Поверхневий натяг рідини. Будова рідини. Змочування. Капілярні явищ.

МЕДВІДЬ НІНА ІВАНІВНА

Поверхневий натяг рідини. Будова рідини. Змочування. Капілярні явищ.

Розділ 1: Вступ

Поверхневий натяг — це властивість рідин, яка виникає внаслідок сил когезії між молекулами. На поверхні рідини молекули відчувають внутрішню силу, яка змушує їх злипатися, створюючи бар’єр, який протистоїть зовнішнім силам. Цей бар’єр є причиною поняття поверхневого натягу, яке визначається як кількість енергії, необхідної для збільшення площі поверхні рідини на одиницю.

Поверхневий натяг відіграє вирішальну роль у багатьох природних і промислових процесах, від утворення крапель води до роботи струменевих принтерів. У випадку крапель води сили когезії між молекулами води на поверхні краплі створюють сферичну форму, що мінімізує площу поверхні і, отже, поверхневу енергію краплі. У струменевих принтерах поверхневий натяг відповідає за утворення дрібних крапель чорнила, які викидаються з головки принтера та осідають на папері.

Поняття поверхневого натягу тісно пов'язане зі структурою рідин. Рідини складаються з молекул, які постійно рухаються, утримуючи їх міжмолекулярними силами, які утримують їх у фіксованому об’ємі, але дозволяють їм вільно рухатися. Проте молекули на поверхні рідини не мають над собою молекул, з якими можна взаємодіяти, і тому вони відчувають чисту внутрішню силу, яка змушує їх злипатися. Ця сила створює поверхневий натяг рідини.

На поверхневий натяг також впливають температура, тиск і наявність домішок у рідині. Наприклад, поверхневий натяг води зменшується з підвищенням температури внаслідок збільшення теплового руху молекул. Подібним чином присутність домішок у рідині може порушити когезійні сили між молекулами, що призведе до зменшення поверхневого натягу.

Розділ 2: Будова рідин

Щоб зрозуміти поверхневий натяг, важливо знати структуру рідин. Рідини складаються з молекул, які постійно рухаються, утримуючи їх міжмолекулярними силами, які утримують їх у фіксованому об’ємі, але дозволяють їм вільно рухатися. Ці міжмолекулярні сили можна класифікувати на три типи: сили Ван-дер-Ваальса, диполь-дипольні сили та водневі зв’язки.

Сили Ван-дер-Ваальса є найслабшими міжмолекулярними силами і присутні в усіх молекулах. Вони виникають через тимчасові диполі, які утворюються, коли розподіл електронів навколо молекули стає нерівномірним. Диполь-дипольні сили, з іншого боку, сильніші за сили Ван-дер-Ваальса і виникають між полярними молекулами, які мають постійний дипольний момент. Водневий зв’язок є найсильнішою з міжмолекулярних сил і виникає між молекулами, які мають атом водню, зв’язаний із сильно електронегативним атомом, таким як кисень, азот або фтор.

На поверхні рідини молекули відчувають внутрішню силу, яка змушує їх злипатися. Це пов’язано з тим, що молекули на поверхні мають менше сусідів, з якими можна взаємодіяти, ніж молекули в об’ємі рідини, і тому сили тяжіння між ними сильніші. Результатом є вища концентрація молекул на поверхні, створюючи межу між рідиною та навколишнім середовищем.

Поверхневий натяг рідини виникає завдяки силам когезії між молекулами. Ці сили відповідають за схильність рідини утворювати сферичну форму, що мінімізує площу поверхні та, отже, поверхневу енергію рідини. Величина поверхневого натягу залежить від сили міжмолекулярних сил і площі поверхні рідини. Наприклад, рідини з сильними міжмолекулярними силами, такі як вода та ртуть, мають високий поверхневий натяг, тоді як рідини зі слабкими міжмолекулярними силами, такі як гелій, мають низький поверхневий натяг.

Розділ 3: Змочування та капілярні явища

Змочування - це явище, яке виникає при контакті рідини з твердою поверхнею. Ступінь змочування залежить від поверхневого натягу рідини, міжмолекулярних сил між рідиною і твердим тілом і кута між поверхнею рідини і твердого тіла. Якщо кут між рідиною та твердою поверхнею менше 90 градусів, рідина змочить поверхню, а якщо кут більше 90 градусів, рідина не змочить поверхню.

