Какво е повърхностно напрежение? | dLambow

Повърхностно напрежение на водата

Формула за повърхностно напрежние на водата
W = σS Където:
— W	повърхностна енергия на водата	[ J ]
— σ	коефициент на повърхностно напрежение	[ N/m ]
— S	свободна повърхност	[ m2 ]
Повърхността на всяка течност, на границата с въздуха, притежава свободна енергия на повърхността, която се пресмята по горната съвсем проста формула.

 

Какво е повърхностно напрежение?

Същност на явлениетоповърхностно напрежение

Повърхностно напрежение е силата, която изпитват молекулите върху свободната повърхността на течността на границата газ-течност и която е насочена в дълбочината на обема на течността. Това е молекулярната сила, свързана с граничния слой на течността и възникваща на границата между двете фази, която води до свойството на течностите да приемат форма с минимална повърхност.

Следователно, поради повърхностното напрежение течността винаги се стреми да се превърне в капката, която има сферична форма. Обикновено терминът "повърхностно напрежение" се отнася до повърхностното напрежение на течни тела на границата течност-газ.

Повърхностното напрежение е стойност, която показва стремежът на течността да намали свободната си повърхност, тоест да намали излишъка от потенциалната си енергия на границата с газовата фаза. Колкото по-голяма е повърхностната площ на течността, толкова повече молекули имат излишна потенциална енергия и толкова по-голяма е повърхностната енергия. 

Повърхностно напрежение

Формула за  повърхностно напрежние на водата

Повърхността на всяка течност, на границата с въздуха, притежава свободна енергия на повърхността, която се пресмята с помощта на следната проста

Формула:

W = σS

Където:

• — W е повърхностната енергия на течността [J]

• — σ - коефициентът на повърхностно напрежение [N/m]
• — S - свободна повърхност [m2]

Коефициент на повърхностно напрежение

От горната формула можем да изведем формулата за коефициента на повърхностно напрежение (Coefficient of surface tension of water). Коефициентът на повърхностно напрежение е физическа величина, която характеризира дадена течност и е числено равна на съотношението на повърхностната енергия към свободната повърхност на течността.

Формула:

σ = W/S

Кадето:

• — σ — коефициент на повърхностно напрежение [N/m]

• — W е повърхностната енергия на течността [J]
• — S — свободната повърхност на течността [m2]

 

Коефициент на повърхностно напрежение

Коефициентът на повърхностно напрежение на течност зависи от:

• - естеството на течността;
• - температура на течността;
• - свойствата на газа, който граничи с дадената течност;
• - наличието на повърхностноактивни вещества
• = сапун,
• =  прах за пране,

които намаляват повърхностното напрежение. Коефициентът на повърхностно напрежение не зависи от площта на свободната повърхност на течността, въпреки че може да бъде изчислен с него.

Сила на повърхностно напрежение

Ако върху течността не действат други сили или тяхното действие е малко, течността ще има тенденция да приеме формата на сфера, като капка вода или сапунен мехур. Водата се държи по същия начин в състояние на безтегловност (в космоса). Течността се държи така, сякаш силите действат тангенциално към нейната повърхност, свивайки тази повърхност. Тези сили се наричат ​​сили на повърхностно напрежение.
Формула:

F = σl

Където:

• - F е силата на повърхностно напрежение [N]
  

• - σ е коефициентът на повърхностно напрежение [N/m]
• - l е дължината на контура, ограничаващ повърхността на течността [m]

Видове определения за повърхностно напрежение

Повърхностното напрежение има две физически определения:

• – енергийно (термодинамично) и
• – силово (механично).

— Енергийно (термодинамично) определение

Повърхностното напрежение е термодинамична характеристика на повърхността между две фази в равновесие, определена от работата на обратимо изотермокинетично образуване на единична площ на тази повърхност, при условие че температурата, обемът на системата и химическите потенциали на всички компоненти в и двете фази остават постоянни.

Т.е. повърхностното напрежение е специфичната работа за увеличаване на повърхността на течността при разстилане, при условие, че температурата е постоянна. Най-правилно е повърхностното напрежение да се определи като енергията в джаули за разкъсването на единица площ (m²). В този случай се появява ясен физически смисъл на понятието повърхностно напрежение (въздействие върху цялата повърхност).

