Поверхностное натяжение жидкости (стр. 5 )

Лиловый, красный, синий,

Зеленый, желтый цвет.

Именно окраска мыльных пузырей натолкнула выдающегося физика Томаса Юнга на открытие явления интерференции в тонких пленках и подтверждение волновой природы света.

Мыльные пузыри и пленки – удивительно красивое зрелище. Созерцанием их можно заниматься часами и в любом возрасте. Но в школьном курсе физики этому вопросу уделяется совсем мало времени. А так хочется узнать об этом удивительном явлении. Почему пузырь переливается всеми цветами радуги? От чего зависит прочность мыльной пленки? Как приготовить правильно мыльный раствор, чтобы пузырь получился как можно больше и сохранялся как можно дольше? Как ведет себя мыльный пузырь на твердых и жидких поверхностях? И таких вопросов у меня очень много.

Поэтому я решил провести исследования и посмотреть на мыльные пузыри и мыльные пленки глазами любознательного человека и понаблюдать за мыльными пузырями, изучая их поведение. Мне бы хотелось узнать, отчего зависит прочность мыльных пузырей, и как влияет примесь на поверхностное натяжение пленки.

Водяные пузыри

Но прежде, чем изучать мыльные пузыри начнем с водяных пузырей.

В жаркий летний день набежит тучка и выльется дождем. Крупные капли дождя образуют в лужах, водоемах большие пузыри. Пузыри лопаются, рождаются новые. Когда мы наливаем в сосуд воду из крана, то на поверхности воды также образуются пузыри. Что за причина образования пузырей из воды?

Пузыри образуются за счет поверхностного натяжения воды. Струи воды захватывают воздух и увлекают его за собой. Пузырьки воздуха оказываются под водой, разбросанные в разные стороны падающей струей. Затем они всплывают на поверхность. Поверхностная пленка воды не позволяет им вырваться наружу. Образуется воздушный пузырь, обтянутый тонкой пленкой молекул воды. Пленка воды прочная, и воздуху трудно ее прорвать. Она сильно давит на воздух и сжимает его. Сжатый воздух пытается прорваться и, в конце концов, прорывает пленку. Пузырь лопается. Водяные пузыри недолговечны, не то, что мыльные.

Мыльные пузыри

В разговоре о мыльных пузырях мы вспоминаем о них для не особенно лестных уподоблений. Например: "Лопнул, как мыльный пузырь". Совсем иначе смотрят на них физики. "Выдуйте мыльный пузырь, - писал великий английский ученый Кельвин, - и смотрите на него: вы сможете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики " .(1) Действительно, волшебные переливы красок на поверхности тончайших мыльных пленок дают нам возможность измерить длину световых волн, а исследование натяжения этих нежных пленок помогает изучать законы действия сил между частицами – тех сил сцепления, при отсутствии, которых в мире не существовало бы ничего кроме тончайшей пыли.

Хорошие мыльные пузыри получаются из раствора простого хозяйственного мыла (туалетные сорта для этой цели менее пригодны), но наиболее пригодны для получения крупных и красивых мыльных пузырей чисто оливковое или миндальное мыла. Мыльный раствор готовится достаточно просто. Кусок мыла нужно осторожно развести в чистой холодной воде, пока не получится довольно густой раствор. Лучше всего использовать снеговую (или дождевую) воду. Чтобы пузыри держались долго нужно к мыльному раствору прибавить 1/3 часть глицерина (по объему). С поверхности раствора необходимо удалить пену и пузырьки. Тонкую трубочку изнутри и извне необходимо вымазать мылом, окунуть ее в раствор и держа трубочку отвесно, так чтобы на конце образовалась пленка жидкости, осторожно дуть в нее. Пузырь наполняется теплым воздухом наших легких, который легче окружающего комнатного воздуха и поднимается вверх.

Если пузырь удается сразу выдуть в 10 см. диаметром, то раствор получился хорошим и годен для проведения опытов. Есть и еще один способ проверки раствора: выдув пузырь, обмакните палец в мыльный раствор и постарайтесь проткнуть его. Если пузырь не лопнет, то раствор хороший.

Когда мы в воду добавляем мыло или любое моющее средство, силы поверхностного натяжения резко уменьшаются. Однако мыльные пузыри получаются большего размера, они прочнее и дольше живут. Не противоречат ли эти свойства одно другому?

