مفهوم التوتر السطحي
التوتر السطحيتسمى الخاصية الديناميكية الحرارية للواجهة ، والتي تُعرَّف على أنها عمل التكوين الحراري القابل للانعكاس لوحدة مساحة هذا السطح. بالنسبة للسائل ، يعتبر التوتر السطحي بمثابة قوة تعمل لكل وحدة طول من محيط السطح وتميل إلى تقليل السطح إلى الحد الأدنى لأحجام طور معينة.
الزيت عبارة عن نظام مشتت للزيت يتكون من مرحلة مشتتة ووسط تشتت.
يحتوي سطح جسيم الطور المشتت (على سبيل المثال ، زميل من الأسفلتين ، وكرة مائية ، وما إلى ذلك) على بعض الطاقة السطحية الحرة الزائدة و س، بما يتناسب مع مساحة الواجهة س:
قيمة σ يمكن اعتباره ليس فقط طاقة سطحية محددة ، ولكن أيضًا كقوة مطبقة على طول وحدة من الكفاف الذي يحد من السطح ، موجهًا على طول هذا السطح بشكل عمودي على المحيط ويميل إلى تقليص هذا السطح أو تصغيره. هذه القوة تسمى التوتر السطحي.
يمكن تصور عمل التوتر السطحي كمجموعة من القوى التي تسحب حواف السطح إلى المركز.
يعكس طول كل سهم في المتجه حجم التوتر السطحي ، وتتوافق المسافة بينهما مع الوحدة المقبولة لطول محيط السطح. كبعد من أبعاد الكمية σ كلاهما [J / m 2] = 10 3 [erg / cm 2] و [N / m] = 10 3 [dyne / cm] مستخدمان بشكل متساوٍ.
نتيجة لتأثير قوى التوتر السطحي ، يميل السائل إلى تقليل سطحه ، وإذا كان تأثير جاذبية الأرض ضئيلًا ، يتخذ السائل شكل كرة ذات سطح أدنى لكل وحدة حجم.
يختلف التوتر السطحي باختلاف مجموعات الهيدروكربونات - الحد الأقصى للعطرية والأدنى للبارافيني. مع زيادة الوزن الجزيئي للهيدروكربونات ، فإنه يزداد.
تحتوي معظم المركبات غير المتجانسة ، التي لها خصائص قطبية ، على توتر سطحي أقل من الهيدروكربونات. هذا مهم للغاية ، لأن وجودهم يلعب دورًا مهمًا في تكوين مستحلبات الماء والنفط والغاز والنفط وفي العمليات اللاحقة لتدمير هذه المستحلبات.
العوامل التي تؤثر على التوتر السطحي
التوتر السطحي يعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة والضغط ، وكذلك على التركيب الكيميائيالسائل والمرحلة الملامسة له (غاز أو ماء).
مع زيادة درجة الحرارة ، ينخفض التوتر السطحي وعند درجة الحرارة الحرجة يكون صفرًا. مع زيادة الضغط ، ينخفض أيضًا التوتر السطحي في نظام الغاز والسائل.
يمكن إيجاد التوتر السطحي للمنتجات البترولية عن طريق الحساب باستخدام المعادلة:
إعادة الحساب σ من درجة حرارة واحدة T0إلى آخر تييمكن إجراؤها حسب النسبة:
قيم التوتر السطحي لبعض المواد.
تسمى المواد التي تقلل إضافتها إلى السائل من توترها السطحي السطحي(التوتر السطحي).
يعتمد التوتر السطحي للنفط والمنتجات النفطية على كمية المكونات النشطة السطحية الموجودة فيها (المواد الراتينجية ، والأحماض العضوية النافثينية وغيرها).
المنتجات البترولية ذات المحتوى المنخفض من المكونات النشطة السطحية لها أعلى قيمة للتوتر السطحي عند الحدود مع الماء ، ذات المحتوى العالي - الأصغر.
المنتجات البترولية المكررة جيدًا لها توتر سطحي مرتفع عند الواجهة مع الماء.
