Tensiunea superficială 1
Proprietățile lichidelor. Tensiunea superficială a 4
Sursa Lista 14
Tensiunea superficială - caracteristicile termodinamice ale interfeței dintre două faze în echilibru, de lucru definit izotermokineticheskogo formarea reversibilă a suprafeței unității cu condiția ca temperatura volumului sistemului și potențialele chimice ale tuturor componentelor din cele două faze rămân constante.
Tensiunea superficială este dublu sens fizic - energie (termodinamic) și rezistență (mecanică). Putere (termodinamic) determinare: tensiunea superficială - este suprafața specifică de lucru prin creșterea stării sale de întindere de temperatură constantă. Forța (mecanică) determinare: tensiunea superficială - este forța pe unitatea de lungime a liniei care definește suprafața lichidului.
forța de tensiune superficială direcționată tangențial la suprafața lichidului, perpendicular pe secțiunea conturului căruia funcționează. forța de tensiune superficială proporțională cu lungimea porțiunii de buclă, pe care operează. Y Coeficientul de proporționalitate - forța pe unitatea de lungime a circuitului - se numește tensiune superficială. Se măsoară în newtoni pe metru. Dar defini mai precis tensiunea superficială, ca și energia (J) pe unitatea de suprafață a diferenței (m²). În acest caz, există o semnificație fizică clară a conceptului de tensiune de suprafață.
In 1983, sa dovedit teoretic și au confirmat datele de referință (Journal of Physical Chemistry 1983 № 10, pp 2528-2530 ..), că noțiunea de tensiune superficială a lichidului este în mod clar o parte a conceptului de energie internă (deși special: pentru molecule simetrice, cu o formă similară o minge în formă). Informațiile din acest jurnal formule articol permit anumite substanțe conta teoretic valoarea tensiunii superficiale a lichidului la alte proprietăți fizico-chimice, cum ar fi căldura de vaporizare sau energie internă
Tensiunea superficială poate fi la granița gazoase, lichide și solide. De obicei se referă la tensiunea superficială a corpurilor lichide la limita „lichid - gaz“. În cazul în care tensiunea superficială a suprafeței lichidului este, de asemenea, considerată ca fiind o forță legitimă care acționează pe unitatea de lungime a conturului suprafeței și suprafața tinde să reducă la minimum la date fazele volume.
Proprietățile lichidelor. tensiune superficială
Moleculele substanței în stare lichidă sunt situate foarte aproape una de alta. Spre deosebire de solide cristaline, în care moleculele formează structuri ordonate pe tot cristalul și pot face oscilații termice circa centrele fixe, moleculele lichide au mai multă libertate. Fiecare moleculă a lichidului, precum și în stare solidă, „prinse“ pe toate laturile de moleculele învecinate și face oscilații termice aproximativ o anumită poziție de echilibru. Cu toate acestea, din când în când, orice moleculă poate trece la un loc vacant adiacent. Astfel de salturi în lichide sunt frecvente; astfel încât moleculele nu sunt legate de centre specifice în cristale și pot fi mutate în jurul volumului de fluid. Acest lucru explică fluxul de lichide. Datorită interacțiunii puternice dintre moleculele strâns aranjate, ele pot forma un local (instabil) comandat grupuri care conțin mai multe molecule. Aceasta se numește comandă rază scurtă de acțiune (Fig. 1).
Un exemplu de comandă cu rază scurtă de molecule lichide și molecule de cristal lung: 1 - apă; 2 - gheață.
Fig. 2 ilustrează diferența dintre substanța gazoasă din exemplul de apă lichidă. H2O Molecula de apă formată din atomi de oxigen și un atom de hidrogen două sunt situate la un unghi de 104 °. Distanta medie dintre moleculele de zeci de vreo două ori distanța medie dintre moleculele de apă. Spre deosebire de fig. 3.5.1, în cazul în care moleculele de apă sunt reprezentate sub formă de bile, fig. 3.5.2 oferă o imagine în structura moleculei de apă.
Vaporii de apă (1) apă și (2). Moleculele de apă a crescut cu aproximativ 5 x 10 7 ori.
Datorită împachetarea dens al moleculelor compresibilitatea lichidelor, adică modificarea în volum atunci când presiunea este foarte scăzută; este în zeci sau sute de mii de ori mai mici decât în gaze.