Оказывается, кроме сил поверхностного натяжения, важную роль играет структура мыльной пленки. Молекулы мыла и моющих средств относятся к поверхностно-активным веществам. Их особенностью является то, что один конец длинной молекулы активен по отношению к воде, а противоположный – инертен. Молекулы мыла расположены упорядоченно и перпендикулярно водной поверхности, так что напоминают "частокол". Мыльная пленка имеет два таких "частокола". При раздувании она растягивается, плотность молекул поверхностно-активного вещества на поверхности уменьшается, но тут же стремится восстановиться благодаря "притоку" все новых молекул из объема пленки. Когда все молекулы поверхностно – активного вещества окажутся на поверхности, наступает критическая ситуация – пленка разрушается, и пузырь лопается. Теоретически возможный радиус пузыря – 6 метров. На сегодняшний день рекорд – более 2 метров. Мыльные пузыри лопаются раньше, чем достигают критического размера.

Силы поверхностного натяжения.

В окружающем нас мире наряду с тяготением, упругостью и трением действует еще одна сила, на которую мы обычно мало или совсем не обращаем внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действие никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, которые называются силами поверхностного натяжения.

К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Однако в природе и в нашей жизни они играют немалую роль. Без них мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки, пена не образовалась бы. Слабый дождик промочил бы одежду насквозь, а радугу нельзя было бы видеть ни при какой погоде. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая за образованием мыльного пузыря.

Надуем мыльный пузырь. Какое впечатление оказывает на вас пленка мыльного пузыря? Мне кажется, что она походит на тонкую растянутую резину детского шарика. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет пузырь, как образуется сужение у соломинки и как он отрывается от нее, переливаясь всеми цветами радуги. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что стенки пузыря похожи на тонкий эластичный мешочек, который разорвется, если его прочность станет недостаточной. Если вынуть соломинку изо рта, то из пузыря выйдет воздух и пузырь сожмется.

Поверхность жидкости стремится к сокращению.

Многочисленные наблюдения и опыты показывают, что жидкость принимает такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшую площадь. В своем стремлении сократится, поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не притяжение к Земле. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (силами тяготения). Поэтому маленькие капельки росы и мыльные пузыри близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли и небольшие мыльные пузыри почти строго шарообразны (небольшое отступление от сферичности вызвано сопротивлением воздуха). Из-за преломления солнечных лучей в них возникает радуга. Не будь капли и пузыри сферическими, не было бы и радуги.

Рассмотрим опыт, подтверждающий стремление жидкости уменьшить поверхность соприкосновения с воздухом. К двум точкам проволочного каркаса привяжем нить, длина которой больше диаметра каркаса. Погрузив каркас в раствор мыла, получим мыльную пленку, на которой нить будет лежать в произвольном положении. Если проколоть пленку с одной стороны нити, то пленка, оставшаяся по другую сторону нити, сокращаясь, натянет нить. Этот опыт можно видоизменить, положив на пленку, образованную в проволочном каркасе, петлю. Если прорвать пленку внутри петли, то она примет форму окружности. Если пленка образуется на проволочных каркасах, имеющих различные геометрические формы (куб, тетраэдр и др.), то для каждого каркаса пленка всегда устанавливается совершенно определенным образом, при котором ее поверхность имеет наименьшую площадь. Таким образом, поверхность жидкости обладает загадочным на первый взгляд свойством, - она стремится сократиться так, чтобы площадь ее поверхности стала минимальной. Можно понять причину, заставляющую поверхность жидкости сокращаться, если представить себе, в каких условиях находятся молекулы поверхностного слоя жидкости.

Происхождение сил поверхностного натяжения.

Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, например с ее собственным паром, находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Возникают эти условия потому, что на поверхности жидкости, вблизи границы, разделяющей жидкость и пар, молекулы испытывают иное молекулярное взаимодействие, чем молекулы, находящиеся внутри объема жидкости.

На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, окружающих ее со всех сторон. Равнодействующая же сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, не равна нулю (так как над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше, чем плотность жидкости), и направлена внутрь жидкости. Под действием этой силы молекулы поверхностного слоя стремятся втянуться внутрь жидкости, число молекул на поверхности уменьшается, и площадь поверхности сокращается.

Мы знаем, что жидкость текуча из-за перескоков молекул из одного «оседлого» положения в другое, и она принимает такую форму, при которой число молекул на поверхности минимально, т. е. площадь поверхности минимальна. А минимальную поверхность при данном объеме имеет шар. Площадь поверхности жидкости уменьшается, и воспринимается это как поверхностное натяжение.

