Роль сил поверхностного натяжения в физике

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так  как пленка имеет две поверхности:

Смачивание      

 Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкостью при условии, что присутствует третья (обычно, но не обязательно, газовая) фаза, причём происходит одновременный контакт всех этих трёх не смешивающихся фаз. Смачивание ответственно за растекание жидкости по твёрдой поверхности, за форму лежащих на ней капель, за пропитывание порошков и пористых веществ (капиллярные явления) и др.

Смачивание  бывает двух видов:

• Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)
• Контактное (состоит из 3х фаз-твердая, жидкая, газообразная)

      Смачивание  зависит от соотношения между  силами сцепления молекул жидкости  с молекулами (или атомами) смачиваемого  тела и силами взаимного сцепления  молекул жидкости.      

 Степень смачивания  характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой  угол смачивания) это угол, образованный  касательными плоскостями к межфазным  поверхностям, ограничивающим смачивающую  жидкость, а вершина угла лежит  на линии раздела трёх фаз.  Измеряется методом лежащей капли.     

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. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.  

Рассмотрим пример, на смачивание поверхностей.

Вы налили воды в бокал до краев. Он полон. Возле  бокала лежат булавки. Может быть, для одной-двух булавок еще найдется место в бокале? Попробуйте.

Начните бросать  булавки и считайте их. Бросать  надо осмотрительно: бережно погружайте острие в воду и затем осторожно  выпускайте булавку из руки, без  толчка или давления, чтобы сотрясением  не расплескать воды. Одна, две, три  булавки упали на дно – уровень  воды остался неизменным. Десять, двадцать, тридцать булавок… Жидкость не выливается. Пятьдесят, шестьдесят, семьдесят… Целая  сотня булавок лежит на дне, а  вода из бокала все еще не выливается  
Не только не выливается, но даже и не поднялась сколько-нибудь заметным образом над краями. Продолжайте добавлять булавки. Вторая, третья, четвертая сотня булавок очутилась в сосуде – и ни одна капля не перелилась через край; но теперь уже видно, как поверхность воды вздулась, возвышаясь немного над краями бокала. В этом вздутии вся разгадка непонятного явления. Вода мало смачивает стекло, если оно, хотя немного загрязнено жиром; края же бокала – как и вся употребляемая нами посуда – неизбежно покрывается следами жира от прикосновения пальцев. Не смачивая краев, вода, вытесняемая булавками из бокала, образует выпуклость. Вздутие незначительно на глаз, но если дадите себе труд вычислить объем одной булавки и сравните его с объемом той выпуклости, которая слегка вздулась над краями бокала, вы убедитесь, что первый объем в сотни раз меньше второго, и оттого в “полном” бокале может найтись место еще для нескольких сотен булавок.

Копейка, которая  в воде не тонет, существует не только в сказке, но и в действительности. Вы убедитесь в этом, если проделаете несколько легко выполнимых опытов. Начнем с более мелких предметов  – с иголок. Кажется невозможным  заставить стальную иглу плавать  на поверхности воды, а между тем  это не так трудно сделать. Захватив иглу пальцами посредине, уроните ее в горизонтальном положении с  небольшой высоты на поверхность  воды.

Причина плавания этих металлических предметов та, что вода плохо смачивает металл, побывавший в наших руках и  потому покрытый тончайшим слоем  жира. Оттого вокруг плавающей иглы на поверхности воды образуется вдавленность, ее можно даже видеть. Поверхностная пленка жидкости, стремясь распрямиться, оказывает давление вверх на иглу и тем поддерживает ее. Поддерживает иглу также и выталкивающая сила жидкости, согласно закону плавания: игла выталкивается снизу с силой, равной весу вытесненной ею воды. Всего проще добиться плавания иглы, если смазать ее маслом; такую иглу можно прямо класть на поверхность воды, и она не потонет. 

Капиллярные явления      

При опускании  тонкой трубочки в жидкость наблюдается  хорошо известное явление капиллярного подъема. Капиллярные явления - физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. К капиллярным явлениям относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с др. жидкостью, газом или собственным паром. Искривление поверхности ведёт к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления D_p, величина которого связана со средней кривизной r поверхности уравнением Лапласа: D_p = p₁ — p₂ = 2s₁₂/r, где (s₁₂ — поверхностное натяжение на границе двух сред; p₁ и p₂ — давления в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (фазе) 2. В случае вогнутой поверхности жидкости (r < 0) давление в ней понижено по сравнению с давлением в соседней фазе: p₁ < p₂ и D_p < 0. Для выпуклых поверхностей (r > 0) знак Dp меняется на обратный. Капиллярное давление создаётся силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведёт к появлению составляющей, направленной внутрь объёма одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности раздела (r = ¥) такая составляющая отсутствует и D_p = 0.      

 Капиллярные  явления охватывают различные  случаи равновесия и движения  поверхности жидкости под действием  межмолекулярных сил и внешних  сил (в первую очередь силы  тяжести).      

 Высота поднятия  жидкости в капиллярной трубке  h определяется уравновешиванием лапласовского и гидростатического давлений:

       =ρgh

Высота  подъёма (опускания) уровня жидкости в  капилляре будет равна:

     =h, где

• ρ - плотность жидкости
• σ - поверхностное натяжение
• R - радиус сферической формы мениска

Вода практически  полностью смачивает чистую поверхность  стекла. Наоборот, ртуть полностью  не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в  сосуде 
 

     Роль  поверхностного натяжения  в жизни 

     Роль  поверхностного натяжения в жизни  очень разнообразна.

