Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.
Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости[1].
Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.
В 1983 году было доказано теоретически и подтверждено данными из справочников (посмотреть статью: Журнал физической химии. 1983, № 10, с. 2528—2530), что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии(хотя и специфической: для симметричных молекул близких по форме к шарообразным). Приведенные в этой журнальной статье формулы позволяют для некоторых веществ теоретически рассчитывать значения поверхностного натяжения жидкости по другим физико-химическим свойствам, например, по теплоте парообразования или по внутренней энергии (подробнее о физической природе поверхностного натяжения жидкости см.соотв. статью на викиучебнике или [2] , [3])
В 1985 году аналогичный взгляд на физическую природу поверхностного натяжения, как части внутренней энергии, при решении другой физической задачи был опубликован В. Вайскопфом (Victor Frederick Weisskopf) в США (V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618—619.).
Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.
В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.
Дано:
m = 1.5 кг
t к. = 20
t н. = 420
Лямбда - 12 *10^4 Дж/кг
c = 380 Дж/кг*с
Найти:
Q = ?
Решение:
Q= Q1+ Q2
Q 1 = лямбда * m = 180000 (Дж)
Q2 = cm(tк.-tн.)=380*1.5*400=228000
Q = 180000+228000=408000 (Дж)
ответ: 408000 Дж.
3.
Дано:
m = 200 г = 0.2 кг
t н. = 50
t к. = 100
q = 30*10^6 Дж/кг
c = 4200 Дж/кг*с
L = 2.3*10^6 Дж/кг
Найти:
m = ?
Решение:
Q1=Q2
Q1=cm(t к. - t н.) + Lm
Q2=qm
cm(t к. - t н.) = qm
m= cm(t к. - t н.)/q
m = 4200*0,2*50 + 2300000*0.2/45000000=0.011 (кг)
ответ: 0.011 кг.
4.
Дано:
c воды = 4200 Дж/кг*с
с льда = 2100 Дж/кг*с
m = 0.2 кг
t н. = -10
t пл = 0
t кон. = 50
"Лямбда" - 34*10^4 дж/кг
"Эта" - 12.5% = 0.125
q = 27000000 Дж/кг
Найти:
Q=Q1+Q2+Q3
Q1=cmΔt = 2100*2*10=42000 (Дж)
Q2="лямбда" * m = 34*10^4*2=680000 (Дж)
Q3=cmΔt = 4200*2*50=4200000 (дж)
Q= 42000+68000+4200000=4922000 (дж)
m= Q/"эта"*q
m = 4922000/0.125*27000000 =0.33 (кг)
ответ: 0.33 кг.