Das Konzept der Oberflächenspannung
Oberflächenspannung wird als thermodynamische Eigenschaft der Grenzfläche bezeichnet, definiert als die Arbeit der reversiblen isothermen Bildung einer Flächeneinheit dieser Oberfläche. Bei einer Flüssigkeit wird die Oberflächenspannung als eine Kraft betrachtet, die pro Längeneinheit der Oberflächenkontur wirkt und bei gegebenen Phasenvolumina dazu neigt, die Oberfläche auf ein Minimum zu reduzieren.
Öl ist ein öldisperses System, das aus einer dispergierten Phase und einem Dispersionsmedium besteht.
Die Oberfläche eines Partikels einer dispergierten Phase (z. B. eines Asphaltenassoziierten, einer Wasserkügelchen usw.) weist eine gewisse überschüssige freie Oberflächenenergie auf F s, proportional zur Fläche der Schnittstelle S:
Wert σ kann nicht nur als spezifische Oberflächenenergie betrachtet werden, sondern auch als eine Kraft, die auf eine Längeneinheit der die Oberfläche begrenzenden Kontur wirkt, entlang dieser Oberfläche senkrecht zur Kontur gerichtet ist und dazu neigt, diese Oberfläche zu verkleinern oder zu verkleinern. Diese Kraft heißt Oberflächenspannung.
Die Wirkung der Oberflächenspannung kann als eine Reihe von Kräften dargestellt werden, die die Kanten der Oberfläche zur Mitte ziehen.
Die Länge jedes Pfeils des Vektors spiegelt die Größe der Oberflächenspannung wider, und der Abstand zwischen ihnen entspricht der akzeptierten Längeneinheit der Oberflächenkontur. Als Quantitätsdimension σ Sowohl [J/m 2 ] = 10 3 [erg/cm 2 ] als auch [N/m] = 10 3 [dyne/cm] werden gleichermaßen verwendet.
Durch die Einwirkung von Oberflächenspannungskräften neigt die Flüssigkeit dazu, ihre Oberfläche zu verringern, und wenn der Einfluss der Erdschwerkraft unbedeutend ist, nimmt die Flüssigkeit die Form einer Kugel mit einer minimalen Oberfläche pro Volumeneinheit an.
Die Oberflächenspannung ist für verschiedene Gruppen von Kohlenwasserstoffen unterschiedlich – maximal für Aromaten und minimal für Paraffin. Mit zunehmendem Molekulargewicht von Kohlenwasserstoffen nimmt es zu.
Die meisten heteroatomaren Verbindungen mit polaren Eigenschaften haben eine niedrigere Oberflächenspannung als Kohlenwasserstoffe. Dies ist sehr wichtig, da ihre Anwesenheit eine wesentliche Rolle bei der Bildung von Wasser-Öl- und Gas-Öl-Emulsionen und bei den nachfolgenden Prozessen der Zerstörung dieser Emulsionen spielt.
Parameter, die die Oberflächenspannung beeinflussen
Die Oberflächenspannung hängt stark von Temperatur und Druck sowie von ab chemische Zusammensetzung Flüssigkeit und die damit in Kontakt stehende Phase (Gas oder Wasser).
Mit zunehmender Temperatur nimmt die Oberflächenspannung ab und ist bei der kritischen Temperatur gleich Null. Mit steigendem Druck nimmt auch die Oberflächenspannung im Gas-Flüssigkeitssystem ab.
Die Oberflächenspannung von Erdölprodukten kann durch Berechnung mit der Gleichung ermittelt werden:
Neuberechnung σ von einer Temperatur T0 zum anderen T kann nach dem Verhältnis durchgeführt werden:
Oberflächenspannungswerte für einige Stoffe.
Als Stoffe werden Stoffe bezeichnet, deren Zugabe zu einer Flüssigkeit deren Oberflächenspannung verringert Tenside(Tensid).
Die Oberflächenspannung von Ölen und Ölprodukten hängt von der Menge der darin enthaltenen oberflächenaktiven Komponenten (Harzstoffe, naphthenische und andere organische Säuren usw.) ab.
Erdölprodukte mit einem geringen Gehalt an oberflächenaktiven Bestandteilen haben an der Grenze zum Wasser den höchsten Wert der Oberflächenspannung, bei einem hohen Gehalt den kleinsten.
Gut raffinierte Erdölprodukte weisen an der Grenzfläche zu Wasser eine hohe Oberflächenspannung auf.
