zone de tension superficielle. Débutez en sciences. Coefficient de tension superficielle de l'eau

La tension superficielle de l'eau est l'une des propriétés les plus intéressantes de l'eau.

Voici quelques définitions de ce terme provenant de sources compétentes.

La tension superficielle est...

Grande encyclopédie médicale
La tension superficielle (P. n.) est la force d'attraction avec laquelle chaque section du film de surface (la surface libre d'un liquide ou toute interface entre deux phases) agit sur les parties adjacentes de la surface. Pression interne et P. n. La couche superficielle du liquide se comporte comme une membrane élastique tendue. Selon l'idée développée par Chap. arr. Laplace (Laplace), cette propriété des surfaces liquides dépend de "forces moléculaires d'attraction, décroissant rapidement avec la distance. A l'intérieur d'un liquide homogène, les forces agissant sur chaque molécule à partir des molécules qui l'entourent s'équilibrent mutuellement. Mais près de la surface, la force résultante de l'attraction moléculaire est dirigée vers l'intérieur ; il a tendance à attirer les molécules de surface dans la masse du liquide. De ce fait, l'ensemble de la couche superficielle, à la manière d'un film étiré élastique, exerce une pression très importante sur la masse interne du liquide dans la direction normale à la surface. Selon les estimations, cette "pression interne", sous laquelle se trouve toute la masse du liquide, atteint plusieurs milliers d'atmosphères. Elle augmente sur une surface convexe et diminue sur une surface concave. En vertu de la tendance de l'énergie libre à un minimum, tout liquide tend à prendre une forme à laquelle sa surface - le site d'action des forces de surface - a la plus petite valeur possible. Plus la surface du liquide est grande, plus la surface occupée par son film de surface est grande, plus la quantité d'énergie de surface libre libérée lors de sa contraction est importante. La tension avec laquelle chaque section du film de surface en contraction agit sur les parties adjacentes (dans la direction parallèle à la surface libre) est appelée tension de tension. Contrairement à la tension élastique d'un corps étiré élastique, P. n. ne s'affaiblit pas lorsque le film de surface est comprimé. … La tension superficielle est égale au travail qui doit être fait pour augmenter de un la surface libre du liquide. P. n. observé à la frontière d'un liquide avec un gaz (également avec sa propre vapeur), avec un autre liquide non miscible, ou avec un corps solide. De la même manière, un corps solide a un P. n. à l'interface avec les gaz et les liquides. Contrairement à P. n., un essaim liquide (ou corps solide) présente sur sa surface libre, en bordure d'un milieu gazeux, une tension sur la limite interne de deux phases liquides (ou liquide et solide), il convient de désigner un terme particulier adopté dans la littérature allemande, le terme « tension limite » (Grenzflachenspannung). Si une substance est dissoute dans le liquide qui abaisse son P. n., alors l'énergie libre diminue non seulement en réduisant la taille de la surface limite, mais aussi par adsorption: une substance tensioactive (ou capillaire) est collectée à une concentration accrue dans la couche superficielle ...
…
Grande encyclopédie médicale. 1970

Tout ce qui précède peut être résumé de cette manière - les molécules qui se trouvent à la surface de tout liquide, y compris l'eau, sont attirées par le reste des molécules à l'intérieur du liquide, ce qui entraîne une tension superficielle. Nous soulignons qu'il s'agit d'une compréhension simplifiée de cette propriété.

Tension superficielle de l'eau

Pour mieux comprendre cette propriété, nous présentons plusieurs manifestations de la tension superficielle de l'eau dans la vie réelle :

Lorsque nous voyons de l'eau s'égoutter du bout d'un robinet au lieu de couler, c'est la tension superficielle de l'eau ;
Lorsqu'une goutte de pluie en vol prend une forme arrondie, légèrement allongée, c'est la tension superficielle de l'eau ;
Lorsque l'eau sur une surface étanche prend une forme sphérique, c'est la tension superficielle de l'eau ;
Les ondulations qui se produisent lorsque le vent souffle à la surface des plans d'eau sont également une manifestation de la tension superficielle de l'eau ;
L'eau dans l'espace prend une forme sphérique en raison de la tension superficielle ;
L'insecte marcheur d'eau reste à la surface de l'eau grâce à cette propriété même de l'eau ;
Si une aiguille est soigneusement placée à la surface de l'eau, elle flottera ;
Si l'on verse alternativement dans un verre des liquides de densité et de couleur différentes, on verra qu'ils ne se mélangent pas ;
Les bulles de savon irisées sont également une merveilleuse manifestation de la tension superficielle.

