Поверхностное натяжение воды: Фундаментальные аспекты, механизмы и практическое применение

Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения — на самом деле, именно благодаря этому жидкость моментально не улетучивается. На молекулы внутри жидкости силы притяжения других молекул действуют со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи, и результирующая сила притяжения направлена внутрь жидкости. В итоге вся поверхность воды стремится стянуться под воздействием этих сил. По совокупности этот эффект приводит к формированию так называемой силы поверхностного натяжения, которая действует вдоль поверхности жидкости и приводит к образованию на ней подобия невидимой, тонкой и упругой пленки.

 

Благодаря поверхностному натяжению жидкости стремятся сократить свою поверхность до минимума, что приводит к образованию поверхности сферической формы (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел одинакового объёма).

 

Основные термины и механизмы

 

Когезия

Когезия, сила внутреннего притяжения между молекулами воды, играет определяющую роль в формировании поверхностного натяжения. Благодаря этому внутреннему силовому взаимодействию молекулы воды стремятся минимизировать свою поверхность, что приводит к образованию сферических капель и поддерживает их устойчивость благодаря балансу сил.

 

Адгезия

Силы адгезии, воздействующие между молекулами воды и другими поверхностями, определяют, как вода взаимодействует с различными поверхностями. Эти силы обеспечивают подъем воды по капиллярам, объясняя такие явления, как капиллярное действие, а также взаимодействие воды с клеточными стенками растений, что имеет значение в биологических системах.

Таким образом, внутри жидкости все молекулы равномерно окружены соседними молекулами, благодаря чему взаимные притяжения уравновешиваются. На контуре же поверхности жидкости (граница) из-за отсутствия симметричного распределения сил взаимного притяжения возникает равнодействующая сила, направленная во внутрь жидкости..

 

Примеры поверхностного натяжения

 

Силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.

Можно привести много примеров сил поверхностного натяжения в действии из нашей будничной жизни. Под воздействием ветра на поверхности океанов, морей и озер образуется рябь, и эта рябь представляет собой волны, в которых действующая вверх сила внутреннего давления воды уравновешивается действующей вниз силой поверхностного натяжения. Две эти силы чередуются, и на воде образуется рябь, подобно тому как за счет попеременного растяжения и сжатия образуется волна в струне музыкального инструмента.

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели — сурфактанты, — не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие моющие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин после высыхания.

Еще одним из ярких примеров поверхностного натяжения является водомерка: насекомое водомерка держится на поверхности воды благодаря именно этому свойству воды.

 

Смачивание и несмачивание

 

При соприкосновении жидкости с твердым телом ее поверхность искривляется по-разному в зависимости от сил взаимодействия между ними. Угол между касательной к поверхности жидкости и твердого тела называется углом смачивания θ. Если θ < π/2, то жидкость смачивающая, а если θ > π/2, то несмачивающая.

Смачивание и несмачивание – понятия относительные. Жидкость может смачивать одну поверхность и не смачивать другую.

 

Капиллярные явления

 

Капилляр – это тонкая трубка, в которой жидкость может подниматься или опускаться в зависимости от смачивания или несмачивания.

Капиллярные явления – явления изменения высоты жидкости в тонких трубках по сравнению с широкими сосудами.

В трубках с узким сечением поверхность жидкости имеет вид сферы (мениск). Если жидкость смачивающая поверхность сосуда, то образуется вогнутый мениск, если несмачивающая – выпуклый.