Die Abnahme der Oberflächenspannung wird durch die Adsorption von Tensiden an der Grenzfläche erklärt. Mit zunehmender Konzentration des zugesetzten Tensids nimmt die Oberflächenspannung der Flüssigkeit zunächst schnell ab und stabilisiert sich dann, was auf die vollständige Sättigung der Oberflächenschicht mit Tensidmolekülen hinweist. Natürliche Tenside, die die Oberflächenspannung von Ölen und Erdölprodukten dramatisch verändern, sind Alkohole, Phenole, Harze, Asphaltene und verschiedene organische Säuren.
Benetzungs- und Kapillarphänomene sind mit Oberflächenkräften an der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger Phase verbunden, auf denen die Prozesse der Ölmigration in Lagerstätten, das Aufsteigen von Kerosin und Öl entlang der Dochte von Lampen und Ölern usw. basieren.
Experimentelle Bestimmung der Oberflächenspannung
Zur experimentellen Bestimmung der Oberflächenspannung von Ölen und Erdölprodukten werden verschiedene Methoden eingesetzt.
Die erste Methode (a) basiert auf der Messung der Kraft, die erforderlich ist, um den Ring von der Grenzfläche zwischen zwei Phasen zu trennen. Diese Kraft ist proportional zur doppelten Kraft des Ringumfangs. Bei der Kapillarmethode (b) wird die Steighöhe der Flüssigkeit im Kapillarrohr gemessen. Sein Nachteil ist die Abhängigkeit der Höhe des Flüssigkeitsanstiegs nicht nur von der Größe der Oberflächenspannung, sondern auch von der Art der Benetzung der Kapillarwände durch die untersuchte Flüssigkeit. Eine genauere Variante der Kapillarmethode ist die Methode des hängenden Tropfens (c), die auf der Messung der Masse eines von einer Kapillare gelösten Flüssigkeitstropfens basiert. Die Messergebnisse werden durch die Dichte der Flüssigkeit und die Größe des Tropfens beeinflusst und werden nicht durch den Benetzungswinkel der Flüssigkeit auf der festen Oberfläche beeinflusst. Mit dieser Methode lässt sich die Oberflächenspannung in Druckbehältern bestimmen.
Die gebräuchlichste und bequemste Methode zur Messung der Oberflächenspannung ist die Methode des höchsten Blasen- oder Tropfendrucks (r), was durch die Einfachheit des Designs, die hohe Genauigkeit und die Unabhängigkeit der Bestimmung von der Benetzung erklärt wird.
Diese Methode basiert auf der Tatsache, dass die Oberflächenspannung steigt, wenn eine Luftblase oder ein Flüssigkeitstropfen aus einer engen Kapillare in eine andere Flüssigkeit gedrückt wird σ an der Grenze zur Flüssigkeit, in die der Tropfen abgegeben wird, im Verhältnis zum größten Druck, der zum Extrudieren des Tropfens erforderlich ist.
Oberflächenspannung Wasser trinken
Ein wichtiger Parameter von Trinkwasser ist die Oberflächenspannung. Es bestimmt den Grad der Adhäsion zwischen Wassermolekülen und der Form der Flüssigkeitsoberfläche sowie den Grad der Wasseraufnahme durch den Körper.
Der Grad der Verdunstung einer Flüssigkeit hängt davon ab, wie stark ihre Moleküle miteinander verbunden sind. Je stärker die Moleküle voneinander angezogen werden, desto weniger flüchtig ist die Flüssigkeit. Je niedriger die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit ist, desto flüchtiger ist sie. Alkohole und Lösungsmittel haben die niedrigste Oberflächenspannung. Dies wiederum bestimmt ihre Aktivität – die Fähigkeit, mit anderen Substanzen zu interagieren.
Optisch lässt sich die Oberflächenspannung wie folgt darstellen: Wenn man Tee langsam bis zum Rand in eine Tasse gießt, läuft dieser einige Zeit nicht über und im Durchlicht sieht man, dass sich über der Flüssigkeitsoberfläche ein dünner Film gebildet hat , wodurch verhindert wird, dass der Tee ausläuft. Beim Nachfüllen quillt es auf und erst beim „letzten Tropfen“, wie man sagt, läuft die Flüssigkeit über.
Je mehr „flüssiges“ Wasser zum Trinken verwendet wird, desto weniger Energie benötigt der Körper, um molekulare Bindungen aufzubrechen und die Zellen mit Wasser zu sättigen.
Die Maßeinheit für die Oberflächenspannung ist Dyn/cm.
