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Asumimos que las moléculas de agua (esferas aproximadamente aproximadas) están distribuidas uniformemente en el agua en un patrón de cuadrícula cúbica (este no es el caso, esto es solo para simplificar la discusión y no afecta la conclusión cualitativa) , y no considera su movimiento irregular (los efectos del movimiento aleatorio en el problema se cancelan entre sí en promedio).
Todos sabemos que la atracción y repulsión entre moléculas existen al mismo tiempo, y que el rango efectivo de gravedad es grande. En términos generales, el diámetro de diez moléculas es un "círculo cuadrado", entonces también podríamos suponer que es la distancia entre los centros de masa de las cinco moléculas más cercanas, es decir, todas las moléculas dentro de este rango (unas 500 moléculas). son relativos a la molécula central Hay un efecto gravitacional. El rango efectivo de repulsión es pequeño. El diámetro de una o dos moléculas es un círculo cuadrado, por lo que se puede suponer que es la distancia entre el centro de masa de una molécula (cuatro moléculas, arriba, abajo, izquierda y derecha * * *, repeliendo la molécula central). Este supuesto no afecta el análisis cualitativo.
Ahora, en una capa de moléculas de agua debajo de la superficie del líquido y cerca de la superficie del líquido, tomamos cualquier molécula de agua como centro y hacemos una esfera con un radio de 5 veces la distancia molecular. Si el hemisferio superior también está lleno de moléculas de agua, entonces las fuerzas sobre la molécula central están equilibradas (la atracción y repulsión total de las moléculas circundantes son cero, que es la fuerza sobre las moléculas dentro del líquido). Ahora sólo hay una capa de moléculas de agua en el hemisferio superior, y no más de una o dos moléculas de aire o de vapor de agua (por lo que se puede ignorar el número de moléculas de gas). Vista desde la dirección vertical, la fuerza repulsiva total de la molécula central permanece sin cambios y es cero (hay una molécula más cercana arriba y abajo, y las dos fuerzas repulsivas están en direcciones opuestas e iguales en magnitud. Incluso si la componente vertical de la Se considera la fuerza repulsiva de las moléculas adyacentes arriba y abajo, siempre se compensan en un 20%), y la fuerza gravitacional atrae cinco capas de moléculas desde abajo, y solo una capa de moléculas desde arriba. De esta manera, esta molécula es atraída por la. dirección hacia abajo de la red Obviamente, esta molécula se moverá ligeramente hacia abajo para igualarla. De la misma manera, cada molécula de esta capa se moverá ligeramente hacia abajo, lo que aumenta la distancia desde las moléculas de la primera capa en la superficie. Las moléculas de la superficie también se moverán ligeramente hacia abajo debido a la fuerza desequilibrada. Este movimiento descendente de la superficie molecular se produce en las primeras cinco capas de la molécula, pero no exactamente en la misma medida. En general, las distintas capas de moléculas de la superficie están sujetas a una atracción interna neta, lo que hace que el espaciamiento total de las cinco capas de moléculas se comprima ligeramente en la dirección vertical. Es decir, la superficie tiene tendencia a ser atraída hacia el agua y la fuerza que causa esta tendencia se dirige verticalmente hacia abajo, hacia la superficie del líquido. Esta fuerza desaparece a medida que la distancia entre las moléculas se ajusta automáticamente (compresión vertical). La tensión superficial no es esta fuerza.
Del análisis anterior podemos saber que las moléculas de la superficie reciben una atracción neta desde el interior, haciendo que estas moléculas se desplacen hacia el líquido tanto como sea posible, reduciendo el área de la superficie hasta que la fuerza repulsiva que reciben aumenta y se compensa con la atracción neta inicial. Para una gran cantidad de agua, como un vaso de precipitados, el área de la superficie no se puede reducir, pero la distancia molecular en la superficie solo se puede comprimir para lograr un equilibrio de fuerzas. Entonces, ¿cómo podemos obtener la tensión superficial? Tomando la superficie horizontal como ejemplo, podemos colocar un cable recto delgado sobre la superficie horizontal (hay un gancho en el centro del cable) y usar fuerza externa para tirar lentamente del cable hacia arriba. Cuando la altura no es demasiado alta, la película líquida no se rasgará y luego el alambre metálico quedará sujeto a tensión superficial. Estirar la película líquida en realidad aumenta el área superficial y aumenta la distancia molecular a lo largo de la superficie de la película líquida, de modo que la tensión superficial de la superficie del líquido parecerá oponerse a ella. La tensión superficial es en realidad la fuerza resultante de atracción neta causada por el desequilibrio de atracción y repulsión entre moléculas a medida que aumenta la distancia entre las moléculas en la superficie. Dado que la distancia entre las moléculas de la superficie se alarga hacia la dirección de la película líquida, la tensión superficial en algún lugar de la película líquida siempre es paralela a la superficie allí, y la suma de las tensiones superficiales en todas partes de la película líquida siempre está dirigida verticalmente hacia la dirección de la película líquida. líquido y está equilibrado con la fuerza externa (suponiendo que la película de líquido se estira a una velocidad constante, ignorando la gravedad del alambre).