Coefficient de tension superficielle

Dictionnaire explicatif terminologique polytechnique
Le coefficient de tension superficielle est la densité linéaire de la force de tension superficielle à la surface d'un liquide ou à l'interface entre deux liquides non miscibles.
Dictionnaire explicatif terminologique polytechnique. Compilé par : V. Butakov, I. Fagradyants. 2014

Ci-dessous nous donnons les valeurs du coefficient de tension superficielle (C.T.S.) pour différents liquides à une température de 20°C :

K. p. n. acétone - 0,0233 Newton / Mètre ;
K. p. n. benzène - 0,0289 Newton / Mètre ;
K. p. n. eau distillée - 0,0727 Newton / mètre ;
K. p. n. glycérine - 0,0657 Newton / mètre;
K. p. n. kérosène - 0,0289 Newton / mètre ;
K. p. n. mercure - 0,4650 Newton / mètre ;
K. p. n. alcool éthylique - 0,0223 Newton / Mètre;
K. p. n. éther - 0,0171 Newton / Mètre.

Coefficient de tension superficielle de l'eau

Le coefficient de tension superficielle dépend de la température du liquide. Nous présentons ses valeurs à différentes températures d'eau.

A une température de 0°C - 75,64 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 10°C - 74,22 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 20°C - 72,25 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 30°C - 71,18 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 40°C - 69,56 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 50°C - 67,91 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 60°C - 66,18 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 70°C - 64,42 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 80°C - 62,61 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 90°C - 60,75 σ, 10 -3 Newton/Mètre ;
A une température de 100°C - 58.85 σ, 10 -3 Newton/Mètre.

Dans cette leçon, nous parlerons des liquides et de leurs propriétés. Du point de vue de la physique moderne, les liquides sont le sujet de recherche le plus difficile, car, par rapport aux gaz, on ne peut plus parler d'une énergie d'interaction négligeable entre les molécules, et par rapport aux solides, on ne peut pas parler d'un arrangement ordonné de molécules liquides (il n'y a pas d'ordre à longue distance dans un liquide) . Cela conduit au fait que les liquides ont un certain nombre de propriétés intéressantes et leurs manifestations. Une de ces propriétés sera abordée dans cette leçon.

Discutons d'abord des propriétés particulières des molécules de la couche proche de la surface d'un liquide par rapport aux molécules de la masse.

Riz. 1. La différence entre les molécules de la couche proche de la surface et les molécules de la masse du liquide

Considérons deux molécules A et B. La molécule A est à l'intérieur du liquide, la molécule B est à sa surface (Fig. 1). La molécule A est entourée uniformément d'autres molécules liquides, de sorte que les forces agissant sur la molécule A à partir de molécules tombant dans la sphère d'interaction intermoléculaire sont compensées, ou leur résultante est nulle.

Que devient la molécule B, qui se trouve à la surface du liquide ? Rappelons que la concentration de molécules de gaz qui est au-dessus du liquide est bien inférieure à la concentration de molécules de liquide. La molécule B est entourée d'un côté par des molécules liquides et de l'autre par des molécules de gaz très raréfiées. Comme beaucoup plus de molécules agissent dessus du côté du liquide, la résultante de toutes les forces intermoléculaires sera dirigée à l'intérieur du liquide.

Ainsi, pour qu'une molécule passe de la profondeur du liquide à la couche superficielle, il est nécessaire d'effectuer un travail contre des forces intermoléculaires non compensées.

Rappelons que le travail est la variation de l'énergie potentielle, prise avec un signe moins.

Cela signifie que les molécules de la couche proche de la surface, par rapport aux molécules à l'intérieur du liquide, ont une énergie potentielle en excès.

Cette énergie excédentaire est une composante de l'énergie interne du fluide et est appelée énergie de surface. Elle est désignée par et se mesure, comme toute autre énergie, en joules.

Évidemment, plus la surface du liquide est grande, plus il y a de telles molécules qui ont un excès d'énergie potentielle, et donc plus l'énergie de surface est grande. Ce fait peut s'écrire sous la forme de la relation suivante :

où est la surface, et est le facteur de proportionnalité, que nous appellerons tension superficielle, ce coefficient caractérise l'un ou l'autre liquide. Donnons une définition rigoureuse de cette quantité.

La tension superficielle d'un liquide (coefficient de tension superficielle d'un liquide) est une grandeur physique qui caractérise un liquide donné et est égale au rapport de l'énergie de surface sur la surface du liquide

Le coefficient de tension superficielle est mesuré en newtons divisé par un mètre.

Discutons de quoi dépend le coefficient de tension superficielle d'un liquide. Pour commencer, rappelons que le coefficient de tension superficielle caractérise l'énergie spécifique de l'interaction des molécules, ce qui signifie que les facteurs qui modifient cette énergie modifieront également le coefficient de tension superficielle du liquide.

Ainsi, le coefficient de tension superficielle dépend de :

1. La nature du liquide (pour les liquides "volatils", tels que l'éther, l'alcool et l'essence, la tension superficielle est inférieure à celle des "non volatils" - eau, mercure et métaux liquides).