Leitungswasser hat eine Oberflächenspannung von bis zu 73 Dyn/cm und intra- und extrazelluläre Flüssigkeit von etwa 43 Dyn/cm, sodass die Zelle viel Energie benötigt, um die Oberflächenspannung von Wasser zu überwinden.
Im übertragenen Sinne ist Wasser „dicker“ und „flüssiger“. Es ist wünschenswert, dass mehr „flüssiges“ Wasser in den Körper gelangt, damit die Zellen keine Energie für die Überwindung der Oberflächenspannung aufwenden müssen. Wasser mit niedriger Oberflächenspannung ist biologisch besser verfügbar. Es ist einfacher, intermolekulare Wechselwirkungen einzugehen.
Haben Sie sich jemals gefragt, warum heißes Wasser Schmutz besser reinigt als kaltes Wasser? Dies liegt daran, dass mit steigender Temperatur des Wassers seine Oberflächenspannung abnimmt. Je niedriger die Oberflächenspannung von Wasser ist, desto besser ist es als Lösungsmittel. Der Oberflächenspannungskoeffizient hängt von der chemischen Zusammensetzung der Flüssigkeit, dem Medium, an das sie grenzt, und der Temperatur ab. Mit steigender Temperatur nimmt sie ab und verschwindet bei der kritischen Temperatur. Abhängig von der Wechselwirkungskraft zwischen den Molekülen der Flüssigkeit und den damit in Kontakt stehenden Partikeln des Feststoffs ist es möglich, den Feststoff mit der Flüssigkeit zu benetzen oder nicht In beiden Fällen ist die Oberfläche der Flüssigkeit nahe der Grenze zum Festkörper gekrümmt.
Die Oberflächenspannung von Wasser kann beispielsweise durch Zugabe biologisch aktiver Substanzen oder durch Erhitzen der Flüssigkeit gesenkt werden. Je näher der Wert der Oberflächenspannung des Wassers, das Sie zum Trinken verwenden, an 43 dyn/cm liegt, desto weniger Energie kann Ihr Körper aufnehmen.
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Tropfen, Tropfen ... Hier sammelte sich ein weiterer Tropfen am Auslauf des Wasserhahns, schwoll an und fiel herunter. Dieses Bild ist jedem bekannt. Oder ein warmer Sommerregen bewässert die Erde sehnsüchtig nach Feuchtigkeit – und tropft wieder. Warum Tropfen? Was ist hier der Grund? Es ist ganz einfach: Der Grund dafür ist die Oberflächenspannung des Wassers.
Es ist eine der Eigenschaften von Wasser oder allgemeiner von allen Flüssigkeiten. Wie Sie wissen, füllt das Gas das gesamte Volumen aus, in das es eintritt, die Flüssigkeit kann dies jedoch nicht. Moleküle innerhalb des Wasservolumens sind auf allen Seiten von den gleichen Molekülen umgeben. Aber diejenigen an der Oberfläche, an der Grenze von Flüssigkeit und Gas, werden nicht von allen Seiten beeinflusst, sondern nur von den Molekülen, die sich innerhalb des Volumens befinden, von der Seite des Gases werden sie nicht beeinflusst.
In diesem Fall wirkt auf die Flüssigkeitsoberfläche eine Kraft, die senkrecht zu dem Teil der Oberfläche, auf den sie einwirkt, entlang dieser gerichtet ist. Durch diese Kraft entsteht die Oberflächenspannung des Wassers. Seine äußere Erscheinung wird die Bildung einer Art unsichtbarer, elastischer Film an der Grenzfläche sein. Aufgrund der Wirkung der Oberflächenspannung nimmt ein Wassertropfen die Form einer Kugel an, also eines Körpers mit der kleinsten Fläche bei gegebenem Volumen.
Jetzt können wir definieren, dass die Oberflächenspannung die Arbeit ist, die die Oberfläche der Flüssigkeit verändert. Andererseits kann sie als die Energie definiert werden, die erforderlich ist, um eine Einheitsfläche zu durchbrechen. An der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas ist Oberflächenspannung möglich. Sie wird durch die zwischen den Molekülen wirkende Kraft bestimmt und ist daher für die Flüchtigkeit (Verdunstung) verantwortlich. Je niedriger die Oberflächenspannung, desto flüchtiger ist die Flüssigkeit.
Sie können bestimmen, was gleich ist. Die Formel für seine Berechnung umfasst die Oberfläche und Wie bereits erwähnt, hängt der Koeffizient nicht von der Form und Größe der Oberfläche ab, sondern wird durch die Stärke der intermolekularen Wechselwirkung bestimmt, d. h. flüssiger Typ. Bei verschiedenen Flüssigkeiten ist der Wert unterschiedlich.
Die Oberflächenspannung von Wasser kann verändert werden. Dies wird durch Erhitzen und Zugabe biologisch aktiver Substanzen – wie Seife, Pulver, Paste – erreicht. Sein Wert hängt vom Reinheitsgrad des Wassers ab. Je reiner das Wasser ist, desto größer ist die Oberflächenspannung, und in seinem Wert ist es nach Quecksilber an zweiter Stelle.
Ein merkwürdiger Effekt wird beobachtet, wenn eine Flüssigkeit sowohl mit einem Feststoff als auch mit einem Gas in Kontakt kommt. Wenn wir einen Tropfen Wasser auf die Oberfläche des Paraffins geben, nimmt es die Form einer Kugel an. Dies liegt daran, dass die Kräfte, die zwischen dem Paraffin und dem Tropfen wirken, geringer sind als die Wechselwirkung zwischen ihnen, wodurch eine Kugel entsteht. Wenn die zwischen der Oberfläche und dem Tropfen wirkenden Kräfte größer sind als die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung, verteilt sich das Wasser gleichmäßig über die Oberfläche. Dieses Phänomen nennt man Benetzung.
Der Benetzbarkeitseffekt kann bis zu einem gewissen Grad den Grad der Oberflächenreinheit charakterisieren. Auf einer sauberen Oberfläche verteilt sich der Tropfen gleichmäßig, und wenn die Oberfläche verunreinigt oder mit einer Substanz bedeckt ist, die nicht von Wasser benetzt wird, sammelt sich diese zu Kugeln.
Ein Beispiel für die Nutzung der Oberflächenspannung in der Industrie ist das Gießen kugelförmiger Teile, beispielsweise von Schrotkugeln. Tropfen aus geschmolzenem Metall erstarren einfach im Flug und nehmen eine Kugelform an.
Die Oberflächenspannung von Wasser ist wie bei jeder anderen Flüssigkeit einer seiner wichtigen Parameter. Es bestimmt einige Eigenschaften der Flüssigkeit – etwa die Flüchtigkeit (Flüchtigkeit) und die Benetzbarkeit. Sein Wert hängt nur von den Parametern der intermolekularen Wechselwirkung ab.
Anziehungskräfte zwischen Molekülen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit verhindern, dass sie sich darüber hinaus bewegen.
Die Moleküle einer Flüssigkeit erfahren gegenseitige Anziehungskräfte – genau aus diesem Grund verdunstet die Flüssigkeit nicht sofort. Anziehungskräfte anderer Moleküle wirken von allen Seiten auf die Moleküle im Flüssigkeitsinneren und gleichen sich dadurch gegenseitig aus. Moleküle auf der Oberfläche einer Flüssigkeit haben keine äußeren Nachbarn und die resultierende Anziehungskraft ist in das Innere der Flüssigkeit gerichtet. Infolgedessen neigt die gesamte Wasseroberfläche dazu, sich unter dem Einfluss dieser Kräfte zusammenzuziehen. Zusammengenommen führt dieser Effekt zur Bildung der sogenannten Oberflächenspannungskraft, die entlang der Flüssigkeitsoberfläche wirkt und dazu führt, dass sich auf dieser eine Art unsichtbarer, dünner und elastischer Film bildet.
Eine Folge des Oberflächenspannungseffekts besteht darin, dass zur Vergrößerung der Oberfläche einer Flüssigkeit – also zur Dehnung – mechanische Arbeit geleistet werden muss, um die Oberflächenspannungskräfte zu überwinden. Wenn die Flüssigkeit daher in Ruhe gelassen wird, neigt sie dazu, eine Form anzunehmen, in der ihre Oberfläche minimal ist. Diese Form ist natürlich eine Kugel – weshalb Regentropfen im Flug eine fast kugelförmige Form annehmen (ich sage „fast“, weil die Tropfen im Flug aufgrund des Luftwiderstands leicht verlängert werden). Aus dem gleichen Grund sammeln sich Wassertropfen auf der Karosserie eines mit frischem Wachs bedeckten Autos zu Perlen.
Oberflächenspannungskräfte werden in der Industrie genutzt – insbesondere beim Gießen von Kugelformen, wie zum Beispiel Schrotkugeln. Man lässt die geschmolzenen Metalltröpfchen einfach im Flug erstarren, wenn sie aus ausreichender Höhe fallen, und erstarren zu Kugeln, bevor sie in einen Auffangbehälter fallen.
Es gibt viele Beispiele für die Wirkung von Oberflächenspannungskräften aus unserem täglichen Leben. Unter dem Einfluss des Windes bilden sich auf der Oberfläche von Ozeanen, Meeren und Seen Wellen. Bei diesen Wellen handelt es sich um Wellen, bei denen die nach oben gerichtete Kraft des inneren Wasserdrucks durch die nach unten gerichtete Kraft der Oberflächenspannung ausgeglichen wird. Diese beiden Kräfte wechseln sich ab und es bilden sich Wellen auf dem Wasser, so wie sich durch abwechselnde Dehnung und Kompression eine Welle in der Saite eines Musikinstruments bildet.
Ob sich die Flüssigkeit in „Perlen“ sammelt oder sich gleichmäßig über eine feste Oberfläche verteilt, hängt vom Verhältnis der Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung in der Flüssigkeit, die Oberflächenspannung verursachen, und den Anziehungskräften zwischen den Molekülen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche ab. In flüssigem Wasser beispielsweise sind Oberflächenspannungskräfte auf Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen zurückzuführen ( cm. chemische Bindungen). Die Oberfläche des Glases wird von Wasser benetzt, da das Glas ausreichend viele Sauerstoffatome enthält und Wasser nicht nur mit anderen Wassermolekülen, sondern auch mit Sauerstoffatomen leicht Wasserstoffbrückenbindungen eingeht. Wenn Fett auf die Glasoberfläche aufgetragen wird, bilden sich keine Wasserstoffbrückenbindungen mit der Oberfläche, und Wasser sammelt sich unter dem Einfluss interner Wasserstoffbrückenbindungen, die die Oberflächenspannung bestimmen, in Tröpfchen.
In der chemischen Industrie werden dem Wasser häufig spezielle Netzmittel zugesetzt – Tenside, - Verhindert, dass sich Wasser in Tropfenform auf jeder Oberfläche ansammelt. Sie werden beispielsweise flüssigen Reinigungsmitteln für Geschirrspülmaschinen zugesetzt. Beim Eindringen in die Oberflächenschicht des Wassers schwächen die Moleküle solcher Reagenzien die Oberflächenspannungskräfte merklich, das Wasser sammelt sich nicht in Tropfen und hinterlässt nach dem Trocknen keine schmutzigen Flecken auf der Oberfläche ( cm.
Die charakteristischste Eigenschaft einer Flüssigkeit, die sie von einem Gas unterscheidet, besteht darin, dass die Flüssigkeit an der Grenze zu einem Gas eine freie Oberfläche bildet, deren Vorhandensein zum Auftreten einer besonderen Art von Phänomenen führt, die als Oberfläche bezeichnet werden. Ihr Aussehen verdanken sie den besonderen physikalischen Bedingungen, unter denen sich die Moleküle in der Nähe der freien Oberfläche befinden.
Auf jedes Flüssigkeitsmolekül wirken Anziehungskräfte von den es umgebenden Molekülen, die sich in einem Abstand von etwa 10 -9 m von ihm befinden (Radius der molekularen Wirkung). pro Molekül M 1 befindet sich innerhalb der Flüssigkeit (Abb. 1), wirken Kräfte von denselben Molekülen, und die Resultierende dieser Kräfte ist nahe Null.
Für Moleküle M 2 Resultierende Kräfte sind ungleich Null und sind im Inneren der Flüssigkeit senkrecht zu ihrer Oberfläche gerichtet. Dadurch werden alle Flüssigkeitsmoleküle in der Oberflächenschicht in die Flüssigkeit hineingezogen. Aber der Raum innerhalb der Flüssigkeit ist von anderen Molekülen besetzt, also Die Oberflächenschicht erzeugt Druck auf die Flüssigkeit (Molekulardruck)..
Ein Molekül bewegen M 3 Direkt unter der Oberflächenschicht gelegen, muss an der Oberfläche Arbeit gegen die Kräfte des Molekulardrucks verrichtet werden. Daher haben die Moleküle der Oberflächenschicht der Flüssigkeit im Vergleich zu den Molekülen im Inneren der Flüssigkeit eine zusätzliche potentielle Energie. Diese Energie heißt Oberflächenenergie.
