14.02.2024 / Поверхностное натяжение

Механические свойства жидкости включают в себя несколько аспектов:

1. Объем и форма: Жидкость занимает форму сосуда, в котором она находится, и её объем не остается постоянным, но изменяется под воздействием внешних сил.

2. Упругость: Жидкость обладает упругостью, которая проявляется в её способности деформироваться под воздействием внешних сил и возвращаться к исходной форме после прекращения воздействия этих сил.

3. Не сжимаемость: При обычных условиях давления жидкость считается практически несжимаемой, так как объем жидкости остается постоянным при изменении давления.

4. Текучесть: Жидкость может течь под воздействием внешних сил. Это проявляется в возможности жидкости изменять свою форму, чтобы подчиниться воздействующим на неё силам.

5. Вязкость: Это свойство характеризует сопротивление жидкости движению. Оно определяется внутренним трением в жидкости. Вязкость может быть определена через соотношение между напряжением сдвига и скоростью деформации, описываемыми уравнением Навье-Стокса:

$\tau = \mu \frac{{du}}{{dy}}$

где $\tau$ - напряжение сдвига, $\mu$ - динамическая вязкость, $\frac{{du}}{{dy}}$ - скорость изменения скорости в направлении, перпендикулярном к слою жидкости.

Поверхностное натяжение — это свойство жидкости сокращать свою поверхность за счёт сил внутреннего взаимодействия молекул. Это проявляется через силы, действующие вдоль поверхности жидкости, перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность. Такие силы известны как силы поверхностного натяжения.

Математически поверхностное натяжение ($\gamma$) выражается как отношение силы, действующей на линейный элемент поверхности, к длине этого элемента:

$$\gamma = \frac{F}{l}$$

Где:

• $\gamma$ - поверхностное натяжение,

• $F$ - сила, действующая вдоль поверхности,

• $l$ - длина элемента поверхности.

Это свойство играет важную роль в различных физических и технических явлениях, таких как капиллярное действие, формирование капель, поведение пузырьков и многие другие аспекты поведения жидкостей.

Сила поверхностного натяжения жидкости напрямую зависит от длины линии, которая образует поверхность. Это можно выразить формулой:

$\sigma = \frac{F}{L}$

Где:

• $\sigma$ - коэффициент поверхностного натяжения,

• ( F ) - сила поверхностного натяжения,

• ( L ) - длина линии, ограничивающей поверхность жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения ($\sigma$) представляет собой отношение силы поверхностного натяжения к длине линии. Его единицы измерения могут быть выражены как [Н/м], что соответствует отношению силы к длине, или как [Дж/м²], что соответствует отношению энергии к площади.

Коэффициент поверхностного натяжения (О) зависит от: природы жидкости; температуры жидкости; наличия примесей.

Жидкость, которая растекается тонкой пленкой по данному телу, считается смачивающей его поверхность, когда угол смачивания ($\theta$) меньше 90°. Угол $\theta$ определяется как краевой угол, образованный поверхностью твердого тела и касательной к мениску в точке их пересечения.

Жидкость, которая не растекается по поверхности твердого тела, а собирается в каплю, не смачивает данное тело. Это означает, что угол контакта между поверхностью твердого тела и жидкостью превышает 90°. Угол контакта всегда отсчитывается так, чтобы во внутренней области тела находилась жидкость.

Математически этот феномен можно описать с помощью угла контакта (θ), который определяется законом Юнга-Дюпре:

$\cos(\theta) = \frac{{\text{прилегающая сторона}}}{{\text{противолежащая сторона}}}$

Где прилегающая сторона - это сила притяжения между поверхностью твердого тела и жидкостью, а противолежащая сторона - сила поверхностного натяжения жидкости. Когда угол контакта больше 90°, капля жидкости не смачивает поверхность, и сила притяжения преобладает над силой поверхностного натяжения.

Капиллярные явления

Капиллярность, происходящая из латинского слова "capillaris", что означает "волос" или "волосной", представляет собой феномен, связанный с поднятием (смачиванием) или опусканием (несмачиванием) жидкости в капиллярах.

Капилляр

Вода

Ртуть

Капиллярное явление определяется соотношением между силой адгезии (силой притяжения молекул жидкости к поверхности капилляра) и силой когезии (силой притяжения молекул жидкости друг к другу). Это соотношение может быть выражено уравнением поверхностного натяжения:

$\gamma = \frac{F}{l}$

Где:

• ( \gamma ) - поверхностное натяжение

• ( F ) - сила, действующая на капиллярную стенку

• ( l ) - длина капилляра

Это уравнение показывает, что поверхностное натяжение прямо пропорционально силе, действующей на капиллярную стенку, и обратно пропорционально длине капилляра.

Кроме того, угол смачивания ( \theta ) также играет важную роль в капиллярных явлениях. Он определяется величиной силы адгезии и силы когезии:

$\cos \theta = \frac{F_{\text{силы адгезии}}}{F_{\text{силы когезии}}}$

Где:

• ( \theta ) - угол смачивания

• ( F_{\text{силы адгезии}} ) - сила адгезии

• ( F_{\text{силы когезии}} ) - сила когезии

Этот угол определяет, будет ли жидкость подниматься или опускаться в капилляре.

Таким образом, капиллярные явления играют важную роль в многих физических и химических процессах, таких как капиллярное действие в почве, подъем воды в растениях и т. д.

Капиллярное действие

Капиллярное действие — это явление, заключающееся в подъёме (или опускании) жидкости в узком канале (капилляре), происходящем вследствие поверхностного натяжения и когезии между молекулами жидкости и стенками капилляра.

Формула высоты подъема (опускания) жидкости в капилляре:

$h = -\frac{{\cos\theta}}{{\rho g}}$

где:

• ( h ) - высота подъема (или опускания) жидкости в капилляре,

• ( \theta ) - угол смачивания (угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого тела),

• ( \rho ) - плотность жидкости,

• ( g ) - ускорение свободного падения.

Эта формула выведена из баланса сил, действующих на капилляре, и описывает связь между высотой подъема (или опускания) жидкости и её поверхностными свойствами. Как видно из формулы, высота подъема обратно пропорциональна плотности жидкости и ускорению свободного падения, а также зависит от косинуса угла смачивания.

Капиллярное действие имеет важное значение в различных явлениях, таких как капиллярное поднятие воды в растениях или капиллярное поднятие жидкости в тонкой трубке.