konstantní teplotě vratným způsobem změní povrch kapaliny o nekonečně malé množství d S , práce k tomu potřebná
| (1) |
Znaménko mínus značí nárůst plochy ( d S > 0) doprovázené negativní prací.
Součinitel
je hlavní veličina charakterizující vlastnosti povrchu kapaliny, a je tzv povrchové napětí(> 0). Proto je koeficient povrchového napětí měřen prací potřebnou ke zvětšení plochy povrchu kapaliny při konstantní teplotě o jednu jednotku.Pochopitelně v soustavě SI
má rozměr.Z toho, co bylo řečeno, je zřejmé, že molekuly povrchové vrstvy kapaliny mají přebytek potenciální energie ve srovnání s molekulami v objemu kapaliny. Označme to
. Tato energie se jako vždy měří prací, kterou mohou povrchové molekuly vykonat při pohybu uvnitř kapaliny působením přitažlivých sil od molekul v objemu kapaliny.Protože ta energie
vděčí za svůj původ přítomnosti povrchu kapaliny, pak musí být úměrná ploše S povrchu kapaliny:| (2) |
Pak změna povrchu d S znamenat pro. je změna potenciální energie
,
doprovázena prací
plně v souladu s (1).
Pokud, jak bylo naznačeno, změna povrchu S probíhá při konstantní teplotě, tj. izotermicky (a reverzibilně), pak, jak je známo, je k tomu potřebná práce rovna změně volné energie. F povrchy:
.(Pokud je změna povrchu kapaliny provedena adiabaticky, změní se její teplota. Například zvětšení povrchu povede k jejímu ochlazení.) Přebytek potenciální energie povrchu kapaliny, který byl výše, je volná energie povrchu, a proto
| (3) |
tj. koeficient povrchového napětí kapaliny lze definovat jako volnou energii na jednotku plochy tohoto povrchu.
Nyní je jasné, jaké jsou výše uvedené zvláštní podmínky, ve kterých se povrch kapaliny nachází. Spočívají v tom, že povrch kapaliny má přebytek potenciální (volné) energie ve srovnání se zbytkem hmoty kapaliny. Podívejme se, k čemu to vede.
Je známo, že každý systém v rovnováze je ve stavu pro něj možných, ve kterém má jeho energie minimální hodnotu. V uvažovaném případě to znamená, že kapalina v rovnováze by měla mít minimální možný povrch . To zase znamená, že musí existovat síly, které brání zvětšování povrchu kapaliny, tj. mají tendenci tento povrch zmenšovat.
Je zřejmé, že tyto síly musí směřovat podél samotného povrchu, tečně k němu. Tekutina se chová, jako by síly působily tangenciálně k jejímu povrchu, čímž se tento povrch zmenšuje (stahuje). Tyto síly se nazývají síly povrchového napětí.
Je však třeba mít na paměti, že primární příčinou sil povrchového napětí jsou síly působící na molekuly povrchové vrstvy směřující dovnitř kapaliny a v některých případech i dovnitř média, se kterým sousedí, tedy kolmo k povrchu.
K přerušení, nebo, jak se říká, k rozdělení plochy, je nutné působit vnějšími silami rovnoběžnými s plochou a kolmými k přímce, podél které se předpokládá zlom (úsek).
 |
To je zřejmé zejména z experimentů s tenkými tekutými filmy. Některé kapaliny, jako je mýdlová voda, saponin atd., mají schopnost vytvářet tenké filmy. Pokud je například spuštěn drátěný rám, jehož jedna strana je pohyblivá (Obr. 1), do mýdlového roztoku, pak bude vše pokryto filmem tekutiny. Povrchové napětí nutí film ke stažení a pohyblivou tyč AB po filmu se posune nahoru. Aby se udržela v rovnováze, je třeba na příčku působit silou R ve formě zátěže (sem patří i hmotnost samotné hrazdy).
Síla povrchového napětí působící ve fólii je tedy kolmá k přímce AB , což je v tomto případě dělicí čára. Stejné síly působí samozřejmě i na ostatní strany rámu. Ale zde jsou vyváženy přitažlivými silami kapaliny k hmotě tuhého rámu.
Popsané zkušenosti lze využít pro stanovení číselné hodnoty koeficientu povrchového napětí kapaliny tvořící film. Opravdu, povrchová síla F , při zohlednění skutečnosti, že fólie má dva povrchy (koneckonců, fólie je vlastně tenká vrstva kapaliny), se rovná hmotnosti zátěže v rovnováze R :
Jestliže se působením této síly příčka, unášená fólií, posunula o určitou vzdálenost dh mimo pozici AB , že práce vykonaná silou je stejná.
V této lekci budeme hovořit o kapalinách a jejich vlastnostech. Z hlediska moderní fyziky jsou kapaliny nejobtížnějším předmětem zkoumání, protože ve srovnání s plyny již nelze mluvit o zanedbatelné interakční energii mezi molekulami a ve srovnání s pevnými látkami nelze hovořit o uspořádaném uspořádání molekuly kapaliny (v kapalině neexistuje řád na dlouhé vzdálenosti) . To vede k tomu, že kapaliny mají řadu zajímavých vlastností a jejich projevů. Jedna taková vlastnost bude probrána v této lekci.
Nejprve si proberme speciální vlastnosti, které mají molekuly blízké povrchové vrstvy kapaliny ve srovnání s molekulami ve velkém.
Rýže. 1. Rozdíl mezi molekulami připovrchové vrstvy a molekulami v objemu kapaliny
Uvažujme dvě molekuly A a B. Molekula A je uvnitř kapaliny, molekula B je na jejím povrchu (obr. 1). Molekula A je obklopena ostatními molekulami kapaliny rovnoměrně, takže síly působící na molekulu A od molekul spadajících do sféry mezimolekulární interakce jsou kompenzovány, případně je jejich výslednice nulová.
Co se stane s molekulou B, která se nachází na povrchu kapaliny? Připomeňme, že koncentrace molekul plynu, která je nad kapalinou, je mnohem menší než koncentrace molekul kapaliny. Molekula B je na jedné straně obklopena molekulami kapaliny a na druhé straně molekulami vysoce zředěného plynu. Protože na něj ze strany kapaliny působí mnohem více molekul, bude výslednice všech mezimolekulárních sil směřovat dovnitř kapaliny.
Aby se tedy molekula dostala z hloubky kapaliny do povrchové vrstvy, je nutné vykonat práci proti nekompenzovaným mezimolekulárním silám.
Připomeňme, že práce je změna potenciální energie, braná se znaménkem mínus.
To znamená, že molekuly blízké povrchové vrstvy mají ve srovnání s molekulami uvnitř kapaliny přebytek potenciální energie.
Tato přebytečná energie je součástí vnitřní energie tekutiny a nazývá se povrchová energie. Označuje se jako a měří se jako každá jiná energie v joulech.
Je zřejmé, že čím větší je povrch kapaliny, tím více takových molekul má přebytek potenciální energie, a tím větší je povrchová energie. Tuto skutečnost lze zapsat jako následující vztah:
,
kde je plocha povrchu a je faktor proporcionality, který budeme nazývat povrchové napětí, tento koeficient charakterizuje jednu nebo druhou kapalinu. Zapišme si přesnou definici této veličiny.
Povrchové napětí kapaliny (koeficient povrchového napětí kapaliny) je fyzikální veličina, která charakterizuje danou kapalinu a rovná se poměru povrchové energie k ploše povrchu kapaliny.
Koeficient povrchového napětí se měří v newtonech děleno metrem.
Proberme, na čem závisí koeficient povrchového napětí kapaliny. Pro začátek si připomeňme, že koeficient povrchového napětí charakterizuje měrnou energii interakce molekul, což znamená, že faktory, které tuto energii mění, změní i koeficient povrchového napětí kapaliny.
Koeficient povrchového napětí tedy závisí na:
1. Povaha kapaliny (u "těkavých" kapalin, jako je éter, alkohol a benzín, je povrchové napětí menší než u "netěkavých" - voda, rtuť a tekuté kovy).