Offensichtlich ist die Oberflächenenergie umso größer, je größer die freie Oberfläche ist. Die freie Oberfläche soll sich um Δ ändern S, während sich die Oberflächenenergie um \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\) änderte, wobei σ der Oberflächenspannungskoeffizient ist. Denn für diese Änderung muss gearbeitet werden
\(~A = \Delta W_p ,\) dann \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)
Daher \(~\sigma = \dfrac(A)(\Delta S)\) .
Die SI-Einheit für die Oberflächenspannung ist Joule pro Quadratmeter(J/m2).
- ein Wert, der numerisch der von molekularen Kräften geleisteten Arbeit entspricht, wenn sich die Fläche der freien Oberfläche der Flüssigkeit bei konstanter Temperatur um 1 m 2 ändert.
Da jedes sich selbst überlassene System dazu neigt, eine Position einzunehmen, in der seine potentielle Energie am kleinsten ist, neigt die Flüssigkeit dazu, die freie Oberfläche zu verringern. Die Oberflächenschicht der Flüssigkeit verhält sich wie ein gedehnter Gummifilm, d.h. neigt immer dazu, seine Oberfläche zu reduzieren Mindestabmessungen für ein bestimmtes Volumen möglich.
Beispielsweise hat ein Flüssigkeitstropfen im Zustand der Schwerelosigkeit eine Kugelform.
Oberflächenspannung
Die Eigenschaft der Oberfläche einer Flüssigkeit, zu schrumpfen, kann als das Vorhandensein von Kräften interpretiert werden, die dazu neigen, diese Oberfläche zu verkürzen. Molekül M 1 (Abb. 2), das sich auf der Oberfläche der Flüssigkeit befindet, interagiert nicht nur mit Molekülen, die sich innerhalb der Flüssigkeit befinden, sondern auch mit Molekülen, die sich auf der Oberfläche der Flüssigkeit befinden und sich im molekularen Wirkungsbereich befinden. Für ein Molekül M 1 ist die Resultierende \(~\vec R\) der molekularen Kräfte, die entlang der freien Oberfläche der Flüssigkeit gerichtet sind, gleich Null, und zwar für ein Molekül M 2 an der Grenze der Flüssigkeitsoberfläche gelegen, \(~\vec R \ne 0\) und \(~\vec R\) entlang der Normalen zu den Grenzen der freien Oberfläche und tangential zur Flüssigkeitsoberfläche selbst gerichtet.
Die Resultierende der Kräfte, die auf alle an der Grenze der freien Oberfläche befindlichen Moleküle wirken, ist die Kraft Oberflächenspannung. Im Allgemeinen wirkt es so, dass es dazu neigt, die Oberfläche der Flüssigkeit zu verringern.
Es kann davon ausgegangen werden, dass die Oberflächenspannungskraft \(~\vec F\) direkt proportional zur Länge ist l die Grenzen der Oberflächenschicht der Flüssigkeit, da sich die Moleküle in allen Teilen der Oberflächenschicht der Flüssigkeit in den gleichen Bedingungen befinden:
\(~F \sim l .\)
Stellen Sie sich tatsächlich einen vertikalen rechteckigen Rahmen vor (Abb. 3, a, b), dessen bewegliche Seite ausbalanciert ist. Nachdem der Rahmen aus der Seifenfilmlösung entfernt wurde, bewegt sich der bewegliche Teil aus der Position 1 in Position bringen 2 . Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Film eine dünne Flüssigkeitsschicht ist und zwei freie Oberflächen hat, ermitteln wir die geleistete Arbeit, wenn die Querstange über eine Distanz bewegt wird H = A 1 ⋅ A 2: A = 2F⋅h, Wo F- die Kraft, die von der Seite jeder Oberflächenschicht auf den Rahmen einwirkt. Andererseits ist \(~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).
Daher ist \(~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Rightarrow F = \sigma \cdot l\), woraus \(~\sigma = \dfrac Fl\).
Nach dieser Formel ist die SI-Einheit für die Oberflächenspannung Newton pro Meter (N/m).
Oberflächenspannungskoeffizientσ ist numerisch gleich der Oberflächenspannungskraft, die pro Längeneinheit der Grenze der freien Oberfläche der Flüssigkeit wirkt. Der Oberflächenspannungskoeffizient hängt von der Beschaffenheit der Flüssigkeit, von der Temperatur und vom Vorhandensein von Verunreinigungen ab. Wenn die Temperatur steigt, nimmt sie ab.
- Bei der kritischen Temperatur, wenn die Unterscheidung zwischen Flüssigkeit und Dampf verschwindet, ist σ = 0.
Verunreinigungen verringern im Allgemeinen den Oberflächenspannungskoeffizienten (einige erhöhen ihn).
Somit ist die Oberflächenschicht einer Flüssigkeit sozusagen ein elastischer, gespannter Film, der die gesamte Flüssigkeit bedeckt und dazu neigt, sie in einem „Tropfen“ zu sammeln. Ein solches Modell (elastische gestreckte Folie) ermöglicht es, die Richtung der Oberflächenspannungskräfte zu bestimmen. Wenn beispielsweise ein Film unter Einwirkung äußerer Kräfte gedehnt wird, dann wird die Oberflächenspannungskraft entlang der Flüssigkeitsoberfläche gegen die Dehnung gerichtet. Dieser Zustand unterscheidet sich jedoch deutlich von der Spannung einer elastischen Gummifolie. Ein elastischer Film wird gedehnt, indem der Abstand zwischen den Partikeln vergrößert wird, wobei die Spannungskraft zunimmt, während sich beim Dehnen des Flüssigkeitsfilms der Abstand zwischen den Partikeln nicht ändert und die Vergrößerung der Oberfläche durch den Übergang von Molekülen erreicht wird von der Flüssigkeit bis zur Oberflächenschicht. Daher ändert sich die Oberflächenspannungskraft bei einer Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche nicht (sie hängt nicht von der Oberfläche ab).
siehe auch
- Kikoin A.K. Über die Kräfte der Oberflächenspannung // Kvant. - 1983. - Nr. 12. - S. 27-28
Benetzung
Bei Kontakt mit einem festen Körper wirken die Adhäsionskräfte von Flüssigkeitsmolekülen an Moleküle Festkörper Jetzt Spielen essentielle Rolle. Das Verhalten einer Flüssigkeit hängt davon ab, was größer ist: die Adhäsion zwischen den Molekülen der Flüssigkeit oder die Adhäsion der Moleküle der Flüssigkeit an den Molekülen des Feststoffs.
Benetzung- ein Phänomen, das durch die Wechselwirkung flüssiger Moleküle mit festen Molekülen entsteht. Sind die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit und einem Festkörper größer als die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit, so heißt die Flüssigkeit Benetzung; Sind die Anziehungskräfte der Flüssigkeit und des Feststoffs geringer als die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit, so heißt die Flüssigkeit nicht benetzend dieser Körper.
Die gleiche Flüssigkeit kann in Bezug auf verschiedene Körper benetzend und nicht benetzend sein. Wasser benetzt also Glas und nicht eine fettige Oberfläche, Quecksilber benetzt nicht Glas, sondern Kupfer.
Die Benetzung oder Nichtbenetzung der Wände des Gefäßes, in dem es sich befindet, durch eine Flüssigkeit beeinflusst die Form der freien Oberfläche der Flüssigkeit im Gefäß. Wenn eine große Menge Flüssigkeit in ein Gefäß gegossen wird, wird die Form seiner Oberfläche durch die Schwerkraft bestimmt, wodurch eine ebene und horizontale Oberfläche entsteht. Allerdings führt das Phänomen der Benetzung und Nichtbenetzung in der Nähe der Wände zu einer Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche, der sogenannten Randeffekte.
Das quantitative Merkmal von Randeffekten ist Kontaktwinkelθ ist der Winkel zwischen der Tangente an die Oberfläche der Flüssigkeit und der Oberfläche des Festkörpers. Im Kontaktwinkel befindet sich immer Flüssigkeit (Abb. 4, a, b). Wenn es nass ist, ist es scharf (Abb. 4, a), und wenn es nicht nass ist, ist es stumpf (Abb. 4, b). Im Schulphysikunterricht wird nur die vollständige Benetzung (θ = 0º) oder die vollständige Nichtbenetzung (θ = 180º) berücksichtigt.
Die mit dem Vorhandensein der Oberflächenspannung verbundenen und tangential zur Flüssigkeitsoberfläche gerichteten Kräfte ergeben im Falle einer konvexen Oberfläche die resultierende Kraft, die in die Flüssigkeit gerichtet ist (Abb. 5, a). Bei einer konkaven Oberfläche ist die resultierende Kraft dagegen auf das an die Flüssigkeit angrenzende Gas gerichtet (Abb. 5, b).
Befindet sich die benetzende Flüssigkeit auf der offenen Oberfläche eines Festkörpers (Abb. 6, a), dann breitet sie sich über diese Oberfläche aus. Befindet sich auf der offenen Oberfläche eines Festkörpers eine nicht benetzende Flüssigkeit, so nimmt diese eine nahezu kugelförmige Form an (Abb. 6, b).
Benetzung ist sowohl im Alltag als auch in der Industrie wichtig. Eine gute Benetzung ist beim Färben, Waschen, Bearbeiten von Fotomaterialien, Auftragen von Farb- und Lackschichten, beim Kleben von Materialien, beim Löten, bei Flotationsprozessen (Anreicherung von Erzen mit wertvollem Gestein) erforderlich. Umgekehrt werden beim Bau von Abdichtungseinrichtungen Materialien benötigt, die nicht von Wasser benetzt werden.
Kapillarphänomene
Die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche an den Rändern des Gefäßes ist besonders deutlich in engen Röhren zu erkennen, bei denen die gesamte freie Oberfläche der Flüssigkeit gekrümmt ist. Bei Rohren mit engem Querschnitt ist diese Fläche Teil einer Kugel, heißt es Meniskus. Eine benetzende Flüssigkeit hat einen konkaven Meniskus (Abb. 7, a), während eine nicht benetzende Flüssigkeit einen konvexen Meniskus hat (Abb. 7, b). Da die Oberfläche des Meniskus größer ist als die Fläche Querschnitt Rohr, dann neigt die gekrümmte Oberfläche der Flüssigkeit unter der Einwirkung molekularer Kräfte dazu, sich zu begradigen.
Es entstehen Oberflächenspannungskräfte zusätzlich (Laplace) Druck unter einer gekrümmten Flüssigkeitsoberfläche.
Wenn die Oberfläche der Flüssigkeit konkav, dann wird die Oberflächenspannungskraft aus der Flüssigkeit heraus gerichtet (Abb. 8, a), und der Druck unter der konkaven Oberfläche der Flüssigkeit ist um \(~p = \dfrac(2 \sigma ) geringer als unter der flachen Oberfläche. (R)\). Wenn die Oberfläche der Flüssigkeit konvex, dann ist die Oberflächenspannungskraft in die Flüssigkeit gerichtet (Abb. 8, b) und der Druck unter der konvexen Oberfläche der Flüssigkeit ist um den gleichen Wert größer als unter der flachen.
Reis. 8 - Diese Formel ist ein Sonderfall der Laplace-Formel, die den Überdruck für eine beliebige Flüssigkeitsoberfläche doppelter Krümmung bestimmt:
Wo R 1 und R 2 - Krümmungsradien von zwei beliebigen zueinander senkrechten Normalabschnitten der Flüssigkeitsoberfläche. Der Krümmungsradius ist positiv, wenn der Krümmungsmittelpunkt des entsprechenden Abschnitts innerhalb der Flüssigkeit liegt, und negativ, wenn der Krümmungsmittelpunkt außerhalb der Flüssigkeit liegt. Für eine zylindrische Oberfläche ( R 1 = l; R 2 = ∞) Überdruck \(~p = \dfrac(\sigma)(R)\) .
Wenn wir ein schmales Rohr platzieren ( kapillar) an einem Ende in eine Flüssigkeit, die in ein weites Gefäß gegossen wird, dann steigt die Flüssigkeit in der Kapillare aufgrund der Laplace-Druckkraft an (wenn die Flüssigkeit benetzt) oder fällt (wenn die Flüssigkeit nicht benetzt) (Abb. 9, a, b), da unter der flachen Oberfläche der Flüssigkeit in einem breiten Gefäß kein Überdruck herrscht.
Als Phänomene werden die Veränderungen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels in Kapillaren im Vergleich zum Flüssigkeitsspiegel in weiten Gefäßen bezeichnet Kapillarphänomene.
Die Flüssigkeit in der Kapillare steigt oder fällt auf eine solche Höhe H, bei dem die Kraft des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeitssäule durch die Kraft des Überdrucks ausgeglichen wird, d.h.
\(~\dfrac(2 \sigma)(R) = \rho \cdot g \cdot h .\)
Daher \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R)\). Wenn die Benetzung nicht vollständig ist θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), dann gilt, wie Berechnungen zeigen, \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R) \cdot \cos \theta\).
Kapillarphänomene kommen sehr häufig vor. Wasseranstieg im Boden, System Blutgefäße in der Lunge Wurzelsystem Bei Pflanzen handelt es sich bei Docht und Löschpapier um Kapillarsysteme.
Literatur
- Aksenovich L. A. Physik in weiterführende Schule: Theorie. Aufgaben. Tests: Proc. Zuschuss für Einrichtungen, die allgemeine Leistungen erbringen. Umgebungen, Bildung / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 178-184.