2. Température (plus la température est élevée, plus la tension superficielle est faible).

3. La présence de tensioactifs qui réduisent la tension superficielle (tensioactifs), tels que le savon ou la lessive en poudre.

4. Propriétés d'un gaz contigu à un liquide.

Notez que le coefficient de tension superficielle ne dépend pas de la surface, car pour une molécule individuelle proche de la surface, le nombre de molécules identiques est absolument sans importance. Faites attention au tableau, qui montre les coefficients de tension superficielle de diverses substances, à une température :

Tableau 1. Coefficients de tension superficielle des liquides à la frontière avec l'air, à

Ainsi, les molécules de la couche proche de la surface ont un excès d'énergie potentielle par rapport aux molécules de la masse du liquide. En cours de mécanique, il a été montré que tout système tend vers un minimum d'énergie potentielle. Par exemple, un corps projeté d'une certaine hauteur aura tendance à tomber. De plus, vous vous sentez beaucoup plus à l'aise allongé, car dans ce cas le centre de masse de votre corps est situé le plus bas possible. A quoi aboutit la volonté de réduire son énergie potentielle dans le cas d'un liquide ? Étant donné que l'énergie de surface dépend de la surface, cela signifie qu'il est énergétiquement défavorable pour tout liquide d'avoir une grande surface. Autrement dit, à l'état libre, le liquide aura tendance à minimiser sa surface.

Ceci est facile à vérifier en expérimentant avec un film de savon. Si un cadre métallique est plongé dans une solution savonneuse, un film de savon se forme dessus et le film acquiert une forme telle que sa surface est minimale (Fig. 2).

Riz. 2. Chiffres d'une solution savonneuse

Vous pouvez vérifier l'existence de forces de tension superficielle à l'aide d'une expérience simple. Si un fil est attaché à l'anneau de fil à deux endroits, et de telle manière que la longueur du fil soit légèrement supérieure à la longueur de la corde reliant les points de fixation du fil, et que l'anneau de fil est trempé dans du savon (Fig. 3a), le film de savon resserrera toute la surface de l'anneau et le fil reposera sur le film de savon. Si maintenant le film est cassé d'un côté du fil, le film de savon restant de l'autre côté du fil rétrécira et étirera le fil (Fig. 3b).

Riz. 3. Expérience pour détecter les forces de tension superficielle

Pourquoi est-ce arrivé? Le fait est que la solution savonneuse restant sur le dessus, c'est-à-dire le liquide, a tendance à réduire sa surface. Ainsi, le fil est tiré vers le haut.

Nous sommes donc convaincus de l'existence de la force de tension superficielle. Apprenons maintenant à le calculer. Pour ce faire, faisons une expérience de pensée. Abaissons un fil de fer dont l'un des côtés est mobile dans la solution savonneuse (fig. 4). Nous allons étirer le film de savon en agissant avec force sur le côté mobile du cadre . Il y a donc trois forces agissant sur la barre transversale - une force externe et deux forces de tension superficielle agissant le long de chaque surface du film. En utilisant la deuxième loi de Newton, on peut écrire que

Riz. 4. Calcul de la force de tension superficielle

Si, sous l'action d'une force extérieure, la barre transversale se déplace d'une distance, alors cette force extérieure fera du travail

Naturellement, en raison des performances de ce travail, la surface du film augmentera, ce qui signifie que l'énergie de surface augmentera également, ce que nous pouvons déterminer grâce au coefficient de tension superficielle :

Le changement de superficie, à son tour, peut être déterminé comme suit :

où est la longueur de la partie mobile du fil de fer. Compte tenu de cela, nous pouvons écrire que le travail de la force externe est égal à

En assimilant les bonnes parties dans (*) et (**), nous obtenons une expression de la force de tension superficielle :

Ainsi, le coefficient de tension superficielle est numériquement égal à la force de tension superficielle qui agit par unité de longueur de la ligne qui délimite la surface

Ainsi, nous avons encore une fois vu que le liquide a tendance à prendre une forme telle que sa surface est minimale. On peut montrer que pour un volume donné, la surface sera minimale pour une sphère. Ainsi, si aucune autre force n'agit sur le fluide ou si leur action est faible, le fluide aura tendance à prendre une forme sphérique. Ainsi, par exemple, l'eau se comportera en apesanteur (Fig. 5) ou en bulles de savon (Fig. 6).

Riz. 5. L'eau en apesanteur

Riz. 6. Bulles de savon

La présence de forces de tension superficielle peut également expliquer pourquoi une aiguille métallique « repose » à la surface de l'eau (Fig. 7). L'aiguille, qui est soigneusement placée sur la surface, la déforme, augmentant ainsi la surface de cette surface. Ainsi, une force de tension superficielle apparaît, qui tend à réduire un tel changement de surface. La force résultante de la tension superficielle sera dirigée vers le haut et compensera la force de gravité.

Riz. 7. Aiguille à la surface de l'eau

Le principe de fonctionnement de la pipette peut être expliqué de la même manière. La goutte, sur laquelle agit la force de gravité, est tirée vers le bas, augmentant ainsi sa surface. Naturellement, des forces de tension superficielle apparaissent, dont la résultante est opposée à la direction de la gravité et qui ne permettent pas à la goutte de s'étirer (Fig. 8). Lorsque vous appuyez sur le capuchon en caoutchouc de la pipette, vous créez une pression supplémentaire qui aide à la gravité, provoquant la chute de la goutte.

Riz. 8. Comment fonctionne la pipette

Prenons un autre exemple tiré de la vie quotidienne. Si vous plongez un pinceau dans un verre d'eau, ses poils gonfleront. Si vous sortez maintenant cette brosse de l'eau, vous remarquerez que tous les poils sont collés les uns aux autres. Cela est dû au fait que la surface de l'eau adhérant à la brosse sera alors minime.

Et encore un exemple. Si vous voulez construire un château de sable sec, il est peu probable que vous réussissiez, car le sable s'effondrera sous l'influence de la gravité. Cependant, si vous mouillez le sable, il conservera sa forme en raison de la tension superficielle de l'eau entre les grains de sable.

Enfin, notons que la théorie de la tension superficielle aide à trouver de belles et simples analogies lors de la résolution de problèmes physiques plus complexes. Par exemple, lorsque vous devez construire une structure à la fois légère et solide, la physique de ce qui se passe dans les bulles de savon vient à la rescousse. Et il a été possible de construire le premier modèle adéquat du noyau atomique en assimilant ce noyau atomique à une goutte de liquide chargé.

Bibliographie

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Devoirs

Après avoir résolu les tâches de cette leçon, vous pourrez vous préparer aux questions 7,8,9 du GIA et aux questions A8, A9, A10 de l'examen d'État unifié.
Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "La physique. Collection de problèmes de niveau 10 "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
À partir du problème 5.47, déterminez le coefficient de tension superficielle de l'eau et de la solution savonneuse.

Liste des questions et réponses

Question: Pourquoi la tension superficielle change-t-elle avec la température ?

Répondre:À mesure que la température augmente, les molécules du liquide commencent à se déplacer plus rapidement et, par conséquent, les molécules surmontent plus facilement les forces d'attraction potentielles. Cela conduit à une diminution des forces de tension superficielle, qui sont des forces potentielles qui lient les molécules de la couche proche de la surface du liquide.

Question: Le coefficient de tension superficielle dépend-il de la densité du liquide ?

Répondre: Oui, car l'énergie des molécules de la couche proche de la surface du liquide dépend de la densité du liquide.

Question: Comment déterminer le coefficient de tension superficielle d'un liquide ?

Répondre: Dans le cours scolaire, deux méthodes sont étudiées pour déterminer le coefficient de tension superficielle d'un liquide. La première est la méthode de déchirement du fil, son principe est décrit dans le problème 5.44 du devoir, la seconde est la méthode de comptage des gouttes, décrite dans le problème 5.47.

Question: Pourquoi les bulles de savon s'effondrent-elles après un certain temps ?

Répondre: Le fait est qu'au bout d'un moment, sous l'action de la gravité, la bulle devient plus épaisse en bas qu'en haut, puis, sous l'effet de l'évaporation, s'effondre à un moment donné. Cela conduit au fait que la bulle entière, comme un ballon, s'effondre sous l'action de forces de tension superficielle non compensées.

La tension superficielle décrit la capacité d'un fluide à résister à la force de gravité. Par exemple, l'eau à la surface d'une table forme des gouttes lorsque les molécules d'eau sont attirées les unes vers les autres, ce qui contrecarre la force de gravité. C'est grâce à la tension superficielle que des objets plus lourds, tels que des insectes, peuvent être retenus à la surface de l'eau. La tension superficielle est mesurée en force (N) divisée par une unité de longueur (m), ou la quantité d'énergie par unité de surface. La force avec laquelle les molécules d'eau interagissent (force de cohésion) provoque une tension, résultant en des gouttelettes d'eau (ou d'autres liquides). La tension superficielle peut être mesurée avec quelques éléments simples trouvés dans presque toutes les maisons et une calculatrice.

Pas

Avec l'aide d'un rocker

Écrivez l'équation de la tension superficielle. Dans cette expérience, l'équation pour déterminer la tension superficielle est la suivante : F = 2Sd, Où F- force en newtons (N), S- tension superficielle en newtons par mètre (N/m), d est la longueur de l'aiguille utilisée dans l'expérience. Nous exprimons la tension superficielle à partir de cette équation : S = F/2d.

La force sera calculée à la fin de l'expérience.
Avant de commencer l'expérience, utilisez une règle pour mesurer la longueur de l'aiguille en mètres.

Construisez une petite bascule. Dans cette expérience, une bascule et une petite aiguille qui flotte à la surface de l'eau sont utilisées pour déterminer la tension superficielle. Il est nécessaire d'examiner attentivement la construction du culbuteur, car la précision du résultat en dépend. Vous pouvez utiliser différents matériaux, l'essentiel est de fabriquer une barre horizontale en quelque chose de dur: bois, plastique ou carton épais.
- Déterminez le centre de la tige (par exemple, une paille ou une règle en plastique) que vous allez utiliser comme barre transversale, et percez ou percez un trou à cet endroit ; ce sera le point d'appui de la barre transversale, sur laquelle elle tournera librement. Si vous utilisez une paille en plastique, percez-la simplement avec une épingle ou un clou.
- Percez ou percez des trous aux extrémités de la barre transversale afin qu'elles soient à la même distance du centre. Enfilez les fils à travers les trous sur lesquels vous accrocherez la tasse de poids et l'aiguille.
- Si nécessaire, soutenez la bascule avec des livres ou d'autres objets suffisamment solides pour maintenir la barre en position horizontale. Il faut que la barre transversale tourne librement autour d'un clou ou d'une tige coincée en son milieu.
Prenez un morceau de papier d'aluminium et pliez-le en forme de boîte ou de soucoupe. Il n'est pas du tout nécessaire que cette soucoupe ait la bonne forme carrée ou ronde. Vous le remplirez d'eau ou d'un autre poids, alors assurez-vous qu'il peut supporter le poids.
- Accrochez la boîte en aluminium ou la soucoupe à une extrémité de la barre. Faites de petits trous le long des bords de la soucoupe et enfilez un fil à travers eux pour que la soucoupe soit suspendue à la barre transversale.
Accrochez une aiguille ou un trombone à l'autre extrémité de la barre transversale afin qu'elle soit horizontale. Attachez une aiguille ou un trombone horizontalement à un fil qui pend à l'autre extrémité de la barre transversale. Pour que l'expérience réussisse, il faut positionner l'aiguille ou le trombone exactement à l'horizontale.
Placez quelque chose sur la barre, comme de la pâte à modeler, pour équilibrer le récipient en aluminium. Avant de procéder à l'expérience, il est nécessaire de s'assurer que la barre transversale est située horizontalement. La soucoupe en aluminium est plus lourde que l'aiguille, donc la barre tombera sur le côté. Fixez suffisamment de pâte à modeler sur le côté opposé de la barre transversale pour qu'elle soit horizontale.
- C'est ce qu'on appelle l'équilibrage.
Placez une aiguille suspendue ou un trombone dans un récipient d'eau. Cette étape nécessitera un effort supplémentaire pour positionner l'aiguille à la surface de l'eau. Assurez-vous que l'aiguille n'est pas immergée dans l'eau. Remplissez un récipient avec de l'eau (ou un autre liquide de tension superficielle inconnue) et placez-le sous l'aiguille suspendue de sorte que l'aiguille soit directement sur la surface du liquide.
- En même temps, assurez-vous que la corde tenant l'aiguille reste en place et est suffisamment tendue.
Pesez quelques épingles ou une petite quantité de gouttes d'eau mesurées à petite échelle. Vous ajouterez une épingle ou une goutte d'eau à la soucoupe en aluminium sur la bascule. Dans ce cas, il est nécessaire de connaître le poids exact auquel l'aiguille se détachera de la surface de l'eau.
- Comptez le nombre d'épingles ou de gouttes d'eau et pesez-les.
- Déterminez le poids d'une épingle ou d'une goutte d'eau. Pour ce faire, divisez le poids total par le nombre de broches ou de gouttes.
- Supposons que 30 épingles pèsent 15 grammes, puis 15/30 = 0,5, c'est-à-dire qu'une épingle pèse 0,5 gramme.
Ajouter des épingles ou des gouttes d'eau une à la fois dans une soucoupe en papier d'aluminium jusqu'à ce que l'aiguille se détache de la surface de l'eau. Ajouter progressivement une épingle ou une goutte d'eau. Surveillez attentivement l'aiguille pour ne pas manquer le moment où, après la prochaine augmentation de charge, elle sortira de l'eau. Une fois que l'aiguille se détache de la surface du liquide, arrêtez d'ajouter des épingles ou des gouttes d'eau.
- Comptez le nombre d'épingles ou de gouttes d'eau qui ont pris l'aiguille à l'extrémité opposée de la barre transversale pour se détacher de la surface de l'eau.
- Enregistrez le résultat.
- Répétez l'expérience plusieurs (5 ou 6) fois pour obtenir des résultats plus précis.
- Calculer la valeur moyenne des résultats obtenus. Pour ce faire, additionnez le nombre de broches ou de gouttes dans toutes les expériences et divisez la somme par le nombre d'expériences.
Convertissez le nombre de broches en force. Pour ce faire, multipliez le nombre de grammes par 0,00981 N/g. Pour calculer la tension superficielle, vous devez connaître la force nécessaire pour soulever l'aiguille de la surface de l'eau. Puisque vous avez calculé le poids des broches à l'étape précédente, pour déterminer la résistance, il suffit de multiplier ce poids par 0,00981 N/g.
- Multipliez le nombre d'épingles placées dans la soucoupe par le poids d'une épingle. Par exemple, si vous insérez 5 épingles pesant 0,5 gramme chacune, leur poids total serait de 0,5 gramme/épingle = 5 x 0,5 = 2,5 grammes.
- Multipliez le nombre de grammes par le facteur 0,00981 N/g : 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.
Remplacez les valeurs obtenues dans l'équation et trouvez la valeur souhaitée. A l'aide des résultats obtenus au cours de l'expérience, la tension superficielle peut être déterminée. Il suffit de brancher les valeurs trouvées et de calculer le résultat.
- Disons que dans l'exemple ci-dessus, la longueur de l'aiguille est de 0,025 mètre. En insérant les valeurs dans l'équation, on obtient : S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Ainsi, la tension superficielle du liquide est de 0,05 N/m.

