ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ. СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ.
Мы живём в мире удивительных природных явлений. Их множество, мы встречаемся с ними каждый день, не задумываясь о сущности. Но человек как разумный феномен должен понимать суть этих явлений. Такие явления как смачивание и несмачивание, капиллярные явления играют большую роль в природе, быту, технике.
ЕСТЕСТВЕННАЯ ФОРМА ЖИДКОСТИ
Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него. Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда "теряет” свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует – и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму.�Подсолнечное масло плавает в воде, но тонет в спирте.
В жидкости сила поверхностного натяжения действует так, что стремится уменьшить поверхность жидкости до минимума в том месте, где она соприкасается с газом, другой жидкостью или твердым телом. В идеале, получается шарик. В жизни это явление встречается, например: на траве в виде капель росы; на кухне, когда на горячую сковороду попадает вода или масло; в стакане, когда наливаешь воду "с горкой"; мыльный пузырь тоже плод силы поверхностного натяжения.
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой.
НАЛИЧИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита.
Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Это мы видим из опыта с проволочной рамкой.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ДОКАЗЫВАЮЩИЕ СУЩЕСТВОВАНИЕ�СИЛ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
Кажется невозможным заставить стальное лезвие или иглу плавать на поверхности воды, а между тем это не так трудно сделать. На поверхность воды положим лезвие безопасной бритвы. Это объясняется тем, что прогнутый поверхностный слой, стремясь сократиться, создает силу направленную вверх, и ведет себя как упругая пленка.
В водоемах на поверхности воды свободно бегают и прыгают насекомые- водомерки, «поддерживаемые» силой поверхностного натяжения и благодаря воздушным подушкам в густом слое волосков на длинных подошвах четырех из шести своих лапок.
БЕЗДОННЫЙ БОКАЛ
Попробуем в до краёв наполненный водой стакан опускать канцелярские скрепки. Сколько скрепок можно опустить в него до момента выливания воды через край? Угадать сложно – целых 104. А все за счет «упругой пленки» на поверхности, и какая она становится выпуклой! Просто бездонный стакан!
МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ
Стремление поверхности жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать с помощью мыльных пузырей. Умеете ли вы выдувать мыльные пузыри? Это не так просто, как кажется. Приготовим мыльный раствор из воды, шампуня и глицерина (1:1:1) и будем выдувать мыльные пузыри. Уменье выдувать большие и красивые пузыри – своего рода искусство, требующее упражнения. Марк Твен назвал мыльный пузырь самым изысканным чудом природы!
ИСЧЕЗНОВЕНИЕ ПЕНЫ
Если образовать мыльную пену и понаблюдать за ней, то мы увидим, что она уменьшается за счет уменьшения в объеме пузырьков, которые выжимают из себя струи воздуха, а так же под действием силы тяжести жидкость стекает вниз, стенки пузырей сверху утончаются, снизу утолщаются и пузырь лопается под действием стягивающих поверхность сил.
СЛОЁННАЯ ЖИДКОСТЬ
А можно ли налить жидкости разной плотности отдельными слоями? Это возможно, потому что каждая из них образует на границе с другой жидкостью поверхностный слой - «упругую пленку» Она и удерживает жидкости от смешивания.
СМАЧИВАНИЕ И НЕ СМАЧИВАНИЕ�
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.
Вода смачивает стекло, дерево, хлопок, кожу и растекается по этим материалам, стараясь как можно больше увеличить поверхность соприкосновения. Вода растекается по стеклу. Смачивание и не смачивание - понятия относительные: жидкости, смачивающие одни поверхности, не смачивают другие. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.
На фото подкрашенная вода на поверхности парафина - парафин не смачивается водой Вода на поверхности чистого стекла (сверху) растеклась - смачивает, а на поверхности стекла покрытого слоем масла (внизу) собрана в каплю – не смачивает эту поверхность. Вода (сверху) и подсолнечное масла (внизу) на поверхности чистого стекла. Масло не смачивает поверхность стекла.
КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, не смачивающие – опускаются. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра.
Мениск жидкости в узкой капиллярной трубке имеет форму полусферы, вследствие чего в трубке создается давление, называемое капиллярным. Если жидкость не смачивающая, то ее мениск выпуклый, и капиллярное давление направлено вниз; жидкость в капилляре находится под большим давлением, чем атмосферное, и ее уровень в капилляре ниже, чем в сообщающемся широком сосуде. Если жидкость смачивающая, то ее мениск вогнутый, капиллярное давление направлено вверх; жидкость в капилляре находится под меньшим давлением, чем атмосферное, и ее уровень в капилляре выше, чем в сообщающемся широком сосуде.
Такие явления как поверхностное натяжение, смачивание и не смачивание, капиллярные явления играют большую роль в природе, быту, технике: агро-технологические приемы регулирования водного режима почвы, гидроизоляция фундаментов зданий при строительстве, использование различных моющих средств, действие флотоагентов при обогащении руд (флотация) и т.п. Они важны как в повседневной жизни, так и для решения важнейших научно-технических задач.
Роль поверхностных явлений в жизни животного мира очень разнообразна. Например, поверхностная пленка воды используется многими насекомыми в качестве опоры при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду конечными члениками широко расставленных лапок; лапка, покрытая налетом, не смачивается водой, поверхностный слой прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным же образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, а перпендикулярно.
Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим капиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т.е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай.
В технике капиллярные явления имеют огромное значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т.п. Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров.
Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма. Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5мм; в теле взрослого человека до 160 млрд. капилляров, общая длина их 60-80 тыс. км.
По капиллярам почвы поднимается вода из глубинных слоев в поверхностные. Уменьшая диаметр почвенных капилляров путем уплотнения почвы, можно усилить приток воды к поверхности почвы, т.е. к зоне испарения и этим ускорить высушивание почвы. И, наоборот, разрыхляя поверхность почвы и разрушая тем самым капилляры, можно задержать приток воды к зоне испарения и замедлить высушивание почвы. Именно на этом основаны агротехнические приемы регулирования водного режима почвы
Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключенный между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает ее «запас плавучести», действуя подобно спасательному кругу. Воскообразный налет на листьях растений препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений.