Поверхностное натяжение жидкости. Поверхностная энергия

Поверхностное натяжение
жидкости. Поверхностная
энергия. Коэффициент
поверхностного натяжения.
Свойства жидкости:
1)Текучесть
2)хрупкость
3)сжимаемость
4)кавитация
5)упругость
Молекулы на поверхности жидкости.
Молекулы на поверхности жидкости находятся в других условиях,
чем молекулы внутри жидкости. На каждую молекулу внутри
жидкости действуют силы притяжения со стороны соседних
молекул, окружающих ее со всех сторон. Результирующая этих
сил равна нулю.
Над поверхностью жидкости находится пар, плотность
которого во много раз меньше плотности жидкости, и
взаимодействием молекул жидкости с паром можно пренебречь.
Молекулы, находящиеся на поверхности, притягиваются только
молекулами, лежащими ниже. Поэтому равнодействующая сил
притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя не
равна нулю. Под действием этих сил молекулы поверхностного
слоя втягиваются внутрь, число молекул поверхностного слоя
уменьшается и площадь поверхности жидкости уменьшается. Но
все молекулы разумеется не могут уйти внутрь.
Толщина поверхностного слоя порядка 10-9метра.
На поверхности остается такое число
молекул, при котором площадь
поверхности оказывается минимальной
при данном объеме жидкости.
Поэтому жидкости под действием
молекулярных сил принимают
сферическую форму, при которой
площадь поверхности минимальна.
В природе мы очень часто встречаемся с
проявлением сил поверхностного натяжения.
По воде бегают водомерки.
На листьях утром роса в виде шариков воды.
Капли дождя при свободном падении.
Мыльный пузырь всегда имеет форму шара.
На кране висит капля в виде шарика.
Вопрос учащимся:
Почему больше количество воды не
имеет форму шара, а растекается по
поверхности?
Почему больше количество воды льется
из крана струей?
• «Выйти сухим из воды»
• Опыт с ликоподием.
Энергия поверхностного слоя жидкости.
Поскольку молекулы поверхностного слоя жидкости втягиваются
внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у
молекул внутри жидкости, так как потенциальная энергия – это
энергия взаимодействия. Эту дополнительную потенциальную
энергию молекул поверхностного слоя называют свободной
энергией, так как за ее счет может быть произведена работа,
связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости.
Чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости, на
поверхность, нужно преодолеть противодействие молекулярных
сил, то есть произвести работу, необходимую для увеличения
свободной поверхности поверхностного слоя жидкости.
При этом изменение свободной энергии ΔЕп прямо
пропорционально изменению площади свободной поверхности
жидкости:
ΔЕп =
ΔS

ΔЕп
=А

А = ΔS
Но эта работа должна зависеть от рода жидкости и от температуры.
Такую зависимость и выражает коэффициент

Величина  , характеризующая
зависимость работы молекулярных
сил при изменении площади
свободной поверхности от рода
жидкости и температуры,
называется коэффициентом
поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения
измеряется работой молекулярных сил при
уменьшении площади свободной
поверхности жидкости на единицу:
A

S
Единицы измерения.
Система СИ:
1 Дж
  
1м
Физический смысл:
за единицу
принимается такой
коэффициент поверхностного натяжения, при
котором молекулярные силы совершают
работу в 1 Дж, уменьшая площадь свободной
поверхности на 1 м2.

Так как всякая система стремится к
минимуму потенциальной энергии, то
жидкость должна самопроизвольно
переходить в такое состояние, при
котором площадь ее поверхности имеет
минимальную величину.
Это можно продемонстрировать на
опыте.
Сила Fпн , действующая вдоль
поверхности
жидкости,
перпендикулярно
к
линии,
ограничивающей
поверхность,
и
направленная
в
сторону
ее
сокращения,
называется
силой
поверхностного натяжения.
Работа, совершаемая силой поверхностного
натяжения при перемещении поперечины из
положения 1 в положение 2 на расстояние
Δх=h, выражается формулой: А  S
С
другой
стороны
работа
произведению силы на перемещение:
A  Fh cos  Fh
равна
Так как у пленки две линии соприкосновения с
поперечиной, то в нашем случае будет две
силы:
A  2Fh
Сокращение площади свободной
поверхности жидкости при перемещении
поперечины: S  2hl
Коэффициент поверхностного
натяжения численно равен силе
поверхностного натяжения,
действующей на единицу длины
границы свободной поверхности
жидкости.
Опыт показывает, что коэффициент
поверхностного натяжения зависит от
свойств жидкости, температуры
жидкости и от среды над жидкостью.
При
увеличении
температуры
уменьшается
коэффициент
поверхностного натяжения.
Объясните почему?
Чем выше температура жидкости, тем больше
расстояние между молекулами, то есть меньше
сила взаимодействия между ними,
следовательно
•
Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и
внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp. Если
мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки,
то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил
поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил
избыточного давления, действующих на площадь πR2 сечения
(рис. 3.5.4). Условие равновесия записывается в виде
σ2πR = ΔpπR2.
Отсюда избыточное давление внутри капли равно
Сечение сферической капли жидкости.
Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше,
так как пленка имеет две поверхности
•
Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма
свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия
молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с
молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше
сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость
смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость
подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ,
характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ
называется краевым углом. Если силы взаимодействия между
молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с
молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым
(рис. 3.5.5). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает
поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при
полном несмачивании θ = 180°.
Краевые углы
смачивающей (1) и
несмачивающей (2)
жидкостей.
• Капиллярными явлениями называют подъем или опускание
жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах.
Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам,
несмачивающие – опускаются
.
Домашнее задание:
1. Выучить новый материал по конспекту.
2. Объяснить опыт «Умная спичка».