Liquide–une substance qui est à l'état liquide d'agrégation, occupant une position intermédiaire entre les états solide et gazeux. La propriété principale d'un liquide, qui le distingue des substances dans d'autres états d'agrégation, est la capacité de changer de forme de manière illimitée sous l'action de contraintes mécaniques tangentielles, même arbitrairement faibles, tout en maintenant pratiquement le volume.

Informations générales sur l'état liquide

L'état liquide est généralement considéré comme intermédiaire entre un solide et un gaz : un gaz ne conserve ni volume ni forme, tandis qu'un solide conserve les deux.

La forme des corps liquides peut être déterminée en tout ou en partie par le fait que leur surface se comporte comme une membrane élastique. Ainsi, l'eau peut s'accumuler en gouttes. Mais le liquide est capable de couler même sous sa surface immobile, ce qui signifie aussi la non-conservation de la forme (des parties internes du corps liquide).

Les molécules d'un liquide n'ont pas de position définie, mais en même temps, elles n'ont pas une totale liberté de mouvement. Il y a une attirance entre eux, assez forte pour les garder proches.

Une substance à l'état liquide existe dans une certaine plage de températures, en dessous de laquelle elle passe à l'état solide (la cristallisation se produit ou la transformation en un état solide amorphe - verre), au-dessus - à l'état gazeux (l'évaporation se produit). Les limites de cet intervalle dépendent de la pression.

En règle générale, une substance à l'état liquide n'a qu'une seule modification. (Les exceptions les plus importantes sont les liquides quantiques et les cristaux liquides.) Par conséquent, dans la plupart des cas, un liquide n'est pas seulement un état d'agrégation, mais également une phase thermodynamique (phase liquide).

Tous les liquides sont généralement divisés en liquides purs et en mélanges. Certains mélanges de liquides sont d'une grande importance pour la vie : sang, eau de mer, etc. Les liquides peuvent agir comme des solvants.

Propriétés physiques liquides

1 ).Fluidité

La fluidité est la principale propriété des liquides. Si une force extérieure est appliquée sur une section d'un fluide en équilibre, alors un écoulement de particules fluides se produit dans le sens d'application de cette force : le fluide s'écoule. Ainsi, sous l'influence de déséquilibres forces externes le liquide ne conserve pas la forme et la disposition relative des pièces, et prend donc la forme du récipient dans lequel il se trouve.

Contrairement aux solides plastiques, un liquide n'a pas de limite élastique : il suffit d'appliquer une force externe arbitrairement faible pour faire couler le liquide.

2).Conservation des volumes

L'une des propriétés caractéristiques d'un liquide est qu'il a un certain volume (dans des conditions extérieures constantes). Un liquide est extrêmement difficile à comprimer mécaniquement car, contrairement à un gaz, il y a très peu d'espace entre les molécules. espace libre. La pression exercée sur un liquide enfermé dans un récipient se transmet sans changement en chaque point du volume de ce liquide (la loi de Pascal est aussi valable pour les gaz). Cette caractéristique, associée à une très faible compressibilité, est utilisée dans les machines hydrauliques.

Les liquides augmentent généralement de volume (se dilatent) lorsqu'ils sont chauffés et diminuent de volume (se contractent) lorsqu'ils sont refroidis. Cependant, il existe des exceptions, par exemple, l'eau se comprime lorsqu'elle est chauffée, à une pression et une température normales de à environ.