يتم تفسير الانخفاض في التوتر السطحي من خلال امتصاص المواد الخافضة للتوتر السطحي في الواجهة. مع زيادة تركيز المادة الخافضة للتوتر السطحي المضافة ، يتناقص التوتر السطحي للسائل أولاً بسرعة ثم يستقر ، مما يشير إلى التشبع الكامل للطبقة السطحية بجزيئات الفاعل بالسطح. المواد الخافضة للتوتر السطحي الطبيعية التي تغير التوتر السطحي للزيوت والمنتجات البترولية بشكل كبير هي الكحوليات والفينولات والراتنجات والأسفلتين والأحماض العضوية المختلفة.
ترتبط ظواهر الترطيب والشعيرات الدموية بالقوى السطحية عند السطح البيني بين المرحلتين الصلبة والسائلة ، والتي تستند إليها عمليات هجرة النفط في الخزانات ، وصعود الكيروسين والزيت على طول فتيل المصابيح والمزيتات ، وما إلى ذلك.
التحديد التجريبي للتوتر السطحي
يتم استخدام طرق مختلفة لتحديد التوتر السطحي للزيوت والمنتجات البترولية بشكل تجريبي.
تعتمد الطريقة الأولى (أ) على قياس القوة المطلوبة لفصل الحلقة عن السطح البيني بين مرحلتين. هذه القوة تتناسب مع ضعف قوة محيط الحلقة. باستخدام الطريقة الشعرية (ب) ، يتم قياس ارتفاع ارتفاع السائل في الأنبوب الشعري. عيبه هو اعتماد ارتفاع ارتفاع السائل ليس فقط على حجم التوتر السطحي ، ولكن أيضًا على طبيعة ترطيب جدران الشعيرات الدموية بواسطة السائل قيد الدراسة. الاختلاف الأكثر دقة في طريقة الشعيرات الدموية هو طريقة الإسقاط المعلق (ج) ، والتي تعتمد على قياس كتلة قطرة السائل المنفصلة عن الشعيرات الدموية. تتأثر نتائج القياس بكثافة السائل وحجم القطرة ولا تتأثر بزاوية ترطيب السائل على السطح الصلب. تتيح هذه الطريقة تحديد التوتر السطحي في أوعية الضغط.
الطريقة الأكثر شيوعًا وملاءمة لقياس التوتر السطحي هي طريقة الضغط الأعلى للفقاعات أو القطرات (r) ، والتي تفسر بساطة التصميم والدقة العالية واستقلالية التحديد عن الترطيب.
تعتمد هذه الطريقة على حقيقة أنه عندما يتم ضغط فقاعة هواء أو قطرة سائل من أنبوب شعري ضيق إلى سائل آخر ، فإن التوتر السطحي σ عند حدود السائل الذي يتم إطلاق القطرة فيه ، بما يتناسب مع أكبر ضغط ضروري لبثق الانخفاض.
التوتر السطحي يشرب الماء
معلمة مهمة لمياه الشرب هي التوتر السطحي. يحدد درجة الالتصاق بين جزيئات الماء وشكل سطح السائل ، كما يحدد درجة امتصاص الجسم للماء.
يعتمد مستوى تبخر السائل على مدى قوة ارتباط جزيئاته ببعضها البعض. كلما زادت قوة انجذاب الجزيئات لبعضها البعض ، قل السائل المتطاير. كلما انخفض التوتر السطحي للسائل ، زاد تطايره. الكحولات والمذيبات لها أدنى توتر سطحي. وهذا بدوره يحدد نشاطهم - القدرة على التفاعل مع المواد الأخرى.
بصريًا ، يمكن تمثيل التوتر السطحي على النحو التالي: إذا صببت الشاي ببطء في كوب حتى حافته ، فلن يفيض لبعض الوقت ، وفي الضوء المنقول يمكنك أن ترى أن طبقة رقيقة قد تشكلت فوق سطح السائل. مما يمنع الشاي من الانسكاب. يتضخم كما يتم ملؤه ، وفقط في "آخر قطرة" ، كما يقولون ، يتدفق السائل.
كلما زاد استخدام الماء "السائل" للشرب ، قلت الطاقة التي يحتاجها الجسم لكسر الروابط الجزيئية وتشبع الخلايا بالماء.
وحدة قياس التوتر السطحي هي داين / سم.
يحتوي ماء الصنبور على درجة من التوتر السطحي تصل إلى 73 داينًا / سم ، والسائل داخل وخارج الخلية يبلغ حوالي 43 داينًا / سم ، لذلك تحتاج الخلية إلى كمية كبيرة من الطاقة للتغلب على التوتر السطحي للماء.
من الناحية المجازية ، يكون الماء أكثر "سمكًا" و "سائلًا" أكثر. من المرغوب فيه أن يدخل المزيد من الماء "السائل" إلى الجسم ، فلن تضطر الخلايا إلى إنفاق طاقتها للتغلب على التوتر السطحي. يتوفر الماء ذو التوتر السطحي المنخفض أكثر من الناحية البيولوجية. من الأسهل الدخول في تفاعلات بين الجزيئات.
هل تساءلت يومًا لماذا ينظف الماء الساخن الأوساخ أفضل من الماء البارد؟ هذا لأنه مع ارتفاع درجة حرارة الماء ، ينخفض توتره السطحي. كلما انخفض التوتر السطحي للماء ، كان المذيب أفضل. يعتمد معامل التوتر السطحي على التركيب الكيميائي للسائل والوسط الذي يحده ودرجة الحرارة. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنخفض وتختفي عند درجة الحرارة الحرجة. اعتمادًا على قوة التفاعل بين جزيئات السائل وجزيئات المادة الصلبة الملامسة لها ، يمكن أن تبلل أو لا تبلل المادة الصلبة بالسائل في كلتا الحالتين ، يكون سطح السائل بالقرب من حدود المادة الصلبة منحنيًا.
يمكن خفض التوتر السطحي للماء ، على سبيل المثال ، عن طريق إضافة مواد نشطة بيولوجيا أو عن طريق تسخين السائل. كلما اقتربت قيمة التوتر السطحي للمياه التي تستخدمها للشرب من 43 داين / سم ، قلت الطاقة التي يمكن أن يمتصها جسمك.
لا أعرف من أين تحصل عليه الماء الصحيح ؟ سأطالب!
ملحوظة:
الضغط على الزر " أن تعرف»لا يترتب على ذلك أية مصاريف والتزامات مالية.
أنت فقط الحصول على معلومات حول مدى توفر المياه المناسبة في منطقتك,
و احصل على فرصة فريدة لتصبح عضوًا في نادي الأشخاص الأصحاء مجانًا
بالتنقيط ، بالتنقيط ... هنا قطرة أخرى مجمعة على فوهة الصنبور ، وتضخم وسقطت. هذه الصورة مألوفة لأي شخص. أو أمطار الصيف الدافئة تسقي الأرض التي تتوق إلى الرطوبة - وتنخفض مرة أخرى. لماذا قطرات؟ ما هو السبب هنا؟ الأمر بسيط للغاية: السبب في ذلك هو التوتر السطحي للماء.
إنها إحدى خصائص الماء أو بشكل عام جميع السوائل. كما تعلم ، يملأ الغاز الحجم الكامل الذي يدخل فيه ، لكن السائل لا يمكنه فعل ذلك. الجزيئات الموجودة داخل حجم الماء محاطة بنفس الجزيئات من جميع الجوانب. لكن تلك الموجودة على السطح ، عند حدود السائل والغاز ، لا تتأثر من جميع الجوانب ، ولكن فقط من تلك الجزيئات الموجودة داخل الحجم ، من جانب الغاز التي لا تتأثر.
في هذه الحالة ، ستؤثر قوة على سطح السائل ، موجهة على طوله بشكل عمودي على جزء السطح الذي يعمل عليه. نتيجة لهذه القوة ، ينشأ التوتر السطحي للماء. سيكون مظهره الخارجي هو تشكيل نوع من الفيلم المرن غير المرئي في الواجهة. بسبب تأثير التوتر السطحي ، ستتخذ قطرة ماء شكل كرة كجسم به أصغر مساحة لحجم معين.
يمكننا الآن تحديد أن التوتر السطحي هو عمل تغيير سطح السائل. من ناحية أخرى ، يمكن تعريفها على أنها الطاقة المطلوبة لكسر سطح الوحدة. التوتر السطحي ممكن عند السطح البيني بين السائل والغاز. يتم تحديده من خلال القوة المؤثرة بين الجزيئات ، وبالتالي فهو مسؤول عن التقلب (التبخر). كلما انخفض التوتر السطحي ، كلما كان السائل أكثر تقلبًا.
يمكنك تحديد ما يساوي. تتضمن معادلة حسابها مساحة السطح وكما ذكرنا سابقًا ، لا يعتمد المعامل على شكل وحجم السطح ، ولكن يتم تحديده من خلال قوة التفاعل بين الجزيئات ، أي نوع السائل. بالنسبة للسوائل المختلفة ، ستكون قيمتها مختلفة.
