Возможно вы замечали интересное явление в бокале вина. Оно называется "винные слезы" и выглядит так:
Кто-то даже говорит, что на появление этих слез влияет качество вина. Мол, если вино плачет, то оно хорошее. А плачет, наверное, от счастья, да?:) Но мы-то люди с вами любопытные и не будем верить на слово таким утверждениям. И выясним, почему оно все-таки плачет.
Разберемся, что же такое вино, на примере красного [1]:
Под прочими веществами подразумеваются различные органические кислоты, дубильные вещества и фенольные соединения. В данном контексте они нас не будут сильно интересовать, в отличие от этанола.
Что такое этанол? Это вещество, относящееся к классу спиртов. Разумеется, оно отличается от воды химически, физически и органолептически. Вспомним Узнаем основные характеристики этанола:
- Этанолсодержащие жидкости рекомендуется хранить с закрытой крышкой, потому что этанол - летучий и быстро испаряется;
- Плотность этанола ниже, чем воды. плотность этанола - 0,8 г/см3, плотность воды - 1 г/см3.
- Очень важный момент. Коэффициент поверхностного натяжения у спирта ниже, чем у воды. 0,022 H/м против 0,073 Н/м. И у мыла, заметьте, коэффициент меньше, чем у воды (0,040 H/м), это пригодится.
Что такое коэффициент поверхностного натяжения и почему он здесь важен?
Я намеренно не буду вводить сюда сложные формулы и определения из учебников. Не потому что я их не знаю или они не важны, я просто хочу объяснить это удивительное явление "на пальцах".
Если налить любую жидкость в стакан, то поверхность жидкости превратится в своеобразный натянутый батут. Мы можем положить на поверхность иголку (заранее потерев ее о пальцы или масло, чтобы нанести тоненькую жировую пленку), и она не провалится. На иголку помимо силы тяжести и выталкивающей силы (их просто имеем в ввиду, что они есть. я их для приличия написала) действуют также силы поверхностного натяжения, которые эту иголку тащат вверх. Жировая пленка обволакивает иголку. Тут, конечно, нужно поговорить про смачивание, но не в этот раз :) Заметим только, что масло нам нужно в качестве оборудования для наглядности эксперимента с жидкостями. Посмотрим на иголку, плавающую в воде и вспомним таблицу, приведенную выше:
Коэффициент поверхностного натяжения, упомянутый ранее, обозначается буквой σ (сигма).
σ_воды = 0,07 Н/м (держим в голове)
А теперь аккуратно нальем в ту же емкость концентрированный мыльный раствор:
Все, иголка провалилась! Струя воды не касалась иголки, не топила ее специально. Вспомним таблицу:
σ_воды = 0,07 Н/м (держим в голове?)
σ_мыла = 0,04 Н/м (сравниваем в уме)
Коэффициент поверхностного натяжения у мыла меньше, чем у воды. Будет ли тут в точности 0,04 Н/м? Не факт. Но значение σ у мыльного раствора будет точно меньше, чем у воды. Именно это принципиально важно в этой ситуации.
Что произошло ооооочень простым языком:
Поверхность жидкости стала слишком ленива, чтобы удерживать иголку.
Вопрос на подумать: если вместо мыльного раствора добавить спирт, то результат будет таким же? (ответ в конце статьи).
Возвращаемся к физике. Когда нам лень что-то делать, то мы говорим о том, что у нас мало энергии. Так и у поверхности жидкости: поверхностная энергия при добавлении мыльного раствора стала меньше. Также из-за уменьшении σ, уменьшилась и сила поверхностного натяжения, которая удерживала иголку. Приведу формулы, они несложные:
W = σ • S
W - поверхностная энергия (Дж), σ - коэффициент поверхностного натяжения (Н/м), S - площадь поверхности (м2).
F = σ • l
F - силы поверхностного натяжения (Н), σ - коэффициент поверхностного натяжения (Н/м), l - длина контура, ограничивающего поверхность жидкости (м).
По формулам все справедливо: площадь поверхности осталась прежней, а вот сигму мы изменили путем введения мыльного раствора. Следовательно, уменьшилась поверхностная энергия.
Уменьшение сигмы также привело к уменьшению сил поверхностного натяжения, которые тянули иголку вверх. Ведь длина иголки не менялась.
Вы еще не забыли, что речь-то идет о вине? Немного терпения, я все помню!)
Примем во внимание один простой, но важный факт: в физике все лениво. Как нам лень по утрам вставать на работу и учебу, так и в физике веществам лениво находиться в более напряженном состоянии, чем они могли бы находиться. В данном вопросе для нас будет важно понятие поверхностной энергии, введенной выше.
Согласно принципу минимума свободной энергии [2]:
Любая фаза будет стремиться самопроизвольно уменьшить свою поверхностную энергию.
Убедимся в этом наглядно:
В воду были насыпаны блестки, которые заняли поверхность. Поверхность обладала своей энергией, и все было спокойно. После этого в жидкость была опущена палочка, заранее потертая о твердое мыло. И блестки раздвинулись!
Помним:
- Поверхностная энергия: W = σ • S
- Коэффициент поверхностного натяжения σ_мыла меньше, чем у воды
- Любая фаза будет стремиться самопроизвольно уменьшить свою поверхностную энергию
Уже поняли, почему мыло "раздвинуло" блестки? :) Верно, чтобы занять как можно бОльшую площадь, ведь тогда поверхностная энергия уменьшится. И вновь лень победила! Только на этот раз физическая.
Зафиксируем:
Жидкости с меньшим, чем у воды, коэффициентом поверхностного натяжения, стремятся занять на ее поверхности бОльшую площадь, чтобы уменьшить поверхностную энергию.
Ключевые моменты мы разобрали. Во второй части обсудим, а причем тут вообще это мыло, какое отношение оно имеет к вину? Буду рада вашим честным отзывам и комментариям!
А пока ответ на вопрос:
- Если вместо мыльного раствора добавить спирт, то результат будет таким же?
- Так как коэффициент поверхностного натяжения у спирта меньше, чем у воды, то при его добавлении в воду он уменьшил силы поверхностного натяжения, и иголка бы также утонула.