3).Viscosité

De plus, les liquides (comme les gaz) sont caractérisés par leur viscosité. Il est défini comme la capacité à résister au mouvement de l'une des pièces par rapport à l'autre, c'est-à-dire comme un frottement interne.

Lorsque des couches adjacentes d'un liquide se déplacent les unes par rapport aux autres, une collision de molécules se produit inévitablement en plus de celle due au mouvement thermique. Il y a des forces qui ralentissent le mouvement ordonné. Dans ce cas, l'énergie cinétique du mouvement ordonné est convertie en énergie thermique - l'énergie du mouvement chaotique des molécules.

Le liquide dans le vase, mis en mouvement et laissé à lui-même, s'arrêtera peu à peu, mais sa température s'élèvera.

4).Miscibilité

La miscibilité est la capacité des liquides à se dissoudre les uns dans les autres. Un exemple de liquides miscibles : eau et alcool éthylique, un exemple de liquides non miscibles : eau et huile liquide.

5).Formation de surface libre et tension superficielle

En raison de la conservation du volume, le liquide est capable de former une surface libre. Une telle surface est l'interface des phases d'une substance donnée: d'un côté il y a une phase liquide, de l'autre - une phase gazeuse (vapeur) et, éventuellement, d'autres gaz, comme l'air.

Si les phases liquide et gazeuse de la même substance sont en contact, des forces apparaissent qui tendent à réduire la zone d'interface - forces de tension superficielle. L'interface se comporte comme une membrane élastique qui a tendance à se rétracter.

6).ondes de densité

Bien qu'un liquide soit extrêmement difficile à comprimer, son volume et sa densité changent lorsque la pression change. Cela ne se produit pas instantanément; ainsi, si une section est compressée, alors cette compression est transmise aux autres sections avec un retard. Cela signifie que les ondes élastiques, plus précisément les ondes de densité, sont capables de se propager à l'intérieur du liquide. Parallèlement à la densité, d'autres grandeurs physiques changent également, par exemple la température.

Si lors de la propagation d'une onde la densité ne change que légèrement, une telle onde est appelée onde sonore, ou son.

Si la densité change suffisamment, une telle onde est appelée onde de choc. L'onde de choc est décrite par d'autres équations.

Les ondes de densité dans un liquide sont longitudinales, c'est-à-dire que la densité change le long de la direction de propagation des ondes. Il n'y a pas d'ondes élastiques transversales dans le liquide en raison de la non conservation de la forme.

Les ondes élastiques dans un liquide se désintègrent avec le temps, leur énergie se transforme progressivement en énergie thermique. Les raisons de l'amortissement sont la viscosité, "l'absorption classique", la relaxation moléculaire et autres. Dans ce cas, la soi-disant deuxième viscosité, ou viscosité apparente, fonctionne - frottement interne avec changement de densité. En raison de l'atténuation, l'onde de choc se transforme en onde sonore après un certain temps.

Les ondes élastiques dans un liquide sont également sujettes à la diffusion par des inhomogénéités résultant du mouvement thermique aléatoire des molécules.

La structure des liquides

Des études expérimentales de l'état liquide de la matière, basées sur l'observation de la diffraction des rayons X et des flux de neutrons lors de leur passage à travers les milieux liquides, ont révélé la présence dans le liquide commande à court terme, c'est à dire. la présence d'un certain ordre dans l'arrangement des particules seulement à une petite distance de toute position sélectionnée (Fig. 140).

L'arrangement mutuel des particules voisines dans les liquides est similaire à l'arrangement ordonné des particules voisines dans les cristaux. Cependant, cet ordre dans les liquides ne s'observe qu'à l'intérieur de petits volumes. Aux distances : à partir d'une molécule "centrale" choisie, l'ordre est violé ( est le diamètre effectif de la molécule). Un tel ordre dans l'arrangement des particules dans les liquides est appelé ordre à courte portée. .

En raison de l'absence d'ordre à longue distance, les liquides, à quelques exceptions près, ne présentent pas l'anisotropie caractéristique des cristaux. Pour cette raison, la structure d'un liquide est parfois appelée quasi-cristalline ou cristalline. .

Pour la première fois, l'idée de la proximité de certaines propriétés des liquides (en particulier des métaux fondus) et des solides cristallins a été exprimée puis développée dans les travaux du physicien soviétique Ya.I. Frenkel dès les années 1930-1940 . Selon les vues de Frenkel, qui ont maintenant reçu une reconnaissance universelle, le mouvement thermique des atomes et des molécules dans un liquide consiste en des vibrations irrégulières avec une fréquence moyenne proche de la fréquence des vibrations des atomes dans les corps cristallins. Le centre d'oscillation est déterminé dans ce cas par le champ de forces des particules voisines et se déplace avec les déplacements de ces particules.

