Поверхностное натяжение воды

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 212.

Жидкости, в отличие от газов, имеют поверхность. Поверхность образуется за счет того, что жидкости обладают особым свойством — поверхностным натяжением. Рассмотрим сущность этого явления на примере наиболее часто встречающейся человеку жидкости — воды.

Молекулярная структура жидкости

В 10 классе известно, что жидкости состоят из молекул, находящихся на близком расстоянии друг от друга. Однако, в отличие от твердых тел, тепловая энергия молекул жидкости достаточно высока, чтобы не образовывать строгую пространственную решетку, а легко перемещаться под действием внешних сил.

Если молекулы сближаются, резко возрастают силы отталкивания, возникающие при нарушении пространственной структуры молекул. Именно поэтому жидкости очень слабо сжимаемы.

Если молекулы удаляются, начинают преобладать силы притяжения, которые возникают из-за электростатического притяжения разноименно заряженных частей соседних молекул.

Таким образом, молекулы на поверхности жидкости стремятся притянуться друг к другу и уменьшить площадь поверхности. В результате этого молекулы в глубине сдавлены вышележащими слоями.

Рис. 1. Молекулы в глубине жидкости и на ее поверхности.

Поверхностная энергия

Получается, что молекулы в глубине располагаются немного ближе друг к другу, а молекулы на поверхности обладают некоторой избыточной потенциальной энергией по сравнению с ними. Эта энергия называется поверхностной.

Поскольку поверхностная энергия обуславливается взаимным притяжением молекул поверхности, то она пропорциональна числу таких молекул, а значит, пропорциональна площади поверхности жидкости:

$$W_{пов}=\sigma S$$

Коэффициент пропорциональности $\sigma$ называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости. Его физический смысл в том, что это поверхностная энергия жидкости, имеющей поверхность единичной площади. Он измеряется в джоулях на квадратный метр или (учитывая, что джоуль — это ньютон-метр) ньютонах на метр.

Измерение коэффициента поверхностного натяжения

Для измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости (например, воды) необходимо определить силу, с которой молекулы поверхности жидкости притягиваются друг к другу. Необходимо взять чувствительный динамометр, подвесить к нему горизонтальную планку, которая будет полностью погружена в воду. Если аккуратно поднимать динамометр с планкой, то в момент выхода планки на поверхность динамометр зафиксирует увеличение усилия. Это усилие и будет обусловлено поверхностным натяжением воды.

Рис. 2. Измерение силы поверхностного натяжения.

Сила, действующая на границу поверхностного слоя длиной $l$, равна:

$$F=\sigma l$$

А значит, измерив силу отрыва от поверхности планки в нашем опыте, можно получить значение коэффициента поверхностного натяжения. При этом надо учесть, что при отрыве планки от поверхности воды на нее действует сила с обеих сторон водяной пленки. Поэтому длина поверхностного слоя будет вдвое больше длины планки. Значение коэффициента находится по формуле:

$$\sigma = {F \over 2l}$$

Если реально провести этот опыт, то можно убедиться, что для планки длиной 0,1 м максимально зафиксированное усилие отрыва от воды будет находиться в пределах 14–15 мН. При этом коэффициент, полученный по формуле, будет равен 70–75 мН/м.

Для верности можно сравнить полученное значение с таблицей коэффициентов из справочника:

Рис. 3. Таблица коэффициентов поверхностного натяжения различных жидкостей.

Табличное значение коэффициента поверхностного натяжения воды составляет 73 мН/м.

Что мы узнали?

Поверхностное натяжение воды обуславливается взаимным притяжением молекул. Оно может быть измерено чувствительным динамометром. Усилие, которое требуется для отрыва планки от поверхности воды, пропорционально коэффициенту поверхностного натяжения. Для воды он равен 73 мН/м.