2. Teplota (čím vyšší teplota, tím nižší povrchové napětí).
3. Přítomnost povrchově aktivních látek, které snižují povrchové napětí (tenzidy), jako je mýdlo nebo prací prášek.
4. Vlastnosti plynu sousedícího s kapalinou.
Všimněte si, že koeficient povrchového napětí nezávisí na ploše povrchu, protože pro jednu jednotlivou molekulu blízkého povrchu je absolutně nedůležité, kolik stejných molekul je kolem. Věnujte pozornost tabulce, která ukazuje koeficienty povrchového napětí různých látek při teplotě:
Tabulka 1. Součinitele povrchového napětí kapalin na rozhraní se vzduchem, at
Takže molekuly blízké povrchové vrstvy mají přebytečnou potenciální energii ve srovnání s molekulami v objemu kapaliny. V průběhu mechaniky se ukázalo, že každý systém tíhne k minimu potenciální energie. Například tělo hozené z určité výšky bude mít tendenci spadnout. Navíc se cítíte mnohem pohodlněji vleže, protože těžiště vašeho těla je v tomto případě umístěno co nejníže. K čemu vede touha snížit její potenciální energii v případě kapaliny? Protože povrchová energie závisí na ploše povrchu, znamená to, že je energeticky nevýhodné, aby jakákoli kapalina měla velký povrch. Jinými slovy, ve volném stavu bude mít kapalina tendenci minimalizovat svůj povrch.
To lze snadno ověřit experimentováním s mýdlovým filmem. Pokud se drátěný rám ponoří do mýdlového roztoku, vytvoří se na něm mýdlový film, který získá takový tvar, že jeho povrch je minimální (obr. 2).
Rýže. 2. Figurky z mýdlového roztoku
Existenci sil povrchového napětí můžete ověřit pomocí jednoduchého experimentu. Pokud je nit přivázána k drátěnému kroužku na dvou místech, a to tak, že délka nitě je o něco větší než délka tětivy spojující body upevnění nitě, a drátěný kroužek je ponořen do mýdla roztokem (obr. 3a), mýdlový film utáhne celý povrch kroužku a závit bude ležet na mýdlovém filmu. Pokud se nyní fólie na jedné straně nitě přetrhne, mýdlový film zbývající na druhé straně nitě se smrští a natáhne nit (obr. 3b).
Rýže. 3. Experiment k detekci sil povrchového napětí
proč se to stalo? Faktem je, že mýdlový roztok zůstávající nahoře, tedy kapalina, má tendenci zmenšovat svůj povrch. Tím je vlákno vytaženo nahoru.
Jsme tedy přesvědčeni o existenci síly povrchového napětí. Nyní se naučíme, jak to vypočítat. K tomu udělejme myšlenkový experiment. Do mýdlového roztoku spusťte drátěný rám, jehož jedna strana je pohyblivá (obr. 4). Napneme mýdlovou fólii a působíme silou na pohyblivou stranu rámu. Na příčku tedy působí tři síly - vnější síla a dvě síly povrchového napětí působící podél každého povrchu fólie. Pomocí druhého Newtonova zákona to můžeme napsat
Rýže. 4. Výpočet síly povrchového napětí
Pokud se při působení vnější síly příčka posune o vzdálenost , pak tato vnější síla vykoná práci
Přirozeně se díky výkonu této práce zvětší povrch fólie, což znamená, že se také zvýší povrchová energie, kterou můžeme určit pomocí koeficientu povrchového napětí:
Změnu oblasti lze zase určit takto:
kde je délka pohyblivé části drátěného rámu. Vzhledem k tomu můžeme napsat, že práce vnější síly se rovná
Porovnáním správných částí v (*) a (**) získáme výraz pro sílu povrchového napětí:
Koeficient povrchového napětí je tedy číselně roven síle povrchového napětí, která působí na jednotku délky čáry, která ohraničuje povrch
Znovu jsme tedy viděli, že kapalina má tendenci mít takový tvar, že její povrch je minimální. Lze ukázat, že pro daný objem bude plocha povrchu koule minimální. Pokud tedy na tekutinu nepůsobí žádné jiné síly nebo je jejich působení malé, bude mít tekutina tendenci nabývat kulového tvaru. Takže například voda se bude chovat v nulové gravitaci (obr. 5) nebo mýdlové bubliny (obr. 6).