De manière simplifiée, un tel mouvement thermique peut être représenté comme une superposition de sauts relativement rares de particules d'une position d'équilibre temporaire à une autre et d'oscillations thermiques dans les intervalles entre sauts. Le temps moyen de résidence "sédentaire" d'une molécule liquide près d'une certaine position d'équilibre est appelé temps de relaxation. Après l'expiration du temps, la molécule change de lieu d'équilibre, sautant vers une nouvelle position, séparée de la précédente par une distance de l'ordre de la taille des molécules elles-mêmes. Ainsi, la molécule se déplace lentement à l'intérieur du liquide. Lorsque la température augmente, le temps diminue, la mobilité des molécules augmente, ce qui entraîne une diminution de la viscosité des liquides (la fluidité augmente). Selon l'expression figurative de Ya.I. Frenkel, les molécules errent dans tout le volume du liquide, menant une vie nomade, dans laquelle les voyages de courte durée sont remplacés par des périodes relativement longues de vie sédentaire.

Les solides amorphes (verre, résines, bitume, etc.) peuvent être considérés comme des liquides surfondus dont les particules, du fait de la viscosité fortement accrue, ont une mobilité limitée.

En raison du faible ordre de l'état liquide, la théorie des liquides s'avère moins développée que la théorie des gaz et des solides cristallins. Il n'y a pas encore de théorie complète des fluides.

Un type particulier de liquides sont certains composés organiques constitués de molécules allongées ou en forme de disque, ou les soi-disant cristaux liquides. L'interaction entre les molécules dans de tels liquides tend à aligner les grands axes des molécules dans un certain ordre. À des températures élevées, le mouvement thermique l'empêche et la substance est un liquide ordinaire. À des températures inférieures à la température critique, une direction préférée apparaît dans le liquide et un ordre d'orientation à longue portée apparaît. Tout en conservant les principales caractéristiques d'un liquide, telles que la fluidité, les cristaux liquides ont les propriétés caractéristiques des cristaux solides - l'anisotropie magnétique, électrique et propriétés optiques. Ces propriétés (ainsi que la fluidité) trouvent de nombreuses applications techniques, par exemple dans les montres électroniques, les calculatrices, les téléphones portables, ainsi que dans les moniteurs d'ordinateurs personnels, les téléviseurs, comme indicateurs, tableaux de bord et écrans pour afficher des informations numériques, alphabétiques et analogiques.

Tension superficielle

La caractéristique la plus intéressante des liquides est la présence Surface libre. Associé à la surface du liquide énergie gratuite, proportionnelle à l'aire de la surface libre du liquide : . Puisque l'énergie libre d'un système isolé tend vers un minimum, le liquide (en l'absence de champs externes) tend à prendre une forme qui a une surface minimale. Ainsi, le problème de la forme d'un liquide se réduit à un problème isopérimétrique sous des conditions supplémentaires données (répartition initiale, volume, etc.). Une goutte libre prend la forme d'une sphère, cependant, dans des conditions plus complexes, le problème de la forme de la surface du liquide devient extrêmement difficile.

Le liquide, contrairement aux gaz, ne remplit pas tout le volume du récipient dans lequel il est versé. Une interface se forme entre le liquide et le gaz (ou vapeur), qui se trouve dans des conditions particulières par rapport au reste de la masse du liquide. Les molécules de la couche limite d'un liquide, contrairement aux molécules de sa profondeur, ne sont pas entourées par d'autres molécules du même liquide de tous les côtés. Les forces d'interaction intermoléculaire agissant sur l'une des molécules à l'intérieur du liquide à partir des molécules voisines sont, en moyenne, mutuellement compensées (Fig. 141).

Mais toutes les molécules, y compris celles de la couche limite, doivent être dans un état d'équilibre. Cet équilibre est atteint en raison d'une certaine diminution de la distance entre les molécules de la couche de surface et leurs voisins les plus proches à l'intérieur du liquide. Lorsque la distance entre les molécules diminue, des forces répulsives apparaissent. Les molécules de la couche de surface sont un peu plus denses et disposent donc d'une réserve d'énergie potentielle supplémentaire par rapport aux molécules internes. Ainsi, les molécules de la couche superficielle du liquide ont une énergie potentielle en excès par rapport aux molécules à l'intérieur du liquide, égale à l'énergie libre . .Ainsi, l'énergie potentielle de la surface du liquide est proportionnelle à son aire : .

Il est connu de la mécanique que les états d'équilibre d'un système correspondent à la valeur minimale de son énergie potentielle, c'est-à-dire la surface libre du liquide tend à réduire son aire. Le fluide se comporte comme si des forces agissaient tangentiellement à sa surface, réduisant (contractant) cette surface. Ces forces sont appelées forces de tension superficielle .