Las siguientes preguntas tienen respuesta para usted.
1 Este libro dice que las moléculas de agua superficiales son atraídas por las moléculas de agua internas, por lo que la fuerza resultante es hacia abajo. Esta fuerza es la tensión superficial.
Esta afirmación no es exacta. La fuerza resultante anterior solo ocurrirá si se supone que las moléculas están distribuidas uniformemente. De hecho, a nivel de líquido en estado estable, la distancia entre las moléculas no es uniforme debido al ajuste espontáneo y no existe tal fuerza (las moléculas están equilibradas en todas partes, independientemente del movimiento térmico). Esta fuerza resultante es la fuerza que hace que el área de la superficie sea lo más pequeña posible (la superficie y el equilibrio interno son lo más pequeños posible) cuando las moléculas están distribuidas uniformemente y el área de la superficie es grande, en lugar de la tensión superficial en sí. La razón de la tensión superficial es que la película líquida se estira (en relación con el estado de equilibrio, la distancia entre las moléculas de la superficie aumenta) y las moléculas de agua abandonan la posición de equilibrio de tensiones, lo que resulta en una atracción y repulsión desequilibradas, es decir, una red. La fuerza se genera entre las moléculas a lo largo de la dirección de la película líquida. La fuerza neta de la gravedad es la tensión superficial.
En estado de ingravidez, el agua forma esferas, alcanzando así un estado de equilibrio de superficie mínima y fuerzas intermoleculares equilibradas. La situación de equilibrio no se ve afectada por ninguna tensión superficial. Sólo cuando las moléculas de la superficie se alejan de la esfera y de la posición de equilibrio se produce una atracción neta entre las moléculas de la superficie, y el efecto general es la tensión superficial. Generalmente decimos que las gotas de agua o el agua en estado ingrávido se convierten en (aproximadamente) esferas mediante la tensión superficial. No se puede entender que todavía haya tensión superficial después de ser esférico, pero se debe entender que una vez que no es esférico, habrá tensión superficial (desequilibrada), lo que incitará a que adopte una forma esférica.
Pero el libro dice que la tensión superficial es la dirección tangencial de la superficie del líquido.
¿Por qué?
Microscópicamente, la dirección de atracción neta entre moléculas adyacentes en la superficie de la película líquida es obviamente la dirección tangente de la superficie del líquido. La dirección de atracción de las moléculas cercanas a aquí es aproximadamente la misma, pero la dirección. Obviamente es diferente en lugares más lejanos. Para ser precisos, la dirección de cada lugar es la dirección tangente de la película líquida allí.
¿Por qué las moléculas de agua en la superficie no se hunden sino que tienden a encogerse cuando son forzadas hacia abajo?
Independientemente del movimiento térmico, en promedio, suponiendo que no haya una fuerza neta hacia abajo, las moléculas se distribuirán uniformemente en el espacio. Una vez distribuidas uniformemente, habrá una fuerza neta dirigida desde la superficie hacia el cuerpo. Por supuesto, las moléculas de agua de la superficie se "hundirán", pero ligeramente, y la distancia desde las moléculas subyacentes disminuirá, lo que dará como resultado una fuerza repulsiva neta entre las dos capas, evitando que la superficie se "hunda" aún más. La llamada tendencia a la contracción es que un determinado volumen de agua siempre tiende a obtener la menor superficie, que a ser posible es una esfera. Pero, de hecho, debido al efecto de la gravedad, un gran volumen de agua no puede formar una esfera o una esfera aproximada, y la superficie del líquido solo puede formar una superficie plana. La capa molecular de la superficie (relativamente idealmente distribuida uniformemente) se moverá ligeramente hacia abajo y el área lateral disminuirá ligeramente, alcanzando el área de superficie mínima en condiciones de gravedad.
Supongamos que la fuerza resultante en la pregunta 1 es la atracción hacia abajo de las moléculas de agua y las moléculas izquierda y derecha, y que la fuerza resultante apunta hacia abajo, hacia la parte inferior izquierda y la parte inferior derecha del círculo. En este caso, si el plano horizontal es plano y la tensión superficial es paralela al plano horizontal del pez, ¿cómo puede la fuerza resultante ser hacia abajo sin ningún arco?
No existe tensión superficial en el plano horizontal (en condiciones de gravedad, la superficie es lo más pequeña posible y la fuerza está equilibrada). Sólo ampliando la superficie, como en el ejemplo anterior, habrá tensión superficial.
Si tienes alguna duda, por favor pregunta.