Rýže. 5. Voda v nulové gravitaci
Rýže. 6. Mýdlové bubliny
Přítomnost sil povrchového napětí může také vysvětlit, proč kovová jehla "leží" na hladině vody (obr. 7). Jehla, která je pečlivě umístěna na povrchu, ji deformuje, čímž zvětšuje plochu tohoto povrchu. Vzniká tedy síla povrchového napětí, která má tendenci takovou změnu plochy zmenšovat. Výsledná síla povrchového napětí bude směřovat nahoru a bude kompenzovat gravitační sílu.
Rýže. 7. Jehla na hladině vody
Princip fungování pipety lze vysvětlit stejným způsobem. Kapka, na kterou působí gravitační síla, je stahována dolů, čímž se zvětšuje její povrch. Přirozeně vznikají síly povrchového napětí, jejichž výslednice je proti směru gravitace a nedovolí kapce natažení (obr. 8). Když zatlačíte na gumový uzávěr pipety, vytvoříte extra tlak, který pomáhá gravitaci a způsobí, že kapka spadne dolů.
Rýže. 8. Jak funguje pipeta
Vezměme si další příklad z běžného života. Pokud ponoříte štětec do sklenice s vodou, jeho chloupky se načechrají. Pokud nyní vytáhnete tento kartáč z vody, všimnete si, že všechny chloupky jsou k sobě přilepené. To je způsobeno skutečností, že povrch vody ulpívající na kartáčku bude minimální.
A ještě jeden příklad. Pokud chcete postavit hrad ze suchého písku, je nepravděpodobné, že uspějete, protože písek se vlivem gravitace rozpadne. Pokud však písek namočíte, zachová si svůj tvar díky povrchovému napětí vody mezi zrnky písku.
Nakonec poznamenáváme, že teorie povrchového napětí pomáhá najít krásné a jednoduché analogie při řešení složitějších fyzikálních problémů. Například, když potřebujete postavit lehkou a zároveň pevnou konstrukci, přijde na pomoc fyzika toho, co se děje v mýdlových bublinách. A bylo možné sestavit první adekvátní model atomového jádra přirovnáním tohoto atomového jádra ke kapce nabité kapaliny.
Bibliografie
- G. Ya Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. "Fyzika 10". - M.: Vzdělávání, 2008.
- Ya. E. Geguzin "Bubbles", Kvant Library. - M.: Nauka, 1985.
- B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky „Základy fyziky“, díl 1.
- G. S. Landsberg "Základní učebnice fyziky" 1. díl.
- Nkj.ru ().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
Domácí práce
- Po vyřešení úkolů pro tuto lekci se budete moci připravit na otázky 7, 8, 9 GIA a otázky A8, A9, A10 jednotné státní zkoušky.
- Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Fyzika. Sbírka problémů stupeň 10 "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
- Na základě úlohy 5.47 určete koeficient povrchového napětí vody a mýdlového roztoku.
Seznam otázek a odpovědí
Otázka: Proč se povrchové napětí mění s teplotou?
Odpovědět: S rostoucí teplotou se molekuly kapaliny začnou pohybovat rychleji, a proto molekuly snadněji překonávají potenciální přitažlivé síly. To vede ke snížení sil povrchového napětí, což jsou potenciální síly, které vážou molekuly připovrchové vrstvy kapaliny.
Otázka: Závisí koeficient povrchového napětí na hustotě kapaliny?
Odpovědět: Ano, má, protože energie molekul blízké povrchové vrstvy kapaliny závisí na hustotě kapaliny.
Otázka: Jaké jsou způsoby stanovení koeficientu povrchového napětí kapaliny?
Odpovědět: Ve školním kurzu jsou studovány dvě metody pro stanovení koeficientu povrchového napětí kapaliny. První je metoda trhání drátu, její princip je popsán v úloze 5.44 z domácího úkolu, druhá je metoda počítání kapek, popsaná v úloze 5.47.
Otázka: Proč mýdlové bubliny po chvíli splasknou?
Odpovědět: Faktem je, že po chvíli působením gravitace bublina zespodu zhoustne než nahoře a pak se vlivem odpařování v určitém okamžiku zhroutí. To vede k tomu, že se celá bublina jako balón zhroutí působením nekompenzovaných sil povrchového napětí.