Lichid ca solide schimba volumul acestora cu schimbările de temperatură. Pentru intervale nu foarte mari de temperatură schimbare relativă Av / V0 valoare proporțională cu schimbarea temperaturii AT:
Coeficientul β se numește coeficient de temperatură de expansiunea volumului. Acest raport de lichide la zece ori mai mare decât solidele. În apă, de exemplu, la o temperatură de 20 ° C βv ≈ 2 · 10 -4 K -1. din oțel βst ≈ 3,6 · 10 -5 K -1. din sticlă de cuarț βkv ≈ 9 · 10 -6 K -1.
Expansiunea termică a apei are o interesantă și importantă pentru viața de pe Pământ anomalie. La temperaturi sub 4 ° C, apa se extinde ca și scade temperatura (β <0). Максимум плотности ρв = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Prin înghețarea apei se extinde, astfel încât gheața plutește pe suprafața înghețarea lacului. Temperatura de congelare a apei sub gheață este de 0 ° C Stratul de apă mai dens la partea inferioară a temperaturii rezervorului este de aproximativ 4 ° C Datorită acestui fapt pot exista viață în rezervoare de apă de congelare.
Caracteristica cea mai interesantă este prezența suprafeței libere de lichid. Lichid, gaz, spre deosebire nu umple întregul volum al vasului în care este turnat. Între lichid și gaz (sau de vapori) formează o interfață, care este în condițiile speciale, în comparație cu restul masei lichide. Moleculele din stratul limită de fluid, în contrast cu moleculele din adâncimea sa, inconjurata de alte molecule care nu este același lichid pe toate laturile. forțe intermoleculare care acționează asupra uneia dintre moleculele din lichidul de molecule, în medie, vecine se compensează reciproc. Orice moleculă în stratul limită este desenată molecule în interiorul lichidului (forțele care acționează asupra unei molecule date de moleculele de gaz lichid (sau abur) pot fi neglijate). Ca urmare, există o forță rezultantă direcționată adânc în lichid. În cazul în care molecula se deplasează spre interior de la suprafața lichidului, forța de interacțiune intermoleculară va face o lucrare pozitivă. Pe de altă parte, pentru a elimina un anumit număr de molecule de adâncimea lichidului la suprafață (adică pentru a mări aria suprafeței lichidului), este necesar să se consume forțe externe de lucru pozitiv ΔAvnesh. proporțională cu ΔS schimbare a suprafeței:
σ Factor se numește tensiune superficială (σ> 0). Astfel, coeficientul de tensiune superficială este egal cu lucrul mecanic necesar pentru a mări aria suprafeței lichidului, la o unitate de temperatură constantă.
În tensiunea superficială SI este măsurată în jouli pe metru pătrat (J / m 2) sau newtoni pe metru (1 N / m = 1 J / m2).
Prin urmare, moleculele lichide ale stratului de suprafață au o comparație redundante cu moleculele din energia potențială lichid. Potențiala Ep energetic al suprafeței lichidului este proporțională cu aria sa:
Este cunoscut din mecanica că starea de echilibru a sistemului corespunde valorii minime a energiei potențiale sale. Rezultă că suprafața liberă a lichidului tinde să reducă aria. Din acest motiv, picătura de lichid liber are o formă sferică. Lichidul se comportă ca și la o tangentă la suprafață, forțe care reduc (strângere) a suprafeței. Aceste forțe sunt numite forțe de tensiune superficială.
Prezența forțelor de tensiune de suprafață face ca suprafața filmului întins elastic lichid cum ar fi, cu singura diferență că forța elastică din film depinde de suprafața sa (adică din filmul este deformat), iar tensiunea de suprafață nu depinde de aria suprafeței lichidului.
Unele lichide, cum ar fi apa și săpun, au capacitatea de a forma un film subțire. Este bine cunoscut bule au o formă sferică - aceasta este, de asemenea, un efect evident al forțelor de tensiune de suprafață. Omiterea cadru de sârmă într-o soluție de săpun, iar una din părți este mobil, se va trage pelicula de lichid întreg (Fig. 3).
Partea mobilă a cadrului de sârmă, în echilibru, sub acțiunea unei forțe externe și forța rezultantă a tensiunii superficiale.
