почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры

Поверхностное натяжение — это физическое явление, которое возникает на поверхности жидкости, в результате которого молекулы, находящиеся на границе с воздухом, взаимодействуют друг с другом сильнее, чем молекулы внутри жидкости. Это приводит к тому, что поверхность жидкости становится как бы «натянутой», как мембрана.

Как температура влияет на поверхностное натяжение?

1. Основная зависимость:
   Поверхностное натяжение жидкости обычно уменьшается с увеличением температуры. Этот эффект объясняется тем, что при повышении температуры молекулы жидкости начинают двигаться быстрее, увеличивается их кинетическая энергия. Это ослабляет межмолекулярные силы притяжения между молекулами, которые являются причиной поверхностного натяжения.

2. Молекулярные силы:
   Межмолекулярные силы (например, водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы) действуют между молекулами в жидкости, включая те, что расположены на поверхности. Чем выше температура, тем больше колеблется энергия молекул, и тем слабее эти силы. В результате молекулы на поверхности жидкости становятся менее «привязаны» друг к другу, что снижает поверхностное натяжение.

3. Кинетическая энергия молекул:
   При повышении температуры кинетическая энергия молекул жидкости возрастает, они начинают двигаться с большей скоростью и «отталкиваются» друг от друга сильнее, что приводит к снижению силы поверхностного натяжения. Это также означает, что молекулы, расположенные на поверхности, становятся менее склонными к взаимодействию друг с другом, что ведет к уменьшению силы поверхностного натяжения.

4. Изменение состояния вещества:
   С увеличением температуры многие жидкости могут переходить в газообразное состояние (например, при кипении). Когда температура приближается к точке кипения, жидкость начинает интенсивно испаряться, и поверхность жидкости становится более «расплывчатой» и менее упругой. Это также связано с понижением поверхностного натяжения.

Математическое описание зависимости

Часто зависимость поверхностного натяжения от температуры выражается эмпирической формулой, например, уравнением Вант-Гоффа или Ленгмюра:

$$\sigma (T)={\sigma }_0\left(1-\frac{T}{T_c}\right)$$

где:

• $\sigma (T)$ — поверхностное натяжение при температуре $T$,

• ${\sigma }_0$ — поверхностное натяжение при нулевой температуре (или в какой-то эталонной температуре),

• $T_c$ — температура, при которой происходит фазовый переход (например, температура кипения для жидкости или критическая температура),

• $T$ — текущая температура.

Однако в реальности зависимость более сложная и может быть учтена различными дополнительными коэффициентами, зависящими от природы жидкости.

Пример с водой

Возьмем воду, одну из наиболее изученных жидкостей. Поверхностное натяжение воды при температуре 20 °C составляет около 72,8 мН/м. При повышении температуры до 100 °C (при которой вода кипит) поверхностное натяжение снижается до примерно 58 мН/м.

1. Вода при 20°C: ${\sigma }_{20^{\circ }C}\approx 72,8\text{мН/м}$

2. Вода при 100°C: ${\sigma }_{100^{\circ }C}\approx 58\text{мН/м}$

Этот эффект наблюдается для большинства жидкостей. Например, для спиртов, масел и прочих органических жидкостей зависимость также имеет тенденцию к снижению поверхностного натяжения при повышении температуры.

Причины уменьшения поверхностного натяжения

• Уменьшение силы притяжения между молекулами. При низких температурах молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом с высокой силой. Когда температура повышается, молекулы начинают двигаться быстрее, и силы притяжения между ними ослабевают, что снижает поверхностное натяжение.

• Увеличение подвижности молекул. При повышении температуры молекулы жидкости начинают перемещаться быстрее, что также снижает концентрацию молекул в поверхностном слое. Это ведет к тому, что сила поверхностного натяжения ослабляется.

• Фаза кипения. При достижении температуры кипения молекулы в жидкости получают достаточно энергии для того, чтобы преодолеть силы притяжения между собой и перейти в газообразное состояние. Это резко снижает поверхностное натяжение, так как молекулы, находящиеся на поверхности, становятся способными легко испаряться.

Применения и важность

Зависимость поверхностного натяжения от температуры важна для множества процессов, например:

• Капиллярные явления: Знание зависимости поверхностного натяжения от температуры важно при изучении того, как жидкости поднимаются или опускаются в узких трубках.

• Кулинария и производство продуктов: Например, при приготовлении пищи температура масла или воды напрямую влияет на поведение капель и пузырей.

• Экологические и промышленные процессы: В химической и нефтяной промышленности поверхностное натяжение влияет на процессы смачивания и эмульгации, а также на распространение загрязнителей.

Заключение

Таким образом, поверхность жидкости подвержена изменениям при повышении температуры, что приводит к снижению поверхностного натяжения. Это связано с увеличением кинетической энергии молекул, что ослабляет межмолекулярные силы. Изменение поверхностного натяжения важно как для теоретических расчетов, так и для практических применений, связанных с течением жидкостей и процессами их взаимодействия с другими веществами.