يمكن تغيير التوتر السطحي للماء. يتم تحقيق ذلك عن طريق التسخين وإضافة المواد النشطة بيولوجيًا - مثل الصابون والمسحوق والمعجون. تعتمد قيمتها على درجة نقاء الماء. كلما كان الماء أكثر نقاءً ، زاد التوتر السطحي ، وفي قيمته يأتي في المرتبة الثانية بعد الزئبق.
لوحظ تأثير غريب عندما يتلامس السائل مع كل من مادة صلبة وغازية. إذا وضعنا قطرة ماء على سطح البارافين ، فستأخذ شكل كرة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن القوى المؤثرة بين البارافين والسقوط أقل من التفاعل فيما بينها ، ونتيجة لذلك تظهر الكرة. عندما تكون القوى المؤثرة بين السطح والسقوط أكبر من قوى التفاعل بين الجزيئات ، سينتشر الماء بالتساوي على السطح. هذه الظاهرة تسمى الترطيب.
يمكن أن يميز تأثير قابلية البلل إلى حد ما درجة نظافة السطح. على سطح نظيف ، تنتشر القطرة بالتساوي ، وإذا كان السطح ملوثًا أو مغطى بمادة غير مبللة بالماء ، فإن الأخيرة تتجمع في كرات.
مثال على استخدام التوتر السطحي في الصناعة هو صب الأجزاء الكروية ، مثل بندقية الصيد. تتجمد قطرات المعدن المنصهر ببساطة أثناء الطيران ، وتتخذ شكلاً كرويًا.
يعد التوتر السطحي للماء ، مثل أي سائل آخر ، أحد عوامله المهمة. يحدد بعض خصائص السائل - مثل التقلب (التقلب) وقابلية البلل. تعتمد قيمته فقط على معلمات التفاعل بين الجزيئات.
تمنع قوى الجذب بين الجزيئات الموجودة على سطح السائل من تجاوزه.
إن جزيئات تجربة السائل قوى الجذب المتبادل - في الواقع ، هذا هو السبب في أن السائل لا يتبخر على الفور. تعمل القوى الجاذبة للجزيئات الأخرى على الجزيئات داخل السائل من جميع الجوانب وبالتالي توازن بعضها البعض. الجزيئات الموجودة على سطح السائل ليس لها جيران خارجيون ، ويتم توجيه القوة الجذابة الناتجة داخل السائل. نتيجة لذلك ، يميل سطح الماء بالكامل إلى الانكماش تحت تأثير هذه القوى. يؤدي هذا التأثير معًا إلى تكوين ما يسمى بقوة التوتر السطحي ، والتي تعمل على طول سطح السائل وتؤدي إلى تكوين نوع من الفيلم غير المرئي والرقيق والمرن عليه.
إحدى نتائج تأثير التوتر السطحي هي أنه من أجل زيادة مساحة سطح سائل - شده - يجب القيام بعمل ميكانيكي للتغلب على قوى التوتر السطحي. لذلك ، إذا تُرك السائل بمفرده ، فإنه يميل إلى اتخاذ شكل تكون فيه مساحة سطحه ضئيلة. هذا الشكل ، بالطبع ، هو كرة - وهذا هو السبب في أن قطرات المطر أثناء الطيران تأخذ شكلًا كرويًا تقريبًا (أقول "تقريبًا" لأن القطرات ممدودة قليلاً أثناء الطيران بسبب مقاومة الهواء). وللسبب نفسه ، تتجمع قطرات الماء على جسم السيارة المغطاة بالشمع الطازج في حبيبات.
تُستخدم قوى التوتر السطحي في الصناعة - على وجه الخصوص ، في صب الأشكال الكروية ، مثل طلقات البندقية. يُسمح ببساطة لقطرات المعدن المنصهر بالتصلب أثناء الطيران عند السقوط من ارتفاع كافٍ للقيام بذلك ، وتصلب نفسها في كرات قبل الوقوع في حاوية استقبال.
هناك العديد من الأمثلة على قوى التوتر السطحي في العمل من حياتنا اليومية. تحت تأثير الرياح ، تتشكل تموجات على سطح المحيطات والبحار والبحيرات ، وهذه التموجات عبارة عن موجات يتم فيها موازنة القوة الصاعدة لضغط الماء الداخلي بالقوة الهابطة للتوتر السطحي. تتناوب هاتان القوتان ، وتتشكل التموجات على الماء ، تمامًا كما تتشكل الموجة في وتر الآلة الموسيقية بسبب التمدد والضغط بالتناوب.
يعتمد ما إذا كان السائل سيتجمع في "حبيبات" أو ينتشر بالتساوي على سطح صلب على نسبة قوى التفاعل بين الجزيئات في السائل ، مما يسبب التوتر السطحي ، وقوى التجاذب بين جزيئات السائل والسطح الصلب. في الماء السائل ، على سبيل المثال ، ترجع قوى التوتر السطحي إلى الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات ( سم.روابط كيميائية). سطح الزجاج مبلل بالماء ، لأن الزجاج يحتوي على عدد كبير بما فيه الكفاية من ذرات الأكسجين ، ويشكل الماء بسهولة روابط هيدروجينية ليس فقط مع جزيئات الماء الأخرى ، ولكن أيضًا مع ذرات الأكسجين. إذا تم وضع شحم على سطح الزجاج ، فلن تتشكل روابط الهيدروجين مع السطح ، وسيتجمع الماء في قطرات تحت تأثير روابط الهيدروجين الداخلية ، والتي تحدد التوتر السطحي.
في الصناعة الكيميائية ، غالبًا ما تضاف عوامل ترطيب خاصة إلى الماء - السطحي، - منع تجمع المياه في شكل قطرات على أي سطح. يتم إضافتها ، على سبيل المثال ، إلى المنظفات السائلة لغسالات الأطباق. عند الوصول إلى الطبقة السطحية من الماء ، فإن جزيئات هذه الكواشف تضعف بشكل ملحوظ قوى التوتر السطحي ، ولا يتجمع الماء في قطرات ولا يترك بقعًا قذرة على السطح بعد التجفيف ( سم.
أكثر الخصائص المميزة للسائل ، والتي تميزه عن الغاز ، هي أنه عند حدود الغاز ، يشكل السائل سطحًا حرًا ، يؤدي وجوده إلى ظهور نوع خاص من الظواهر تسمى السطح. تدين بمظهرها للظروف الفيزيائية الخاصة التي توجد فيها الجزيئات بالقرب من السطح الحر.
تؤثر قوى الجذب على كل جزيء سائل من الجزيئات المحيطة به ، وتقع على مسافة حوالي 10-9 أمتار منه (نصف قطر التأثير الجزيئي). لكل جزيء م 1 الموجود داخل السائل (الشكل 1) ، تعمل قوى من نفس الجزيئات ، وتكون نتيجة هذه القوى قريبة من الصفر.
للجزيئات م 2 القوى الناتجة غير صفرية ويتم توجيهها داخل السائل ، عمودية على سطحه. وبالتالي ، يتم سحب جميع الجزيئات السائلة الموجودة في الطبقة السطحية إلى السائل. لكن الفراغ داخل السائل تشغله جزيئات أخرى الطبقة السطحية تخلق ضغطًا على السائل (الضغط الجزيئي).
لتحريك الجزيء م 3 ـ تقع مباشرة تحت الطبقة السطحية ، على السطح ، من الضروري القيام بعمل ضد قوى الضغط الجزيئي. لذلك ، فإن جزيئات الطبقة السطحية للسائل لها طاقة كامنة إضافية مقارنة بالجزيئات الموجودة داخل السائل. هذه الطاقة تسمى الطاقة السطحية.
من الواضح أنه كلما زادت مساحة السطح الحرة ، زادت طاقة السطح. دع مساحة السطح الحرة تتغير بمقدار Δ سبينما تغيرت طاقة السطح بمقدار \ (~ \ Delta W_p = \ sigma \ cdot \ Delta S \) ، حيث σ هو معامل التوتر السطحي. لأنه من أجل هذا التغيير فمن الضروري القيام بعمل
\ (~ A = \ Delta W_p، \) ثم \ (~ A = \ sigma \ cdot \ Delta S. \)
ومن هنا \ (~ \ سيجما = \ dfrac (A) (\ Delta S) \).
وحدة SI للتوتر السطحي هي الجول لكل متر مربع(ي / م 2).
- قيمة مساوية عدديًا للعمل الذي تقوم به القوى الجزيئية عندما تتغير مساحة السطح الحر للسائل بمقدار 1 م 2 عند درجة حرارة ثابتة.
نظرًا لأن أي نظام ، يُترك لنفسه ، يميل إلى اتخاذ موقف تكون فيه طاقته الكامنة هي الأصغر ، يُظهر السائل ميلًا لتقليل السطح الحر. تتصرف الطبقة السطحية للسائل مثل فيلم مطاطي ممتد ، أي يميل دائمًا إلى تقليل مساحة سطحه إلى الأبعاد الدنياممكن لحجم معين.
على سبيل المثال ، قطرة سائل في حالة انعدام الوزن لها شكل كروي.
التوتر السطحي
يمكن تفسير خاصية تقلص سطح السائل على أنها وجود قوى تميل إلى تقصير هذا السطح. مركب م 1 (الشكل 2) ، الموجود على سطح السائل ، لا يتفاعل فقط مع الجزيئات الموجودة داخل السائل ، ولكن أيضًا مع الجزيئات الموجودة على سطح السائل ، والموجودة داخل مجال التأثير الجزيئي. لجزيء م 1 الناتج \ (~ \ vec R \) من القوى الجزيئية الموجهة على طول السطح الحر للسائل يساوي صفرًا ، وبالنسبة للجزيء م 2 يقع على حدود سطح السائل ، \ (~ \ vec R \ ne 0 \) و \ (~ \ vec R \) موجهة على طول الخط الطبيعي إلى حدود السطح الحر وعرضيًا على سطح السائل نفسه.
ناتج القوى المؤثرة على جميع الجزيئات الموجودة على حدود السطح الحر هي القوة التوتر السطحي. بشكل عام ، يعمل بطريقة تميل إلى تقليل سطح السائل.
يمكن افتراض أن قوة التوتر السطحي \ (~ \ vec F \) تتناسب طرديًا مع الطول لحدود الطبقة السطحية للسائل ، لأنه في جميع أجزاء الطبقة السطحية للسائل تكون الجزيئات في نفس الظروف:
\ (~ F \ sim l. \)
في الواقع ، ضع في اعتبارك إطارًا مستطيلًا رأسيًا (الشكل 3 ، أ ، ب) ، يكون جانبه المتحرك متوازنًا. بعد إزالة الإطار من محلول فيلم الصابون ، يتحرك الجزء المتحرك من الموضع 1 في الموقف 2 . مع الأخذ في الاعتبار أن الفيلم عبارة عن طبقة رقيقة من السائل وله سطحان حريان ، نجد الشغل المنجز عند تحريك العارضة لمسافة ح = أ 1 ⋅ أ 2: أ = 2فوه، أين F- القوة المؤثرة على الإطار من جانب كل طبقة سطحية. من ناحية أخرى ، \ (~ A = \ sigma \ cdot \ Delta S = \ sigma \ cdot 2l \ cdot h \).
لذلك ، \ (~ 2F \ cdot h = \ sigma \ cdot 2l \ cdot h \ Rightarrow F = \ sigma \ cdot l \) ، من أين \ (~ \ sigma = \ dfrac Fl \).
وفقًا لهذه الصيغة ، فإن وحدة SI للتوتر السطحي هي نيوتن لكل متر (N / m).
معامل التوتر السطحيσ يساوي عدديًا قوة التوتر السطحي المؤثرة لكل وحدة طول لحد السطح الحر للسائل. يعتمد معامل التوتر السطحي على طبيعة السائل ودرجة الحرارة ووجود الشوائب. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنخفض.
- عند درجة الحرارة الحرجة ، عندما يختفي التمييز بين السائل والبخار ، σ = 0.
تقلل الشوائب بشكل عام (تزيد بعض الشيء) من معامل التوتر السطحي.
وهكذا ، فإن الطبقة السطحية للسائل هي ، كما كانت ، غشاء مطاطي مرن يغطي السائل بأكمله ويميل إلى تجميعه في "قطرة" واحدة. مثل هذا النموذج (فيلم مطاطي مرن) يجعل من الممكن تحديد اتجاه قوى التوتر السطحي. على سبيل المثال ، إذا تمدد فيلم تحت تأثير قوى خارجية ، فسيتم توجيه قوة التوتر السطحي على طول سطح السائل ضد التمدد. ومع ذلك ، فإن هذه الحالة تختلف اختلافًا كبيرًا عن توتر الفيلم المطاطي المرن. يتم شد الفيلم المرن عن طريق زيادة المسافة بين الجزيئات ، بينما تزداد قوة الشد ، أثناء شد الفيلم السائل ، لا تتغير المسافة بين الجسيمات ، وتتحقق الزيادة في السطح نتيجة انتقال الجزيئات من السائل إلى الطبقة السطحية. لذلك ، مع زيادة سطح السائل ، لا تتغير قوة التوتر السطحي (لا تعتمد على مساحة السطح).
أنظر أيضا
- Kikoin A.K. على قوى التوتر السطحي // Kvant. - 1983. - رقم 12. - س 27-28
ترطيب
في حالة التلامس مع جسم صلب ، قوى التصاق الجزيئات السائلة بالجزيئات جسم صلبابدا اللعب الدور الأساسي. سيعتمد سلوك السائل على أيهما أكبر: الالتصاق بين جزيئات السائل أو التصاق جزيئات السائل بجزيئات المادة الصلبة.
ترطيب- ظاهرة تحدث نتيجة تفاعل الجزيئات السائلة مع الجزيئات الصلبة. إذا كانت قوى الجذب بين جزيئات السائل والصلب أكبر من قوى الجذب بين جزيئات السائل ، فإن السائل يسمى ترطيب؛ إذا كانت قوى الجذب للسائل والصلب أقل من قوى الجذب بين جزيئات السائل ، فإن السائل يسمى غير مبللهذا الجسم.
يمكن أن يكون السائل نفسه مبللاً وغير مبلل فيما يتعلق بأجسام مختلفة. لذلك ، فإن الماء يبلل الزجاج ولا يبلل سطحًا دهنيًا ، والزئبق لا يبلل الزجاج ، ولكنه يبلل النحاس.
يؤثر ترطيب أو عدم ترطيب جدران الوعاء الذي يوجد فيه بسائل على شكل السطح الحر للسائل في الوعاء. إذا تم سكب كمية كبيرة من السائل في وعاء ، فسيتم تحديد شكل سطحه من خلال قوة الجاذبية ، والتي توفر سطحًا مسطحًا وأفقيًا. ومع ذلك ، بالقرب من الجدران ، تؤدي ظاهرة الترطيب وعدم التبول إلى انحناء سطح السائل ، وهو ما يسمى آثار الحافة.
السمة الكمية لتأثيرات الحافة هي زاوية الأتصالθ هي الزاوية بين المستوى المماس لسطح السائل وسطح المادة الصلبة. يوجد دائمًا سائل داخل زاوية التلامس (الشكل 4 ، أ ، ب). عندما يبلل ، سيكون حادًا (الشكل 4 ، أ) ، وعندما لا يكون مبللاً ، سيكون حادًا (الشكل 4 ، ب). في مقرر الفيزياء المدرسية ، يُؤخذ في الاعتبار الترطيب الكامل (θ = 0º) أو عدم الترطيب الكامل (θ = 180º).
تعطي القوى المرتبطة بوجود التوتر السطحي والموجهة بشكل عرضي إلى سطح السائل ، في حالة السطح المحدب ، القوة الناتجة الموجهة داخل السائل (الشكل 5 ، أ). في حالة السطح المقعر ، يتم توجيه القوة الناتجة ، على العكس من ذلك ، نحو الغاز المجاور للسائل (الشكل 5 ، ب).
إذا كان سائل الترطيب على السطح المفتوح لجسم صلب (الشكل 6 ، أ) ، فإنه ينتشر فوق هذا السطح. إذا كان هناك سائل غير مبلل على السطح المفتوح لجسم صلب ، فإنه يأخذ شكلاً قريبًا من الشكل الكروي (الشكل 6 ، ب).
التبول مهم في الحياة اليومية وفي الصناعة. يعد الترطيب الجيد ضروريًا عند الصباغة ، والغسيل ، ومعالجة مواد التصوير ، وتطبيق الطلاء والطلاء بالورنيش ، وعند لصق المواد ، وعند اللحام ، في عمليات التعويم (إثراء الخامات بالصخور القيمة). على العكس من ذلك ، عند إنشاء أجهزة مانعة لتسرب المياه ، هناك حاجة إلى مواد غير مبللة بالماء.