Forțele de tensiune de suprafață tind să reducă suprafața filmului. Pentru soldul părții în mișcare cadre este necesar să se aplice o forță externă, dacă prin forța de bara transversală pentru a trece la Ax, acest lucru se va lucra, de asemenea, ΔAvnesh Fvnesh = Ax = ΔEp = σΔS, în cazul în care ΔS = 2LΔx - creșterea suprafeței de ambele părți ale filmului cu săpun. Deoarece modulele sunt aceleași forțe și pot fi scrise:
Sigma tensiune superficială poate fi definită ca modulul de suprafață forță de tensionare care acționează pe o unitate de lungime a liniei, suprafața de delimitare.
Datorită acțiunii forțelor de tensiune de suprafață în picăturile de lichid și bulele de aer se produce în interiorul suprapresiunii Dp. Dacă se taie mental picăturii sferică de rază R în două jumătăți, fiecare dintre ele trebuie să fie în echilibru sub acțiunea forțelor de suprafață tensiune aplicate la secțiunea de frontieră 2πR și forțele de presiune în exces care acționează asupra πR 2 aria secțiunii transversale (fig. 4). Condiția de echilibru poate fi scrisă ca
De aceea, excesul de presiune din interiorul meniurile bine
Aproape de granița dintre formă lichidă, solidă și gaz o suprafață liberă a lichidului depinde de forțele de interacțiune între moleculele unui lichid dintr-un molecule solide (prin reacția cu moleculele de gaz (sau vaporii) pot fi neglijate). Dacă aceste forțe mai multe forțe de interacțiune dintre moleculele lichidului în sine, umezește fluid suprafața solidului. În acest caz, lichidul ajunge la un anumit unghi ascuțit θ caracteristic de suprafață solidă pentru o pereche dată de lichid - solid. Unghiul de se numește unghiul de contact. Dacă forțele dintre moleculele de lichid depășesc puterea lor de interacțiune cu moleculele unui corp solid, unghiul de contact este un obtuz (vezi Fig. 5). În acest caz, se spune că lichidul nu udă suprafața solidului. Când umectat complet θ = 0, cu complet non-umezire θ = 180 °.
Unghiurile de contact ale umezirii (1) și neumectare (2) lichide.
fenomene capilari numit ridicarea sau coborârea lichidului în tuburi cu diametru mic - capilare. Lichid umectant în creștere prin capilarele, non-umectare - jos.
Fig. 3.5.6 ilustrează tubul capilar cu raza r, capătul inferior al densității coborâte în umezirea fluid care p. Capătul superior al tubului capilar este deschis. Creșterea în fluid capilar continuă atâta timp cât forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din tubul capilar, devine egală cu modulo FH forțe de tensiune de suprafață rezultată care acționează de-a lungul suprafeței de contact de delimitare a lichidului capilar: = fm subsol nr. unde fm = mg = ρhπr 2 g, fn = σ2πr cos θ.
Când complet non-umezire θ = 180 °, cos θ = -1 și, prin urmare, h <0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Apa este aproape complet umezește suprafață de sticlă curată. In schimb, mercurul nu se umezește complet suprafața sticlei. Prin urmare, nivelul de mercur din tubul capilar de sticlă este coborât sub nivelul din vas.
concluzie
Datorită conservării volumului lichidului este capabil să formeze o suprafață liberă. O astfel de suprafață este o suprafață de separare de fază a substanței: pe de o parte este faza lichidă, pe de altă parte - gazoasă (vapori) și, eventual, alte gaze, cum ar fi aerul.
În cazul în care fazele lichidă și gazoasă ale aceleiași substanțe în contact, forțele care apar tind să reducă aria interfacială - forțele de tensiune de suprafață. interfața se comportă ca o membrană elastică care tinde să tragă împreună.
Tensiunea superficială poate fi explicată prin atracția dintre moleculele lichidului. Fiecare moleculă atrage alte molecule, încercând să „încercuiască“ ei le și apoi să scape de suprafață. Prin urmare, suprafața tinde să scadă.
Prin urmare, bule și bule tind în timpul fierberii pentru a lua o formă sferică: volumul acestei suprafețe are o minge minimă. Dacă există doar forțe de tensiune de suprafață lichidă, este necesar să ia o formă sferică - de exemplu, picături de apă în cădere liberă.
Obiectele mici cu o densitate mai mare decât densitatea lichidului, sunt în măsură să „plutească“ pe suprafața lichidului, din cauza forței de gravitatie mai mică decât forța care împiedică o creștere a ariei suprafeței.