— Силово (механично) определение

Повърхностното напрежение е сила, действаща на единица дължина по линията, която ограничава повърхността на течността. Силата е насочена тангенциално към повърхността на течността, перпендикулярно на участъка от контура, върху който тя действа и е пропорционална на дължината на този участък.

Повърхностно напрежение на водата

Същност на явлението

Силите на повърхностно напрежение действат по повърхността на водата, като се стремят да намалят нейната площ. Сякаш водата е затворена в еластичен филм, който има тенденция да компресира съдържанието му. 

Потенциалната енергия на взаимното привличане на течните молекули е приблизително равна на тяхната кинетична енергия. Това позволява на водата да запази обема (но не и формата) си и този обем е ограничен от свободната повърхност на водата.

Обяснение

Върху молекулата на водата, която е вътре, действат силите на привличане от други молекули и те се балансират взаимно. И върху молекулата, която е на повърхността, привличащите сили действат не само от други молекули на течността, но и от страната на въздуха (външната среда). 

Междумолекулните сили от страна на въздуха са много по-малки от тези вътре във водата, така че резултантната сила е насочена навътре към течността, което спомага за задържане на молекулите на повърхността и не им позволява да се разлетят в атмосферата.

Кохезия на водата

Какво е кохеция?

Кохезия е сцеплението на молекулите на физическото тяло едни с други под действието на силите на привличане. Благодарение на повърхностното напрежение течността се стреми да заеме такава форма, че нейната повърхност да е възможно най-малка, като в идеалния случай това е формата на топче (сфера).

Същност на кохезията

На повърхността на всяка течност и особено при водата, съществува повърхностно напрежение, което е в резултата на действащите между молекулите сили на кохезия, насочени навътре. Колкото по-голямо е вътрешното напрежение, толкова по-голяма е кохезията.

Значение на кохезията

От всички течности, най-голямо повърхностно напрежение има при водата и то е 7,6 х 10-4 Н/м. Тази значителна кохезия, характерна за нейните молекули, играе важна роля в живите клетки, а също и при движение на водата по съдовете на растенията.

Редица дребни организми реализират полза за себе си от повърхностното напрежение и кохезията, което им позволява да се удържат върху повърхността на водата или да пълзят и да се приплъзват по нейната повърхност без да потъват.

Значение на повърхностното напрежение в живота

Явления, свързани с повърхностно напрежение

Всеки ден се сблъскваме с явлението повърхностно напрежение на течност:

• - водните капки са склонни да приемат форма, близка до сферична (а в безтегловност те са напълно сферични);
• - струя вода от кран клони към цилиндрична форма;
• - щифтът не потъва на повърхността на водата в чашата;
• - много насекоми могат да се плъзгат по повърхността на водата.

Мярка за замърсяване на храните в хранителната промишленост

В някои индустрии повърхностното напрежение се използва като проста мярка за замърсяване на храните. Тъй като се определя на молекулярно ниво, всяка промяна в съставките на дадено вещество може да доведе до промяна в този показател. 

Тоест, ако знаем какво трябва да бъде повърхностното напрежение при напълно чисто вещество, тогава чрез отклонение от тази норма можем да определим нивото на неговото замърсяване.

Движение по повърхността на водата

Представителите на дивата природа използват физическото явление за свои цели. Например, поради повърхностно напрежение, насекомото на воден стридер може да се движи по повърхността на водата, без да намокря лапичките си. 

Крайниците на водохода отблъскват водата и улавят въздуха, което позволява на насекомите да се избутват по повърхността на водата, без да я нарушават.

Ламинарно течение

Поради повърхностното напрежение възниква такова любопитно явление като ламинарно течение. Това е подреден режим на потока на вискозна течност или газ, при който съседните слоеве на течността не се смесват. Изглежда като ламинарна струя, сякаш водата е замръзнала.

Екологично равновесие

Повърхностното напрежение позволява на предмети да плават, благодарение на него екосистемите оцеляват и се развиват и дори съставът на водата е стабилен само поради това явление. 

Без него водата би била постоянно на границата на две агрегатни състояния: тя би се изпарявала и кондензирала отново, тъй като молекулите лесно биха изскочили от нейната повърхност.

----------------