Силами поверхностного натяжения удерживается вода

Поверхностное натяжение воды

Поверхностное натяжение воды – одно из самых интересных свойств воды.

Примеры поверхностного натяжение воды

Для лучшего понимания поверхностного натяжения воды приведем несколько его проявлений в реальной жизни:

• Когда мы видим как вода с кончика крана капает а не льётся — это поверхностное натяжение воды;
• Когда капля дождя в полете принимает округлую слегка вытянутую форму — это поверхностное натяжение воды;
• Когда вода на водонепроницаемой поверхности принимает шарообразную форму — это поверхностное натяжение воды;
• Рябь, возникающая при дуновении ветра на поверхности водоемов, так же является проявлением поверхностного натяжения воды;
• Вода в космосе принимает шарообразную форму благодаря поверхностному натяжению;
• Насекомое водомерка держится на поверхности воды благодаря именно этому свойству воды;
• Если на поверхность воды аккуратно положить иглу, она будет плавать;
• Если в стакан поочерёдно налить жидкости разной плотности и цвета, мы увидим , что они не смешиваются;
• Радужные мыльные пузыри, так же являются прекрасным проявление поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение — несколько точных определений

Большая медицинская энциклопедия

Поверхностное натяжение (П. н.) — это сила притяжения, с которой каждый участок поверхностной пленки (свободной поверхности жидкости или же любой поверхности раздела двух фаз) действует на смежные части поверхности. Внутреннее давление и П. н. Поверхностный слой жидкости ведет себя, как эластическая растянутая мембрана. Согласно представлению, развитому гл. обр. Лапласом (Laplace), это свойство жидких поверхностей зависит от «молекулярных сил притяжения, быстро убывающих с расстоянием. Внутри однородной жидкости силы, действующие на каждую молекулу со стороны молекул, ее окружающих, взаимно уравновешиваются. Но вблизи поверхности равнодействующая сил молекулярного притяжения направлена внутрь; она стремится втянуть поверхностные молекулы в толщу жидкости. Вследствие этого весь поверхностный слой подобно упругой растянутой пленке оказывает на внутреннюю массу жидкости в направлении, нормальном к поверхности, весьма значительное давление. По подсчетам это «внутреннее давление», под которым находится вся масса жидкости, достигает нескольких тысяч атмосфер. Оно возрастает на выпуклой поверхности и убывает на вогнутой. В силу стремления свободной энергии к минимуму всякая жидкость стремится принять форму, при к-рой ее поверхность — место действия поверхностных сил — имеет наименьшую возможную величину. Чем больше поверхность жидкости, тем большую площадь занимает ее поверхностная пленка, тем значительнее запас свободной поверхностной энергии, освобождающейся при ее сокращении. Натяжение, с которым каждый участок сокращающейся поверхностной пленки действует на смежные части (в направлении, параллельном свободной поверхности), называется П. н. В отличие от эластического напряжения упругого растянутого тела, П. н. не ослабевает по мере сжатия поверхностной пленки. … Поверхностное натяжение равняется работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить свободную поверхность жидкости на единицу. П. н. наблюдается на границе жидкости с газом (также и с собственным паром), с другой несмешивающейся жидкостью или же с твердым телом. Точно так же и твердое тело имеет П. н. на границе с газами и жидкостями. В отличие от П. н., к-рое жидкость (или твердое тело) имеет на своей свободной поверхности, граничащей с газообразной средой, натяжение на внутренней границе двух жидких (или жидкой и твердой) фаз удобно обозначить специальным термином—принятым в немецкой литературе, термином «пограничное натяжение» (Grenzflachenspannung). Если в жидкости растворено вещество, понижающее ее П. н., то свободная энергия уменьшается не только путём уменьшения величины пограничной поверхности, но и посредством адсорпции: поверхностно активное (или капилярноактивное) вещество собирается в повышенной концентрации в поверхностном слое …
…

Большая медицинская энциклопедия. 1970

Подытожить все вышесказанное можно таким образом – молекулы, которые находятся на поверхности какой либо жидкости, в том числе и воды, притягиваются остальными молекулами внутрь жидкости, вследствие чего и возникает поверхностное натяжение. Подчеркнем, что это упрощенное понимание этого свойства.

Коэффициент поверхностного натяжения — определение

Политехнический терминологический толковый словарь

Коэффициент поверхностного натяжения — линейная плотность силы поверхностного натяжения на поверхности жидкости или на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.

Политехнический терминологический толковый словарь. Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц. 2014

Ниже мы приведем значения коэффициента поверхностного натяжения (К. п. н.) для различных жидкостей при температуре 20°C:

• К. п. н. ацетона — 0.0233 Ньютон / Метр;
• К. п. н. бензола — 0.0289 Ньютон / Метр;
• К. п. н. воды дистиллированной — 0.0727 Ньютон / Метр;
• К. п. н. глицерина — 0.0657 Ньютон / Метр;
• К. п. н. керосина — 0.0289 Ньютон / Метр;
• К. п. н. ртути — 0.4650 Ньютон / Метр;
• К. п. н. этилового спирта — 0.0223 Ньютон / Метр;
• К. п. н. эфира — 0.0171 Ньютон / Метр.

Коэффициенты поверхностного натяжения воды

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры жидкости. Приведем его значения при различных температурах воды.

• При температуре 0°C — 75,64 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 10°C — 74,22 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 20°C — 72,25 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 30°C — 71,18 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 40°C — 69,56 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 50°C — 67,91 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 60°C — 66,18 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 70°C — 64,42 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 80°C — 62,61 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 90°C — 60,75 σ, 10 –3 Ньютон / Метр;
• При температуре 100°C — 58,85 σ, 10 –3 Ньютон / Метр.

Источник

Задачи на тему «Поверхностное натяжение и свойства жидкостей» с решениями

• 12 Январь 2021
• 7 минут
• 14 601

Сегодня поверхностно рассматриваем тему поверхностного натяжения и решаем соответствующие задачи по физике.

Даже если вы не большой любитель жидкости, подписывайтесь на наш телеграм-канал, это интересно и полезно для всех.

Поверхностное натяжение, задачи

Задача №1. Поверхностное натяжение

Условие

Для определения коэффициента поверхностного натяжения воды была использована пипетка с диаметром выходного отверстия d=2 мм. Оказалось, что n=40 капель имеют массу m=1,9 г. Каким по этим данным получится коэффициент поверхностного натяжения «сигма»?

Решение

На каплю действует сила тяжести и сила поверхностного натяжения. Эти силы уравновешивают друг друга. Из условия задачи можно найти массу одной капли m0 и длину ее окружности l:

Далее запишем условие равновесия капли:

Отсюда находим коэффициент поверхностного натяжения:

Ответ: 75,63*10^-3 Н/м.

Задача №2. Капиллярные явления

Условие

В капиллярной трубке радиусом 0,5 мм жидкость поднялась на высоту 11 мм. Оценить плотность данной жидкости, если ее коэффициент поверхностного натяжения равен 22 мН/м.

Решение

Для капилляра существует формула:

Альфа в этой формуле – угол смачивания стенки капилляра жидкостью. Пример его равным 90 градусов.

Ответ: 800 килограмм на кубический метр.

Задача №3. Поверхностное натяжение

Условие

В дне сосуда со ртутью имеется круглое отверстие диаметром 70 мкм. При какой максимальной высоте слоя ртути H она не будет вытекать через отверстие?

Решение

Ртуть не будет вытекать до тех пор, пока сила ее давления не превысит силу поверхностного натяжения:

Значения коэффициента поверхностного натяжения разных жидкостей берутся в справочнике.

Ответ: 0,2 м.

Задача №4. Поверхностное натяжение

Условие

Швейная игла имеет длину 3,5 см и массу 0,3 г. Будет ли игла лежать на поверхности воды, если ее положить аккуратно?

Решение

Найдем силу тяжести, которая действует на иглу и сравним ее с силой поверхностного натяжения.

Ответ: Так как сила тяжести больше, игла утонет.

Задача №5. Поверхностное натяжение

Условие

Тонкое алюминиевое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г.

Решение

На кольцо действуют силы поверхностного натяжения, сила тяжести и внешняя сила, стремящаяся оторвать кольцо от поверхности. Найдем силу поверхностного натяжения:

Множитель «2» используется в формуле, так как кольцо взаимодействует с жидкостью двумя своими сторонами.

Теперь запишем условие отрыва кольца:

Значение поверхностного натяжения мыльного раствора при комнатной температуре возьмем из таблицы, подставим числа, и получим:

Ответ: 0,11 Н.

Вопросы на тему «Поверхностное натяжение и свойства жидкостей»

Вопрос 1. Что такое жидкость?

Ответ. Жидкость – физическое тело, которое не может самостоятельно сохранять свою форму. Агрегатное состояние вещества между твердым телом и газом.

Вопрос 2. Какие свойства жидкости вы знаете?

Ответ. Среди основных свойств жидкости можно выделить:

• текучесть;
• вязкость;
• сохранение объема;
• поверхностное натяжение.

Вопрос 3. Что такое поверхностное натяжение?

Ответ. Поверхностное натяжение – это явление, при котором жидкость стремиться приобрести форму с наименьшей возможной площадью поверхности.

Примеры поверхностного натяжения в природе:

1. Именно благодаря поверхностному натяжению в поле силы тяжести Земли жидкость приобретает форму капли.
2. В отсутствие силы тяжести жидкости капля примет шарообразную форму.
3. Водомерка удерживается на поверхности воды благодаря силе поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения – коэффициент, равный работе, которую необходимо совершить для образования поверхности жидкости площадью S при постоянной температуре.

Вопрос 4. Что такое капиллярные явления?

Ответ. Капиллярные явления – подъем или опускание жидкости в капиллярах (трубках малого диаметра).

Вопрос 5. Что называется смачиванием?

Ответ. Смачивание – это искривление поверхности жидкости вблизи твердого тела. Возникает из-за взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Количественная характеристика этого явления – угол смачивания.

Нужна помощь в решении заданий по учебе? Профессиональный студенческий сервис всегда готов ее оказать! Оформляйте заявку в любое время суток и забудьте о наболевших вопросах.

Источник

Сила поверхностного натяжения и расчёт прочности единичной молекулярной связи жидкой воды.

В предыдущее статье » Фазовые переходы в веществе с точки зрения физики атомного ядра» была изложена моя версия строения ядра атома и вытекающая из неё картина мира, включая:

— Существования газов в статическом равновесии за счёт сил электростатического отталкивания.

— Существование жидкости при фиксированной длине связей, созданных локальной потенциальной ямой сил электростатического отталкивания и магнитного притяжения.

-Существование твёрдых тел за счёт прямого контакта твёрдых атомов с взаимным прижатием силами магнитного притяжения отдельных нуклонов.

Также следствием этих моделей стало объяснение сути поверхностного натяжения.

Теперь попытаемся провести расчёт некоторых числовых параметров «Поверхностного натяжения» чтобы получить представление о величине силы взаимодействия единичной связи между молекулами жидкой воды.

Величина поверхностного натяжения воды по справочнику составляет Fнат=73*10^-3 Н/м.

Из этой величины можно вычислить силу единичной связи молекулы воды с другими молекулами, так как вся сила поверхностного натяжения создана слоем воды толщиной всего в один ряд молекул.

Для начала нужно определить молярную длину для воды. То есть необходимо вычислит длину цепочки в одну молекулу шириной в количестве один моль штук молекул. Таким образом, сможем определить размер молекулы воды, а за тем, умножив величину поверхностного натяжения на длину одной молекулы, получим силу связи одной пары молекул при разрыве.

Моль вещества содержит число Авогадро молекул Na=6,02*10^23.

Один моль воды равен 18г, или 18см.куб.=18*10^-6м

Единичный объём одной молекулы воды составит

V1м=(18*10^-6) / (6,02*10^23)=3*10^-29 м.куб.

Длина одной молекулы составит кубический корень из молекулярного объёма

Что означает эта цифра?

Это значит, что можно получит количество молекул в одном погонном метре единичной цепочки молекул.

Nм=1 /(30*10^-10)=0,033*10^10= 33*10^7

Теперь можно получить силу отрыва одной молекулы от воды

F1отр= Fнат/ Nм=(73*10^-3)/( 33*10^7)=2,21*10^-10Н

Также можно получить прочность воды на отрыв слоя 1м.кв

Ротр= Fнат* Nм=(73*10^-3)*( 33*10^7)=2409*10^4Па=24,1*10^6Па=24,1МПа

Прочность воды позволяет посчитать длину каната из воды на саморазрыв

L канат= Ротр /(q*g)= 24,1*10^6/(9,81*1000)=2,457*10^3м=2,457км

Чтобы оценить длину саморазрывного каната из воды нам надо её с чем-то сравнить.

Так для сталей, прочность которых в 10-50 раз выше, длина каната будет близкой из-за большей в 8 раз плотности стали. Так саморазрывная длина каната из лучшей легированной стали с прочностью на разрыв 800 МПа составит всего 10км. Именно с такой ограниченной предельной длиной саморазрывного каната связана проблема спуска на большие глубины привязных батискафов и невозможность подъёма судов с больших глубин, так как на предельной длине троса он уже не способен нести полезную нагрузку.

Теперь сравним прочность связей в воде с энергией парообразования воды.

Из сравнения прочности связей воды и энергии парообразования (для воды 2,4Мдж/кг) можно оценить долю энергии разрыва связи при испарении:

То есть слой воды толщиной 1мм на площади 1м.кв. имеет массу 1кг и его можно испарить с приложением энергии 2,4МДж/кг, при этом ту же энергию надо приложить при растяжении этого слоя воды на 100мм или в 100 раз при максимальной силе разрыва связей.

Учитывая известные нам свойства воды: «несжимаемость» и «нерастяжимость», — можно предположить, что полученная цифра отлично вписывается в ранее описанную мной модель ядерных взаимодействий: «Испарения, как двухактный процесс:

1.Малоэнергетичный выход молекулы из жидкости при разрыве коротких связей в локальной потенциальной яме электро-магнитных сил.

2. Разогрев «холодной» молекулы воды за счёт интенсивного теплообмена с покинутым массивом воды при совершении работы отталкивания за счёт электростатических сил».

Источник