Не смотря на то, что мы сравнивали пленку мыльного пузыря с растянутым резиновым шариком, происхождение поверхностных сил совсем иное, чем упругих сил растянутой резиновой пленки. При сокращении резины сила упругости ослабевает. Силы же поверхностного натяжения никак не меняются по мере сокращения площади поверхности пленки, так как плотность жидкости, а, следовательно, и среднее расстояние между молекулами на поверхности не меняются. Мы знаем, что молекулы притягиваются друг к другу на расстояниях порядка нескольких молекулярных радиусов и отталкиваются на очень близких расстояниях. Силы притяжения, действующие на молекулу поверхностного слоя со стороны всех остальных молекул, дают равнодействующую, направленную вниз. Однако соседние «нижние» молекулы на данную молекулу действуют силами отталкивания. Благодаря этому молекула находится в равновесии. Правда, любая молекула участвует в тепловом движении. Но для молекул жидкости это движение сводится к колебаниям около некоторых положений равновесия, причем время от времени эти положения меняются. Тогда на место молекулы, ушедшей в глубь жидкости, приходит другая и т. д. Таким образом, молекулы поверхностного слоя находятся в среднем на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Жидкость в поверхностном слое находится в растянутом, напряженном состоянии, и поэтому вдоль поверхности действует сила, стремящаяся сократить эту поверхность.

Зависимость поверхностного натяжения от примесей

Значительное влияние на поверхностное натяжение жидкости оказывают примеси растворенных в ней веществ. Наличие примесей в жидкости приводит, как правило, к уменьшению поверхностного натяжения. При растворении сахара в воде поверхностное натяжение увеличивается. А вот поверхностное натяжение мыльного раствора меньше, чем воды. Тем не менее, мыльные пузыри или мыльные пленки на проволочных рамках образуются мыльным раствором, а не чистой водой. Объясняется это следующим образом: для устойчивого равновесия пленки силы поверхностного натяжения должны увеличиваться с высотой. Чем выше участок пленки, тем большую массу пленки внизу ему приходится удерживать. Следовательно, концентрация мыла на поверхности пленки убывает с высотой. Из таблиц известно, что поверхностное натяжение воды (чистой), при температуре 200С равно 0,075 Н/м, а раствора мыла, при той же температуре – 0,040 Н/м. Кроме этого, коэффициент поверхностного натяжения уменьшается с ростом температуры.

Мы знаем, что жидкость текуча из-за перескоков молекул из одного «оседлого» положения в другое, и она принимает такую форму, при которой число молекул на поверхности минимально, т. е. площадь поверхности минимальна. А минимальную поверхность при данном объеме имеет шар. Площадь поверхности жидкости

Интересно наблюдать за пузырем, когда он из теплого помещения попадает в холодное. В данном опыте, он заметно уменьшается в объеме, и наоборот, раздувается, попадая из холодной комнаты в теплую.

Объяснить результат этого опыта легко. Причина кроется в сжатии и расширении воздуха, заключенного внутри пузыря. Если, например, на морозе в –15 0С объем пузыря равен 1000см 3 и он с мороза попал в помещение + 15 0С, то он должен увеличится в объеме примерно на110см 3. (1000 * 30 *1/273 = 110)

Обычные представления о недолговечности мыльных пузырей не вполне правильны: при надлежащем обращении удается сохранить мыльный пузырь долгое время. Английский физик Дьюар (прославившийся своими работами по сжижению воздуха) хранил мыльные пузыри в особых бутылках, хорошо защищенных от пыли, высыхания и сотрясения воздуха; при таких условиях ему удалось сохранить некоторые пузыри месяц и более (5) . Лоренцу в Америке удавалось сохранить мыльные пузыри под стеклянными колпаками годами.

Что тоньше всего.

Немногие, вероятно, знают, что пленка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей, какие доступны невооруженному зрению. Обычные предметы сравнения, служащие в нашем языке для выражения тонкости, чрезвычайно грубы по сравнению с мыльной пленкой. "Тонкий, как волос", "тонкий, как папиросная бумага" – означает огромную толщину рядом с толщиной стенки мыльного пузыря, которая в 5000 раз тоньше волоса и папиросной бумаги. При увеличении в 200 раз человеческий волос имеет толщину около сантиметра, разрез же мыльной пленки даже в таком увеличении еще не доступен зрению. Требуется увеличение еще в 200 раз, чтобы разрез стенки мыльного пузыря усматривался в виде тонкой линии; волос же при таком увеличении (в 40 000 раз!) будет иметь свыше 2м. в толщину. Рис 4 дает наглядное представление об этих соотношениях.

Пленка пузыря очень тонкая, и все - таки, несмотря на это, она состоит из трех слоев: два слоя мыльной воды, а между ними слой почти чистой воды.