Капілярна дія - ще одне явище, яке тісно пов'язане з поверхневим натягом. Капілярна дія стосується здатності рідини текти у вузьких просторах або трубах проти сили тяжіння. Це відбувається внаслідок поєднання двох сил: адгезії та когезії.

Адгезія — це сила тяжіння між рідиною та стінками вузького простору або трубки, тоді як когезія — це сила тяжіння між молекулами рідини. Поверхневий натяг рідини змушує рідину утворювати меніск із вигнутою поверхнею на краю рідини, де вона стикається зі стінками трубки. Форма меніска залежить від відносних величин сил адгезії та когезії.

Якщо сили зчеплення сильніші за сили зчеплення, меніск буде увігнутим, і рідина буде тягнутися вгору по трубці. Це відоме як капілярне підвищення. Якщо сили зчеплення сильніші за сили зчеплення, меніск буде опуклим, і рідина буде тягнутися вниз по трубці. Це відоме як капілярна депресія.

Капілярна дія відповідає за декілька природних явищ, таких як рух води через коріння рослин і підйом води у вузькій трубці, відомій як капілярна трубка. Капілярна дія також має вирішальне значення в кількох промислових процесах, таких як струменевий друк і мікрофлюїдика.

Розділ 4: Застосування поверхневого натягу

Поверхневий натяг відіграє важливу роль у багатьох природних і промислових явищах. Розуміння поверхневого натягу та його впливу призвело до розробки кількох застосувань у різних галузях. У цьому розділі ми обговоримо деякі з найпоширеніших застосувань поверхневого натягу.

1. Рідкі містки: поверхневий натяг використовується для створення рідинних містків між двома поверхнями. Ця техніка використовується в кількох промислових процесах, таких як струменевий друк, де крихітні крапельки чорнила осідають на папері шляхом створення рідинних містків між друкуючою головкою та папером.
2. Мийні засоби та мило: миючі засоби та мило знижують поверхневий натяг води, дозволяючи їй легше поширюватися та проникати всередину. Ця властивість поверхневого натягу використовується в кількох миючих засобах, таких як рідини для миття посуду та миючі засоби для прання.
3. Піна та піна: поверхневий натяг відіграє вирішальну роль у формуванні піни та піни. В обох випадках поверхневий натяг утримує бульбашки разом і не дає їм зруйнуватися. Ця властивість поверхневого натягу використовується в кількох галузях промисловості, наприклад у виробництві харчових продуктів і напоїв, де для створення стійкої піни додають піноутворювачі.
4. Капілярна дія. Капілярна дія, яка є результатом поверхневого натягу, використовується в кількох промислових процесах, таких як струменевий друк, хроматографія та мікрофлюїдика. Капілярна дія також використовується в кількох природних явищах, таких як рух води через коріння рослин.
5. Водні страйдери: поверхневий натяг води дозволяє водним страйдерам ходити по воді, не порушуючи поверхні. Ноги водного стридера рівномірно розподіляють його вагу на великій площі, дозволяючи йому плавати на поверхні води, не порушуючи поверхневий натяг.
6. Медицина: поверхневий натяг використовується в кількох медичних цілях, наприклад у виробництві медичних приладів, систем доставки ліків і загоєнні ран. Поверхневий натяг також використовується в медичній діагностиці, такій як вимірювання білків крові та сироватки.

Підсумовуючи, поверхневий натяг відіграє життєво важливу роль у багатьох природних і промислових явищах. Розуміння властивостей поверхневого натягу призвело до розробки кількох застосувань у різних галузях, таких як струменевий друк, миючі засоби та мило, утворення піни та піни, капілярна дія, водні стридери та медицина. Поверхневий натяг є захоплюючою темою з широким значенням, і подальші дослідження в цій галузі, безсумнівно, призведуть до розробки нових та інноваційних застосувань у майбутньому. Змочування та капілярні явища тісно пов’язані з поверхневим натягом і міжмолекулярними силами. Змочування відбувається, коли рідина контактує з твердою поверхнею, тоді як капілярна дія стосується здатності рідини текти у вузьких просторах або трубах проти сили тяжіння. Форма меніска в капілярній трубці залежить від відносної величини сил адгезії та когезії, при цьому капілярний підйом відбувається, коли сили адгезії сильніші, а капілярна депресія відбувається, коли сили когезії сильніші.