Поверхностное натяжение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск
Монета, лежащая на воде в силу поверхностного натяжения
Механика сплошных сред
Сплошная среда
Просмотр • Обсуждение • Править

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует. Сила поверхностного натяжения пропорциональна длине того участка контура, на который она действует. Коэффициент пропорциональности γ — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется физический смысл и связь понятия поверхностного натяжения с внутренней энергией, что было доказано теоретически (Журнал физической химии. 1983, № 10)

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.

В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.

Содержание

[править] Проявления

Водомерка на поверхности воды.

Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:

  • в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех фигур одинаковой ёмкости).
  • струя воды «слипается» в цилиндр.
  • маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади жидкости.
  • некоторые насекомые (например, Водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.
  • На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

[править] Математическая теория

[править] Площадь поверхности

С поверхностью жидкости связана свободная энергия

\mathcal{F}_{surf} = \sigma S

где σ — коэффициент поверхностного натяжения, S — полная площадь поверхности жидкости[1]. Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Таких образом задача о форме жидкости сводится к изопериметрической задаче при заданных дополнительных условиях (начальное распределение, объём и т. п.). Свободная капля принимает форму шара, однако при более сложных условиях задача о форме поверхности жидкости становится исключительно сложной.

[править] Формула Лапласа

Рассмотрим тонкую жидкую плёнку, толщиной которой можно пренебречь. Стремясь минимизировать свою свободную энергию, плёнка создаёт разность давления с разных сторон. Этим объясняется существование мыльных пузырей: плёнка сжимается до тех пор, пока давление внутри пузыря не будет превышать атмосферное на величину добавочного давления плёнки. Добавочное давление в точке поверхности зависит от средней кривизны в этой точке и даётся формулой Лапласа:

\Delta p = \sigma K = \sigma \left({1\over R_1} + {1\over R_2}\right)

Здесь R1,2 — радиусы главных кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный знак — если по разную cторону. Например, для сферы центры кривизны в любой точке поверхности совпадают с центром сферы, поэтому

R1 = R2 = R
\Delta p = {2\sigma \over R}

Для случая поверхности кругового цилиндра радиуса R имеем

R_1 = R, ~~~R_2 = \infty
\Delta p = {\sigma \over R}

Обратите внимание, что Δp должно быть непрерывной функцией на поверхности плёнки, так что выбор «положительной» стороны плёнки в одной точке локально однозначно задаёт положительную сторону поверхности в достаточно близких её точках.

Из формулы Лапласа следует, что свободная мыльная плёнка, натянутая на рамку произвольной формы и не образующая пузырей, будет иметь среднюю кривизну, равную 0.

[править] Способы определения

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов (например, в случае концентрированных растворов полимеров с высокой вязкостью). Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения. Например, для раствора мыла после перемешивания поверхностное натяжение 58 Дж/м2, а после отстаивания — 35 Дж/м2 . То есть поверхностное натяжение меняется. До установления равновесного оно будет динамическое.

Статические методы:

  1. Метод поднятия в капилляре
  2. Метод Вильгельми
  3. Метод лежачей капли
  4. Метод определения по форме висячей капли.
  5. Метод вращающейся капли

Динамические методы:

  1. Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).
  2. Сталагмометрический, или метод счета капель.
  3. Метод максимального давления пузырька.
  4. Метод осциллирующей струи
  5. Метод стоячих волн

[править] Методы

Полностью стандартизованные методы измерений описываются в соответствующих ASTM, ГОСТ и т. д.

[править] Метод вращающейся капли

Сущностью метода является измерение диаметра капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости. Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения. Он широко применяется для микроэмульсий, измерения эффективности ПАВ в нефтедобыче, а также для определения адсорбционных свойств.

[править] Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца)

Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.

[править] Поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом

Поверхностное натяжение в Викиучебнике?
Поверхностное натяжение на Викискладе?
Вещество Температура °C Поверхностное натяжение(10-3 Н/м)
Хлорид натрия 6.0M водный раствор 20 82,55
Хлорид натрия 801 115
Глицерин 30 64,7
Олово 400 518
Азотная кислота 70 % 20 59,4
Анилин 20 42,9
Ацетон 20 23,7
Бензол 20 29,0
Вода 20 72,86
Глицерин 20 59,4
Нефть 20 26
Ртуть 20 486,5
Ртуть 25 485,5
Ртуть 30 484,5
Серная кислота 85 % 20 57,4
Спирт этиловый 20 22,8
Уксусная кислота 20 27,8
Эфир этиловый 20 16,9
Раствор мыла 20 40

[править] Примечания

  1. ↑ Обратите внимание, что плёнка, вроде стенки мыльного пузыря, имеет две стороны, так что площадь поверхности жидкости в два раза больше площади плёнки.

[править] См. также

Тензиометр

[править] Внешние ссылки

Физика Это незавершённая статья по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

Источник — «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5»