الظواهر الشعرية
يظهر انحناء سطح السائل عند حواف الوعاء بشكل واضح بشكل خاص في الأنابيب الضيقة ، حيث يكون السطح الحر الكامل للسائل منحنيًا. في الأنابيب ذات المقطع العرضي الضيق ، يكون هذا السطح جزءًا من كرة ، كما يطلق عليه الغضروف المفصلي. يحتوي السائل المبلل على هلالة مقعرة (الشكل 7 ، أ) ، بينما يحتوي السائل غير المبلل على هلالة محدبة (الشكل 7 ، ب). لأن مساحة سطح الغضروف المفصلي أكبر من المساحة المقطع العرضيالأنبوب ، ثم تحت تأثير القوى الجزيئية ، يميل السطح المنحني للسائل إلى الاستقامة.
قوى التوتر السطحي تخلق إضافي (لابلاسيان)الضغط تحت سطح سائل منحني.
إذا كان سطح السائل مقعر، ثم يتم توجيه قوة التوتر السطحي خارج السائل (الشكل 8 ، أ) ، ويكون الضغط تحت السطح المقعر للسائل أقل من الضغط تحت السطح المسطح بمقدار \ (~ p = \ dfrac (2 \ sigma) (ص) \). إذا كان سطح السائل محدب، ثم يتم توجيه قوة التوتر السطحي داخل السائل (الشكل 8 ، ب) ، ويكون الضغط تحت السطح المحدب للسائل أكبر منه تحت السطح المسطح بنفس القيمة.
أرز. 8 - هذه الصيغة هي حالة خاصة لصيغة لابلاس ، والتي تحدد الضغط الزائد لسطح سائل عشوائي ذي انحناء مزدوج:
أين ص 1 و ص 2 - نصف قطر انحناء أي قسمين متعامدين بشكل متبادل من سطح السائل. يكون نصف قطر الانحناء موجبًا إذا كان مركز الانحناء للقسم المقابل داخل السائل ، وسالب إذا كان مركز الانحناء خارج السائل. لسطح أسطواني ( ص 1 = ل; ص 2 = ∞) الضغط الزائد \ (~ p = \ dfrac (\ سيجما) (R) \).
إذا وضعنا أنبوبًا ضيقًا ( شعري) عند أحد طرفيه في سائل يُسكب في وعاء عريض ، ثم نظرًا لوجود قوة ضغط لابلاسيان ، يرتفع السائل الموجود في الشعيرات الدموية (إذا كان السائل يبلل) أو ينخفض (إذا كان السائل لا يبلل) (الشكل. 9 ، أ ، ب) ، لأنه لا يوجد ضغط زائد تحت السطح المسطح للسائل في وعاء عريض.
تسمى ظاهرة التغير في ارتفاع مستوى السائل في الشعيرات الدموية مقارنة بمستوى السائل في الأوعية العريضة الظواهر الشعرية.
يرتفع السائل الموجود في الشعيرات الدموية أو ينخفض إلى هذا الارتفاع ح، حيث يتم موازنة قوة الضغط الهيدروستاتيكي لعمود السائل بواسطة قوة الضغط الزائد ، أي
\ (~ \ dfrac (2 \ سيغما) (R) = \ rho \ cdot g \ cdot h. \)
من أين \ (~ h = \ dfrac (2 \ sigma) (\ rho \ cdot g \ cdot R) \). إذا لم يكتمل الترطيب θ ≠ 0 (θ ≠ 180 درجة) ، إذن ، كما تظهر الحسابات ، \ (~ h = \ dfrac (2 \ sigma) (\ rho \ cdot g \ cdot R) \ cdot \ cos \ theta \).
الظواهر الشعرية شائعة جدا. ارتفاع المياه في التربة ، نظام الأوعية الدمويةفي الرئتين نظام الجذرفي النباتات ، الفتيل والورق النشاف عبارة عن أنظمة شعيرية.
الأدب
- Aksenovich L. A. الفيزياء في المدرسة الثانوية: نظرية. مهام. الاختبارات: Proc. بدل للمؤسسات التي تقدم خدمات عامة. البيئات ، التعليم / L. A. Aksenovich، N.N. Rakina، K. S. Farino؛ إد. K. S. Farino. - مينيسوتا: Adukatsia i vykhavanne، 2004. - C. - 178-184.