Поверхностное натяжение — физическое явление, проявляющееся в стремлении поверхности жидкости минимизировать свою площадь. Оно возникает вследствие несимметричных сил межмолекулярного взаимодействия. Молекулы внутри жидкости испытывают равнодействующие силы со всех сторон, тогда как молекулы на границе раздела фаз взаимодействуют только с молекулами внутри, что создаёт упругость поверхности.
Механизм формирования поверхностного натяжения основан на межмолекулярных силах: ван-дер-ваальсовых, водородных и диполь-дипольных взаимодействиях. Вода характеризуется высоким поверхностным натяжением (≈72,8 мН/м при 20 °C) из-за сильных водородных связей между молекулами H₂O.
Единицы измерения и количественные характеристики: поверхностное натяжение выражается в Н/м или дин/см. В практических экспериментах используют методы кольца Плачека, капельный метод или измерение угла смачивания для определения σ.
Факторы, влияющие на поверхностное натяжение:
Применение и проявления: капиллярность, образование капель и пузырей, удержание насекомых на поверхности воды, процессы смачивания и адгезии.
Вязкость характеризует внутреннее сопротивление жидкости или газа течению. Она определяется силой трения между слоями жидкости, движущимися с различными скоростями. Внутреннее трение связано с переносом импульса молекулой от одного слоя к другому.
Виды вязкости:
Динамическая (абсолютная) вязкость η — сила трения на единицу площади поверхности между слоями жидкости с единичной градиентной скоростью.
Кинематическая вязкость ν — отношение динамической вязкости к плотности жидкости:
$$ \nu = \frac{\eta}{\rho}. $$
Законы и модели:
Закон Ньютона для ньютоновских жидкостей:
$$ \tau = \eta \frac{dv}{dy}, $$
где τ — касательное напряжение, $\frac{dv}{dy}$ — градиент скорости. Для ньютоновских жидкостей η постоянна.
Неньютоновские жидкости проявляют зависимость вязкости от скорости сдвига: псевдопластические (разжижающиеся при сдвиге), дилатантные (загущающие при сдвиге), тиксотропные (вязкость уменьшается со временем при постоянном сдвиге).
Факторы, влияющие на вязкость:
Методы измерения: капиллярные вискозиметры, ротационные вискозиметры, падающее тело, ультразвуковая и электронная акустика.
Влияние на процессы: вязкость определяет скорость течения, гидродинамические сопротивления, тепло- и массоперенос, стабилизацию суспензий, эмульсий и коллоидных систем.
Хотя поверхностное натяжение и вязкость описывают разные аспекты жидкости (границу раздела фаз и внутреннее сопротивление соответственно), оба явления зависят от межмолекулярных взаимодействий и температуры. В системах с высоким σ часто наблюдается высокая вязкость, что характерно для полярных и водородносвязанных жидкостей, таких как глицерин или вода при низких температурах. Понимание этих свойств критически важно для процессов капиллярного всасывания, смачивания, эмульгирования и текучести в микро- и наноразмерах.