     Прогиб  пленки не позволит выливаться воде, осторожно  налитой в достаточно частое решето. Так что можно «носить воду в решете». Это показывает, как  трудно порой, даже при желании, сказать  настоящую бессмыслицу. Ткань –  это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и потому она не промокает насквозь мгновенно.

     В своем стремлении сократиться поверхностная  пленка придавала бы жидкости сферическую  форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению  с объемными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы, как показывает теория, и радуги.

     Явление капиллярности играет огромную роль в природе и технике. Достаточно сказать, что все живое живет  в значительной степени благодаря  этому явлению. Так, ствол, ветви, стебли и листья растений пронизаны множеством капиллярных каналов, по которым  благодаря эффекту капиллярного подъема поступают ко всем точкам растения питательные вещества. По капиллярам в почве поднимаются  грунтовые воды к поверхности  почвенного покрова, где находится  разветвленная корневая система  растений. Наконец, это явление лежит  в основе ряда технологических процессов  пропитки веществ различными жидкостями – от соления рыбы и смоления шпал до изготовления специальной керамики, пропитанной расплавленным металлом.

     Существуют  целые виды насекомых мелких и  паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения.

     Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая  не течет, вода, которую трудно пить.

     Наиболее  известны водомерки, которые опираются  на воду кончиками лап. Сама же лапка  покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается  под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка  остается на поверхности. Насекомые из рода Stenus не только шагают по воде, используя поверхностное натяжение, но и умеют применять эту силу, чтобы толкать самих себя. При передвижении насекомые касаются брюшком воды, а на кончике брюшка имеется отверстие и оттуда сочится жидкость, ослабляющая поверхностное натяжение. Более сильное натяжение спереди тянет насекомое вперед. Чтобы остановиться, насекомому достаточно всего лишь приподнять брюшко над водой или прекратить выделение жидкости.

     Силы, действующие между молекулами и  создающие поверхностное натяжение, а также пузыри играют важную роль и во многих других явлениях. Водоплавающие  птицы — например, лебеди или  утки — в воде остаются сухими, потому что их перья покрыты слоем  жира. Вода не смачивает жирную поверхность, так как силы притяжения между  молекулами воды и жира намного меньше, чем силы притяжения между молекулами самой воды. Но если какой-нибудь незадачливой утке случится сесть на воду, в которой  содержится слишком много мыла или  другого моющего вещества, то притяжение между молекулами жира на ее перьях и молекулами мыла в воде приведет к тому, что между жиром и  водой образуются «молекулярные  мостики», и утка вымокнет насквозь. Добавочный вес воды, налипшей на перья  птицы, может даже привести к тому, что утка начнет тонуть и пойдет на дно. То же может произойти и  с жуком-плавунцом, умеющим ходить по воде. Он также утонет, если в воде будет слишком много мыла.

     Нельзя  было бы намылить руки: пена не образовалась бы;

     Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений;

     Пострадали  бы важные функции нашего организма.

     Поверхностная энергия может быть уменьшена не только за счет сокращения свободной поверхности тел, но и за счет изменения ее физических свойств, за счет уменьшения поверхностного натяжения. Последнее проявляется особенно заметно при адсорбции. Явление это состоит в скоплении на поверхности тела посторонних веществ. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными. Адсорбция широко распространена в природе, играет большую роль практически во всех поверхностных явлениях и находит широкое техническое и производственное применение. В частности явление адсорбции лежит в основе эффективного метода очистки газов от примесей, например в противогазах. Тела с развитой поверхностью называют адсорбентами. У хороших адсорбентов площадь поверхности может достигать сотни тысяч квадратных метров на  1 кг массы.

     В растворах моющих веществ маленькие  пузырьки, или пена, могут сохраняться  довольно долго, иной раз даже слишком  долго. Когда такой раствор стекает  в сточный колодец или канализационную  трубу, образовавшиеся в нем пузырьки пены могут сохраняться длительное время.

     Пена  может забить отстойники, очистные фильтры или засорить поля орошения. Кроме того, она нарушает жизнедеятельность  бактерий, играющих важную роль в очистке  воды. Часто в реках, загрязненных отходами домашней стирки, можно видеть большие хлопья пены.

     В последние годы эта опасность  стала настолько серьезной, что  многие предприятия вынуждены были «подавить» излишнюю пенистость выпускаемых  ими моющих средств. Кстати, это нисколько  не сказывается на моющих способностях. Единственная причина, по которой моющим средствам придают способность  к ценообразованию, состоит в  том, что реклама убедила людей, будто пенистость как-то связана  с моющими качествами. На самом  же деле моющая способность мыла и  стирального порошка обусловлена  тем, что они помогают воде смачивать  частицы пищи и других жирных веществ, которые обычно водой не смачиваются. Молекула моющего вещества одним  своим концом всегда стремится прилипнуть к воде, другим так и тянется  прилипнуть к молекулам жира. В  результате такая молекула образует как бы «молекулярный мостик», с  помощью которого вода и жирные вещества получают возможность соединиться  друг с другом. Поэтому вода, в  которой растворено мыло или стиральный порошок, приобретает способность  растворять жирные вещества, а следовательно, смывать их с кастрюль, тарелок, рук и ткани.

     Популярный  метод увеличения добычи нефти при  помощи закачки воды в пласт исходит  из того, что вода заполняет поры и выдавливает нефть. В случае мелких пор и чистой воды это далеко не так, поэтому приходится добавлять специальные ПАВ. Оценку смачиваемости горных пород при добавлении различных по составу растворов можно измерить различными приборами.

     Измерение степени смачивания весьма важно  во многих отраслях промышленности ( лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.). К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла.  
 
 
 
 
 

     Заключение: