Η έννοια της επιφανειακής τάσης
επιφανειακή τάσηονομάζεται θερμοδυναμικό χαρακτηριστικό της διεπαφής, που ορίζεται ως το έργο του αναστρέψιμου ισοθερμικού σχηματισμού μιας μονάδας επιφάνειας αυτής της επιφάνειας. Για ένα υγρό, η επιφανειακή τάση θεωρείται ως μια δύναμη που δρα ανά μονάδα μήκους του περιγράμματος της επιφάνειας και τείνει να μειώσει την επιφάνεια στο ελάχιστο για δεδομένους όγκους φάσης.
Το λάδι είναι ένα σύστημα διασποράς λαδιού που αποτελείται από μια διασπαρμένη φάση και ένα μέσο διασποράς.
Η επιφάνεια ενός σωματιδίου μιας διεσπαρμένης φάσης (για παράδειγμα, ένας συνδετικός παράγοντας ασφαλτενίων, ένα σφαιρίδιο νερού κ.λπ.) έχει κάποια περίσσεια ελεύθερης επιφάνειας ενέργειας F s, ανάλογη με την περιοχή της διεπαφής μικρό:
αξία σ μπορεί να θεωρηθεί όχι μόνο ως η ειδική επιφανειακή ενέργεια, αλλά και ως δύναμη που εφαρμόζεται σε μια μονάδα μήκους του περιγράμματος που περιορίζει την επιφάνεια, κατευθυνόμενη κατά μήκος αυτής της επιφάνειας κάθετα στο περίγραμμα και τείνει να συρρικνωθεί ή να μειώσει αυτήν την επιφάνεια. Αυτή η δύναμη ονομάζεται επιφανειακή τάση.
Η δράση της επιφανειακής τάσης μπορεί να απεικονιστεί ως ένα σύνολο δυνάμεων που τραβούν τα άκρα της επιφάνειας προς το κέντρο.
Το μήκος κάθε βέλους του διανύσματος αντανακλά το μέγεθος της επιφανειακής τάσης και η απόσταση μεταξύ τους αντιστοιχεί στην αποδεκτή μονάδα μήκους του περιγράμματος της επιφάνειας. Ως διάσταση της ποσότητας σ Και τα δύο [J/m 2 ] = 10 3 [erg/cm 2 ] και [N/m] = 10 3 [dyne/cm] χρησιμοποιούνται εξίσου.
Ως αποτέλεσμα της δράσης των δυνάμεων επιφανειακής τάσης, το υγρό τείνει να μειώσει την επιφάνειά του και εάν η επίδραση της γήινης βαρύτητας είναι ασήμαντη, το υγρό παίρνει τη μορφή μπάλας με ελάχιστη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου.
Η επιφανειακή τάση είναι διαφορετική για διαφορετικές ομάδες υδρογονανθράκων - μέγιστη για αρωματικούς και ελάχιστη για παραφινικούς. Με την αύξηση του μοριακού βάρους των υδρογονανθράκων, αυξάνεται.
Οι περισσότερες ετεροατομικές ενώσεις, με πολικές ιδιότητες, έχουν επιφανειακή τάση μικρότερη από τους υδρογονάνθρακες. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, καθώς η παρουσία τους παίζει σημαντικό ρόλο στον σχηματισμό γαλακτωμάτων νερού-ελαίου και αερίου-πετρελαίου και στις επακόλουθες διαδικασίες καταστροφής αυτών των γαλακτωμάτων.
Παράμετροι που επηρεάζουν την επιφανειακή τάση
Η επιφανειακή τάση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία και την πίεση, καθώς και από χημική σύνθεσηυγρό και τη φάση που έρχεται σε επαφή με αυτό (αέριο ή νερό).
Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, η επιφανειακή τάση μειώνεται και στην κρίσιμη θερμοκρασία ισούται με μηδέν. Με την αύξηση της πίεσης, η επιφανειακή τάση στο σύστημα αερίου-υγρού μειώνεται επίσης.
Η επιφανειακή τάση των προϊόντων πετρελαίου μπορεί να βρεθεί με υπολογισμό χρησιμοποιώντας την εξίσωση:
Επανυπολογισμός σ από μία θερμοκρασία T0σε άλλο Τμπορεί να πραγματοποιηθεί σύμφωνα με την αναλογία:
Τιμές επιφανειακής τάσης για ορισμένες ουσίες.
Οι ουσίες των οποίων η προσθήκη σε ένα υγρό μειώνει την επιφανειακή του τάση ονομάζονται επιφανειοδραστικές ουσίες(επιφανειοδραστικό).
Η επιφανειακή τάση του λαδιού και των προϊόντων πετρελαίου εξαρτάται από την ποσότητα των επιφανειοδραστικών συστατικών που υπάρχουν σε αυτά (ρητινώδεις ουσίες, ναφθενικά και άλλα οργανικά οξέα κ.λπ.).
Τα προϊόντα πετρελαίου με χαμηλή περιεκτικότητα σε επιφανειοδραστικά συστατικά έχουν υψηλότερη τιμήεπιφανειακή τάση στα σύνορα με νερό, με υψηλή περιεκτικότητα - το μικρότερο.
Τα καλά επεξεργασμένα προϊόντα πετρελαίου έχουν υψηλή επιφανειακή τάση στη διεπαφή με το νερό.
Η μείωση της επιφανειακής τάσης εξηγείται από την προσρόφηση επιφανειοδραστικών ουσιών στη διεπιφάνεια. Με την αύξηση της συγκέντρωσης του προστιθέμενου τασιενεργού, η επιφανειακή τάση του υγρού αρχικά μειώνεται γρήγορα και στη συνέχεια σταθεροποιείται, γεγονός που υποδηλώνει τον πλήρη κορεσμό της επιφανειακής στιβάδας με μόρια επιφανειοδραστικού. Φυσικά επιφανειοδραστικά που αλλάζουν δραματικά την επιφανειακή τάση των ελαίων και των προϊόντων πετρελαίου είναι οι αλκοόλες, οι φαινόλες, οι ρητίνες, οι ασφαλτένες και διάφορα οργανικά οξέα.
Τα φαινόμενα διαβροχής και τριχοειδών συνδέονται με επιφανειακές δυνάμεις στη διεπιφάνεια μεταξύ στερεάς και υγρής φάσης, στις οποίες βασίζονται οι διεργασίες μετανάστευσης λαδιού στις δεξαμενές, η άνοδος κηροζίνης και λαδιού κατά μήκος των φυτιλιών λαμπτήρων και λιπαντικών κ.λπ.
Πειραματικός προσδιορισμός επιφανειακής τάσης
Διάφορες μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τον πειραματικό προσδιορισμό της επιφανειακής τάσης των ελαίων και των προϊόντων πετρελαίου.
Η πρώτη μέθοδος (α) βασίζεται στη μέτρηση της δύναμης που απαιτείται για τον διαχωρισμό του δακτυλίου από τη διεπαφή μεταξύ δύο φάσεων. Αυτή η δύναμη είναι ανάλογη με τη διπλάσια δύναμη της περιφέρειας του δακτυλίου. Με την τριχοειδή μέθοδο (β), μετράται το ύψος της ανόδου του υγρού στον τριχοειδή σωλήνα. Το μειονέκτημά του είναι η εξάρτηση του ύψους της ανόδου του υγρού όχι μόνο από το μέγεθος της επιφανειακής τάσης, αλλά και από τη φύση της διαβροχής των τοιχωμάτων του τριχοειδούς από το υπό μελέτη υγρό. Μια πιο ακριβής παραλλαγή της τριχοειδούς μεθόδου είναι η μέθοδος κρεμαστής σταγόνας (c), η οποία βασίζεται στη μέτρηση της μάζας μιας σταγόνας υγρού που αποσπάται από ένα τριχοειδές. Τα αποτελέσματα της μέτρησης επηρεάζονται από την πυκνότητα του υγρού και το μέγεθος της σταγόνας και δεν επηρεάζονται από τη γωνία διαβροχής του υγρού στη στερεά επιφάνεια. Αυτή η μέθοδος καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της επιφανειακής τάσης σε δοχεία πίεσης.
Η πιο κοινή και βολική μέθοδος για τη μέτρηση της επιφανειακής τάσης είναι η μέθοδος της υψηλότερης πίεσης φυσαλίδων ή σταγόνων (r), η οποία εξηγείται από την απλότητα του σχεδιασμού, την υψηλή ακρίβεια και την ανεξαρτησία του προσδιορισμού από τη διαβροχή.
Αυτή η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι όταν μια φυσαλίδα αέρα ή μια σταγόνα υγρού συμπιέζεται από ένα στενό τριχοειδές σε άλλο υγρό, η επιφανειακή τάση σ στο όριο με το υγρό στο οποίο απελευθερώνεται η σταγόνα, ανάλογα με τη μεγαλύτερη πίεση που απαιτείται για την εξώθηση της σταγόνας.
Επιφανειακή τάση πόσιμο νερό
Μια σημαντική παράμετρος του πόσιμου νερού είναι η επιφανειακή τάση. Καθορίζει τον βαθμό πρόσφυσης μεταξύ των μορίων του νερού και το σχήμα της επιφάνειας του υγρού και επίσης καθορίζει τον βαθμό απορρόφησης νερού από το σώμα.
Το επίπεδο εξάτμισης ενός υγρού εξαρτάται από το πόσο ισχυρά συνδέονται τα μόριά του μεταξύ τους. Όσο ισχυρότερα έλκονται τα μόρια μεταξύ τους, τόσο λιγότερο πτητικό είναι το υγρό. Όσο χαμηλότερη είναι η επιφανειακή τάση ενός υγρού, τόσο πιο πτητικό είναι. Οι αλκοόλες και οι διαλύτες έχουν τη χαμηλότερη επιφανειακή τάση. Αυτό, με τη σειρά του, καθορίζει τη δραστηριότητά τους - την ικανότητα αλληλεπίδρασης με άλλες ουσίες.
Οπτικά, η επιφανειακή τάση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής: εάν ρίξετε αργά το τσάι σε ένα φλιτζάνι μέχρι το χείλος, τότε για κάποιο χρονικό διάστημα δεν θα ξεχειλίσει και στο εκπεμπόμενο φως μπορείτε να δείτε ότι έχει σχηματιστεί μια λεπτή μεμβράνη πάνω από την επιφάνεια του υγρού , που εμποδίζει το τσάι να χυθεί. Φουσκώνει καθώς συμπληρώνεται και μόνο στην «τελευταία σταγόνα», όπως λένε, ξεχειλίζει το υγρό.
Όσο περισσότερο «υγρό» νερό χρησιμοποιείται για πόσιμο, τόσο λιγότερη ενέργεια χρειάζεται το σώμα για να σπάσει τους μοριακούς δεσμούς και να κορεστεί τα κύτταρα με νερό.
Η μονάδα μέτρησης για την επιφανειακή τάση είναι dyne/cm.
Το νερό της βρύσης έχει βαθμό επιφανειακής τάσης έως 73 dynes/cm και ενδο- και εξωκυττάριο υγρό περίπου 43 dynes/cm, επομένως το κύτταρο χρειάζεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να ξεπεράσει την επιφανειακή τάση του νερού.
Μεταφορικά, το νερό είναι πιο «παχύ» και πιο «υγρό». Είναι επιθυμητό να εισέλθει περισσότερο «υγρό» νερό στο σώμα, τότε τα κύτταρα δεν θα χρειαστεί να ξοδέψουν ενέργεια για να ξεπεράσουν την επιφανειακή τάση. Το νερό με χαμηλή επιφανειακή τάση είναι πιο βιολογικά διαθέσιμο. Είναι πιο εύκολο να μπείτε σε διαμοριακές αλληλεπιδράσεις.
Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί το ζεστό νερό καθαρίζει τη βρωμιά καλύτερα από το κρύο νερό; Αυτό συμβαίνει γιατί όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του νερού, μειώνεται η επιφανειακή του τάση. Όσο χαμηλότερη είναι η επιφανειακή τάση του νερού, τόσο καλύτερος διαλύτης είναι. Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από τη χημική σύσταση του υγρού, το μέσο με το οποίο συνορεύει και τη θερμοκρασία. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει, μειώνεται και εξαφανίζεται στην κρίσιμη θερμοκρασία.Ανάλογα με τη δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων του υγρού και των σωματιδίων του στερεού που έρχονται σε επαφή με αυτό, είναι δυνατό να βρέξουμε ή να μην βρέξουμε το στερεό με το υγρό Και στις δύο περιπτώσεις, η επιφάνεια του υγρού κοντά στο όριο με το στερεό είναι καμπύλη.
Η επιφανειακή τάση του νερού μπορεί να μειωθεί, για παράδειγμα, με την προσθήκη βιολογικά δραστικών ουσιών ή με θέρμανση του υγρού. Όσο πιο κοντά είναι η τιμή της επιφανειακής τάσης του νερού που χρησιμοποιείτε για πόση είναι στα 43 dynes/cm, τόσο λιγότερη ενέργεια μπορεί να απορροφήσει το σώμα σας.
Δεν ξέρω πού να πάρω σωστό νερό ? θα προκαλέσω!
Σημείωση:
Πατώντας το κουμπί " Για να ξέρεις» δεν οδηγεί σε χρηματοοικονομικά έξοδα και υποχρεώσεις.
Είσαι μόνο λάβετε πληροφορίες σχετικά με τη διαθεσιμότητα του κατάλληλου νερού στην περιοχή σας,
και αποκτήστε μια μοναδική ευκαιρία να γίνετε μέλος της λέσχης υγιών ανθρώπων δωρεάν
Στάξτε, στάλα... Ιδού άλλη μια σταγόνα μαζεύτηκε στο στόμιο της βρύσης, φούσκωσε και έπεσε κάτω. Αυτή η εικόνα είναι γνωστή σε κανέναν. Ή μια ζεστή καλοκαιρινή βροχή ποτίζει τη γη που λαχταρά για υγρασία - και πάλι πέφτει. Γιατί πέφτει; Ποιος είναι ο λόγος εδώ; Είναι πολύ απλό: ο λόγος για αυτό είναι η επιφανειακή τάση του νερού.
Είναι μια από τις ιδιότητες του νερού ή, γενικότερα, όλων των υγρών. Όπως γνωρίζετε, το αέριο γεμίζει ολόκληρο τον όγκο στον οποίο εισέρχεται, αλλά το υγρό δεν μπορεί να το κάνει αυτό. Τα μόρια μέσα στον όγκο του νερού περιβάλλονται από τα ίδια μόρια σε όλες τις πλευρές. Αλλά αυτά που βρίσκονται στην επιφάνεια, στο όριο υγρού και αερίου, δεν επηρεάζονται από όλες τις πλευρές, αλλά μόνο από εκείνα τα μόρια που βρίσκονται μέσα στον όγκο, από την πλευρά του αερίου δεν επηρεάζονται.
Σε αυτή την περίπτωση, μια δύναμη θα ενεργήσει στην επιφάνεια του υγρού, κατευθυνόμενη κατά μήκος της κάθετα προς το τμήμα της επιφάνειας στο οποίο δρα. Ως αποτέλεσμα αυτής της δύναμης, προκύπτει η επιφανειακή τάση του νερού. Η εξωτερική του εκδήλωση θα είναι ο σχηματισμός ενός είδους αόρατου, ελαστικού φιλμ στη διεπαφή. Λόγω της επίδρασης της επιφανειακής τάσης, μια σταγόνα νερού θα πάρει τη μορφή σφαίρας ως σώμα που έχει τη μικρότερη επιφάνεια για έναν δεδομένο όγκο.
Τώρα μπορούμε να ορίσουμε ότι η επιφανειακή τάση είναι η εργασία αλλαγής της επιφάνειας του υγρού. Από την άλλη πλευρά, μπορεί να οριστεί ως η ενέργεια που απαιτείται για να σπάσει μια επιφάνεια μονάδας. Η επιφανειακή τάση είναι δυνατή στη διεπαφή υγρού και αερίου. Καθορίζεται από τη δύναμη που ενεργεί μεταξύ των μορίων, και επομένως είναι υπεύθυνη για την πτητότητα (εξάτμιση). Όσο χαμηλότερη είναι η επιφανειακή τάση, τόσο πιο πτητικό θα είναι το υγρό.
Μπορείτε να προσδιορίσετε τι ισούται με Ο τύπος για τον υπολογισμό του περιλαμβάνει την επιφάνεια και Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο συντελεστής δεν εξαρτάται από το σχήμα και το μέγεθος της επιφάνειας, αλλά καθορίζεται από την ισχύ της διαμοριακής αλληλεπίδρασης, δηλ. υγρού τύπου. Για διαφορετικά υγρά, η αξία του θα είναι διαφορετική.
Η επιφανειακή τάση του νερού μπορεί να αλλάξει. Αυτό επιτυγχάνεται με θέρμανση, προσθήκη βιολογικά δραστικών ουσιών - όπως σαπούνι, σκόνη, πάστα. Η αξία του εξαρτάται από τον βαθμό καθαρότητας του νερού. Όσο πιο καθαρό είναι το νερό τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή τάση και σε αξία είναι δεύτερο μετά τον υδράργυρο.
Ένα περίεργο αποτέλεσμα παρατηρείται όταν ένα υγρό έρχεται σε επαφή τόσο με ένα στερεό όσο και με ένα αέριο. Αν ρίξουμε μια σταγόνα νερό στην επιφάνεια της παραφίνης, θα πάρει τη μορφή μπάλας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι δυνάμεις που δρουν μεταξύ της παραφίνης και της σταγόνας είναι μικρότερες από την αλληλεπίδραση μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται η μπάλα. Όταν οι δυνάμεις που δρουν μεταξύ της επιφάνειας και της σταγόνας είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης, το νερό θα εξαπλωθεί ομοιόμορφα στην επιφάνεια. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διαβροχή.
Το φαινόμενο διαβρεξιμότητας σε κάποιο βαθμό μπορεί να χαρακτηρίσει τον βαθμό καθαρότητας της επιφάνειας. Σε μια καθαρή επιφάνεια, η σταγόνα απλώνεται ομοιόμορφα και εάν η επιφάνεια είναι μολυσμένη ή καλυμμένη με μια ουσία που δεν βρέχεται από το νερό, τότε η τελευταία μαζεύεται σε μπάλες.
Ένα παράδειγμα χρήσης της επιφανειακής τάσης στη βιομηχανία είναι η χύτευση σφαιρικών μερών, όπως η βολή κυνηγετικού όπλου. Οι σταγόνες λιωμένου μετάλλου απλώς στερεοποιούνται εν κινήσει, παίρνοντας ένα σφαιρικό σχήμα.
Η επιφανειακή τάση του νερού, όπως και κάθε άλλου υγρού, είναι μια από τις σημαντικές παραμέτρους του. Καθορίζει ορισμένα χαρακτηριστικά του υγρού - όπως πτητικότητα (πτητικότητας) και διαβρεξιμότητα. Η τιμή του εξαρτάται μόνο από τις παραμέτρους της διαμοριακής αλληλεπίδρασης.
Οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων στην επιφάνεια ενός υγρού τα εμποδίζουν να κινηθούν πέρα από αυτό.
Τα μόρια ενός υγρού βιώνουν δυνάμεις αμοιβαίας έλξης - στην πραγματικότητα, είναι ακριβώς λόγω αυτού που το υγρό δεν εξατμίζεται αμέσως. Ελκτικές δυνάμεις άλλων μορίων δρουν στα μόρια μέσα στο υγρό από όλες τις πλευρές και επομένως ισορροπούν αμοιβαία η μία την άλλη. Τα μόρια στην επιφάνεια ενός υγρού δεν έχουν εξωτερικούς γείτονες και η ελκτική δύναμη που προκύπτει κατευθύνεται μέσα στο υγρό. Ως αποτέλεσμα, ολόκληρη η επιφάνεια του νερού τείνει να συστέλλεται υπό την επίδραση αυτών των δυνάμεων. Μαζί, αυτό το φαινόμενο οδηγεί στο σχηματισμό της λεγόμενης δύναμης επιφανειακής τάσης, η οποία δρα κατά μήκος της επιφάνειας του υγρού και οδηγεί στο σχηματισμό ενός είδους αόρατου, λεπτού και ελαστικού φιλμ πάνω του.
Μια συνέπεια του φαινομένου της επιφανειακής τάσης είναι ότι για να αυξηθεί η επιφάνεια ενός υγρού - τεντώστε το - πρέπει να γίνει μηχανική εργασία για να ξεπεραστούν οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης. Επομένως, εάν το υγρό μείνει μόνο του, τείνει να πάρει ένα σχήμα στο οποίο η επιφάνειά του είναι ελάχιστη. Αυτό το σχήμα φυσικά είναι σφαίρα - γι' αυτό οι σταγόνες βροχής κατά την πτήση παίρνουν σχεδόν σφαιρικό σχήμα (λέω "σχεδόν" γιατί οι σταγόνες είναι ελαφρώς επιμήκεις κατά την πτήση λόγω αντίστασης του αέρα). Για τον ίδιο λόγο, σταγόνες νερού στο σώμα ενός αυτοκινήτου καλυμμένου με φρέσκο κερί μαζεύονται σε χάντρες.
Οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία - ειδικότερα στη χύτευση σφαιρικών σχημάτων, όπως η βολή κυνηγετικού όπλου. Τα σταγονίδια λιωμένου μετάλλου απλώς αφήνονται να στερεοποιηθούν κατά την πτήση όταν πέφτουν από αρκετό ύψος για να το κάνουν, και στερεοποιούνται σε μπάλες πριν πέσουν σε ένα δοχείο υποδοχής.
Υπάρχουν πολλά παραδείγματα δυνάμεων επιφανειακής τάσης σε δράση από την καθημερινή μας ζωή. Υπό την επίδραση του ανέμου, σχηματίζονται κυματισμοί στην επιφάνεια των ωκεανών, των θαλασσών και των λιμνών, και αυτοί οι κυματισμοί είναι κύματα στα οποία η ανοδική δύναμη της εσωτερικής πίεσης του νερού εξισορροπείται από την καθοδική δύναμη της επιφανειακής τάσης. Αυτές οι δύο δυνάμεις εναλλάσσονται και σχηματίζονται κυματισμοί στο νερό, όπως ακριβώς σχηματίζεται ένα κύμα στη χορδή ενός μουσικού οργάνου λόγω εναλλασσόμενου τεντώματος και συμπίεσης.
Το αν το υγρό θα συγκεντρωθεί σε "σφαιρίδια" ή θα απλωθεί ομοιόμορφα σε μια στερεή επιφάνεια εξαρτάται από την αναλογία των δυνάμεων της διαμοριακής αλληλεπίδρασης στο υγρό, που προκαλεί επιφανειακή τάση, και τις δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων του υγρού και της στερεής επιφάνειας. Στο υγρό νερό, για παράδειγμα, οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης οφείλονται στους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των μορίων ( εκ.χημικοί δεσμοί). Η επιφάνεια του γυαλιού βρέχεται από νερό, καθώς το γυαλί περιέχει αρκετά μεγάλο αριθμό ατόμων οξυγόνου και το νερό σχηματίζει εύκολα δεσμούς υδρογόνου όχι μόνο με άλλα μόρια νερού, αλλά και με άτομα οξυγόνου. Εάν εφαρμοστεί γράσο στην επιφάνεια του γυαλιού, δεν θα σχηματιστούν δεσμοί υδρογόνου με την επιφάνεια και το νερό θα συγκεντρωθεί σε σταγονίδια υπό την επίδραση εσωτερικών δεσμών υδρογόνου, οι οποίοι καθορίζουν την επιφανειακή τάση.
Στη χημική βιομηχανία, ειδικοί διαβρεκτικοί παράγοντες προστίθενται συχνά στο νερό - επιφανειοδραστικές ουσίες, - αποτρέποντας τη συλλογή νερού σε σταγόνες σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Προστίθενται, για παράδειγμα, σε υγρά απορρυπαντικά για πλυντήρια πιάτων. Μπαίνοντας στο επιφανειακό στρώμα του νερού, τα μόρια τέτοιων αντιδραστηρίων εξασθενούν αισθητά τις δυνάμεις επιφανειακής τάσης, το νερό δεν συλλέγεται σε σταγόνες και δεν αφήνει βρώμικες κηλίδες στην επιφάνεια μετά την ξήρανση ( εκ.
Η πιο χαρακτηριστική ιδιότητα ενός υγρού, που το διακρίνει από ένα αέριο, είναι ότι στο όριο με ένα αέριο, το υγρό σχηματίζει μια ελεύθερη επιφάνεια, η παρουσία της οποίας οδηγεί στην εμφάνιση ενός ειδικού είδους φαινομένων που ονομάζονται επιφάνεια. Οφείλουν την εμφάνισή τους στις ειδικές φυσικές συνθήκες στις οποίες βρίσκονται τα μόρια κοντά στην ελεύθερη επιφάνεια.
Ελκτικές δυνάμεις δρουν σε κάθε μόριο υγρού από τα μόρια που το περιβάλλουν, που βρίσκονται σε απόσταση περίπου 10 -9 m από αυτό (ακτίνα μοριακής δράσης). ανά μόριο Μ 1 που βρίσκεται μέσα στο υγρό (Εικ. 1), δρουν δυνάμεις από τα ίδια μόρια και το αποτέλεσμα αυτών των δυνάμεων είναι κοντά στο μηδέν.
Για τα μόρια Μ 2 δυνάμεις που προκύπτουν είναι μη μηδενικές και κατευθύνονται μέσα στο υγρό, κάθετα στην επιφάνειά του. Έτσι, όλα τα μόρια υγρού στο επιφανειακό στρώμα έλκονται μέσα στο υγρό. Αλλά ο χώρος μέσα στο υγρό καταλαμβάνεται από άλλα μόρια, έτσι το επιφανειακό στρώμα δημιουργεί πίεση στο υγρό (μοριακή πίεση).
Για να μετακινήσετε ένα μόριο Μ 3 που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το επιφανειακό στρώμα, στην επιφάνεια, είναι απαραίτητο να εκτελέσετε εργασία ενάντια στις δυνάμεις της μοριακής πίεσης. Επομένως, τα μόρια του επιφανειακού στρώματος του υγρού έχουν επιπλέον δυναμική ενέργεια σε σύγκριση με τα μόρια μέσα στο υγρό. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται επιφανειακή ενέργεια.
Προφανώς, όσο μεγαλύτερη είναι η ελεύθερη επιφάνεια, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή ενέργεια. Αφήστε το εμβαδόν της ελεύθερης επιφάνειας να αλλάξει κατά Δ μικρό, ενώ η επιφανειακή ενέργεια άλλαξε κατά \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\), όπου σ είναι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης. Αφού για αυτή την αλλαγή είναι απαραίτητο να γίνει δουλειά
\(~A = \Delta W_p ,\) μετά \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)
Επομένως \(~\sigma = \dfrac(A)(\Delta S)\) .
Η μονάδα SI για την επιφανειακή τάση είναι το τζάουλ ανά τετραγωνικό μέτρο(J / m 2).
- μια τιμή αριθμητικά ίση με το έργο που γίνεται από μοριακές δυνάμεις όταν η περιοχή της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού αλλάζει κατά 1 m 2 σε σταθερή θερμοκρασία.
Εφόσον οποιοδήποτε σύστημα, αφημένο μόνο του, τείνει να πάρει μια θέση στην οποία η δυναμική του ενέργεια είναι η μικρότερη, το υγρό παρουσιάζει μια τάση να μειώνει την ελεύθερη επιφάνεια. Το επιφανειακό στρώμα του υγρού συμπεριφέρεται σαν τεντωμένο ελαστικό φιλμ, δηλ. τείνει πάντα να μειώνει την επιφάνειά του σε ελάχιστες διαστάσειςδυνατό για έναν δεδομένο όγκο.
Για παράδειγμα, μια σταγόνα υγρού σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας έχει σφαιρικό σχήμα.
Επιφανειακή τάση
Η ιδιότητα της επιφάνειας ενός υγρού να συρρικνώνεται μπορεί να ερμηνευθεί ως η ύπαρξη δυνάμεων που τείνουν να κοντύνουν αυτήν την επιφάνεια. Μόριο Μ 1 (Εικ. 2), που βρίσκεται στην επιφάνεια του υγρού, αλληλεπιδρά όχι μόνο με μόρια που βρίσκονται μέσα στο υγρό, αλλά και με μόρια που βρίσκονται στην επιφάνεια του υγρού, που βρίσκονται εντός της σφαίρας μοριακής δράσης. Για ένα μόριο Μ 1 το προκύπτον \(~\vec R\) των μοριακών δυνάμεων που κατευθύνονται κατά μήκος της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού είναι ίσο με μηδέν, και για ένα μόριο Μ 2 που βρίσκεται στο όριο της υγρής επιφάνειας, \(~\vec R \ne 0\) και \(~\vec R\) κατευθύνεται κατά μήκος της κάθετης προς τα όρια της ελεύθερης επιφάνειας και εφαπτομενικά στην ίδια την υγρή επιφάνεια.
Το αποτέλεσμα των δυνάμεων που δρουν σε όλα τα μόρια που βρίσκονται στο όριο της ελεύθερης επιφάνειας είναι η δύναμη επιφανειακή τάση. Γενικά, δρα με τέτοιο τρόπο που τείνει να μειώσει την επιφάνεια του υγρού.
Μπορούμε να υποθέσουμε ότι η δύναμη επιφανειακής τάσης \(~\vec F\) είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος μεγάλοτα όρια του επιφανειακού στρώματος του υγρού, επειδή σε όλα τα μέρη του επιφανειακού στρώματος του υγρού τα μόρια βρίσκονται στις ίδιες συνθήκες:
\(~F \sim l .\)
Πράγματι, σκεφτείτε ένα κατακόρυφο ορθογώνιο πλαίσιο (Εικ. 3, α, β), του οποίου η κινητή πλευρά είναι ισορροπημένη. Αφού αφαιρέσετε το πλαίσιο από το διάλυμα μεμβράνης σαπουνιού, το κινητό μέρος μετακινείται από τη θέση 1 στη θέση 2 . Λαμβάνοντας υπόψη ότι η μεμβράνη είναι μια λεπτή στρώση υγρού και έχει δύο ελεύθερες επιφάνειες, βρίσκουμε τη δουλειά που γίνεται όταν μετακινούμε την εγκάρσια ράβδο σε απόσταση η = ένα 1 ⋅ ένα 2: ΕΝΑ = 2F⋅h, Οπου φά- τη δύναμη που ασκεί το πλαίσιο από την πλευρά κάθε επιφανειακής στρώσης. Από την άλλη πλευρά, \(~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).
Επομένως, \(~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Δεξί βέλος F = \sigma \cdot l\), από όπου \(~\sigma = \dfrac Fl\).
Σύμφωνα με αυτόν τον τύπο, η μονάδα SI για την επιφανειακή τάση είναι newton ανά μέτρο (N/m).
Συντελεστής επιφανειακής τάσηςΤο σ είναι αριθμητικά ίσο με τη δύναμη επιφανειακής τάσης που ενεργεί ανά μονάδα μήκους του ορίου της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού. Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από τη φύση του υγρού, από τη θερμοκρασία και από την παρουσία ακαθαρσιών. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, μειώνεται.
- Στην κρίσιμη θερμοκρασία, όταν η διάκριση μεταξύ υγρού και ατμού εξαφανίζεται, σ = 0.
Οι ακαθαρσίες γενικά μειώνουν (μερικές αυξάνουν) τον συντελεστή επιφανειακής τάσης.
Έτσι, το επιφανειακό στρώμα ενός υγρού είναι, σαν να λέγαμε, μια ελαστική τεντωμένη μεμβράνη που καλύπτει ολόκληρο το υγρό και τείνει να το συλλέγει σε μια «σταγόνα». Ένα τέτοιο μοντέλο (ελαστική τεντωμένη μεμβράνη) καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των δυνάμεων επιφανειακής τάσης. Για παράδειγμα, εάν μια μεμβράνη τεντωθεί υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, τότε η δύναμη επιφανειακής τάσης θα κατευθυνθεί κατά μήκος της επιφάνειας του υγρού ενάντια στην τάνυση. Ωστόσο, αυτή η κατάσταση διαφέρει σημαντικά από την τάση ενός ελαστικού φιλμ από καουτσούκ. Ένα ελαστικό φιλμ τεντώνεται αυξάνοντας την απόσταση μεταξύ των σωματιδίων, ενώ η δύναμη τάσης αυξάνεται, ενώ τεντώνεται το υγρό φιλμ, η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων δεν αλλάζει και η αύξηση της επιφάνειας επιτυγχάνεται ως αποτέλεσμα της μετάβασης των μορίων από το υγρό στο επιφανειακό στρώμα. Επομένως, με την αύξηση της επιφάνειας του υγρού, η δύναμη επιφανειακής τάσης δεν αλλάζει (δεν εξαρτάται από την επιφάνεια).
δείτε επίσης
- Kikoin A.K. Στις δυνάμεις της επιφανειακής τάσης // Kvant. - 1983. - Νο. 12. - Σ. 27-28
ύγρανση
Σε περίπτωση επαφής με στερεό σώμα, οι δυνάμεις προσκόλλησης υγρών μορίων σε μόρια συμπαγές σώμαξεκινήστε να παίζετε ουσιαστικό ρόλο. Η συμπεριφορά ενός υγρού θα εξαρτηθεί από το ποια είναι μεγαλύτερη: η προσκόλληση μεταξύ των μορίων του υγρού ή η προσκόλληση των μορίων του υγρού στα μόρια του στερεού.
ύγρανση- φαινόμενο που εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης υγρών μορίων με στερεά μόρια. Εάν οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων ενός υγρού και ενός στερεού είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων ενός υγρού, τότε το υγρό ονομάζεται ύγρανση; αν οι δυνάμεις έλξης του υγρού και του στερεού είναι μικρότερες από τις δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων του υγρού, τότε το υγρό λέγεται μη διαβρέχονταςαυτό το σώμα.
Το ίδιο υγρό μπορεί να είναι υγρό και μη διαβρεκτικό σε σχέση με διαφορετικά σώματα. Έτσι, το νερό βρέχει το γυαλί και δεν βρέχει μια λιπαρή επιφάνεια, ο υδράργυρος δεν βρέχει το γυαλί, αλλά τον χαλκό.
Η διαβροχή ή η μη διαβροχή των τοιχωμάτων του αγγείου στο οποίο βρίσκεται από ένα υγρό επηρεάζει το σχήμα της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού στο δοχείο. Εάν χυθεί μεγάλη ποσότητα υγρού σε ένα δοχείο, τότε το σχήμα της επιφάνειάς του καθορίζεται από τη δύναμη της βαρύτητας, η οποία παρέχει μια επίπεδη και οριζόντια επιφάνεια. Ωστόσο, κοντά στους τοίχους, το φαινόμενο της διαβροχής και της μη διαβροχής οδηγεί σε καμπυλότητα της υγρής επιφάνειας, το λεγόμενο εφέ άκρων.
Το ποσοτικό χαρακτηριστικό των εφέ ακμών είναι γωνία επαφήςθ είναι η γωνία μεταξύ του επιπέδου που εφάπτεται στην επιφάνεια του υγρού και της επιφάνειας του στερεού. Υπάρχει πάντα υγρό μέσα στη γωνία επαφής (Εικ. 4, α, β). Όταν βρέχεται, θα είναι αιχμηρό (Εικ. 4, α), και όταν δεν είναι βρεγμένο, θα είναι αμβλύ (Εικ. 4, β). Σε ένα σχολικό μάθημα φυσικής, λαμβάνεται υπόψη μόνο η πλήρης διαβροχή (θ = 0º) ή η πλήρης μη διαβροχή (θ = 180º).
Οι δυνάμεις που συνδέονται με την παρουσία επιφανειακής τάσης και κατευθύνονται εφαπτομενικά στην επιφάνεια του υγρού, στην περίπτωση μιας κυρτής επιφάνειας, δίνουν την προκύπτουσα δύναμη που κατευθύνεται μέσα στο υγρό (Εικ. 5, α). Στην περίπτωση μιας κοίλης επιφάνειας, η δύναμη που προκύπτει κατευθύνεται, αντίθετα, προς το αέριο που γειτνιάζει με το υγρό (Εικ. 5, β).
Εάν το υγρό διαβροχής βρίσκεται στην ανοιχτή επιφάνεια ενός στερεού σώματος (Εικ. 6, α), τότε απλώνεται σε αυτήν την επιφάνεια. Αν στην ανοιχτή επιφάνεια ενός στερεού σώματος υπάρχει υγρό που δεν διαβρέχεται, τότε αυτό παίρνει σχήμα κοντά σε σφαιρικό (Εικ. 6, β).
Το βρέξιμο είναι σημαντικό τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στη βιομηχανία. Η καλή διαβροχή είναι απαραίτητη κατά τη βαφή, το πλύσιμο, την επεξεργασία φωτογραφικών υλικών, την εφαρμογή χρωμάτων και βερνικιών, κατά την κόλληση υλικών, κατά τη συγκόλληση, σε διαδικασίες επίπλευσης (εμπλουτισμός μεταλλευμάτων με πολύτιμο πέτρωμα). Αντίθετα, κατά την κατασκευή στεγανωτικών συσκευών χρειάζονται υλικά που δεν βρέχονται από το νερό.
Τριχοειδή φαινόμενα
Η καμπυλότητα της επιφάνειας του υγρού στις άκρες του αγγείου φαίνεται ιδιαίτερα καθαρά σε στενούς σωλήνες, όπου ολόκληρη η ελεύθερη επιφάνεια του υγρού είναι καμπυλωμένη. Σε σωλήνες με στενή διατομή, αυτή η επιφάνεια είναι μέρος μιας σφαίρας, ονομάζεται μηνίσκος. Ένα υγρό διαβροχής έχει έναν κοίλο μηνίσκο (Εικ. 7, α), ενώ ένα υγρό που δεν διαβρέχεται έχει έναν κυρτό (Εικ. 7, β). Δεδομένου ότι η επιφάνεια του μηνίσκου είναι μεγαλύτερη από την περιοχή διατομήσωλήνα, τότε υπό τη δράση μοριακών δυνάμεων, η καμπύλη επιφάνεια του υγρού τείνει να ισιώσει.
Δημιουργούνται δυνάμεις επιφανειακής τάσης επιπλέον (Λαπλάσια)πίεση κάτω από μια καμπύλη υγρή επιφάνεια.
Αν η επιφάνεια του υγρού κοίλος, τότε η δύναμη επιφανειακής τάσης κατευθύνεται έξω από το υγρό (Εικ. 8, α) και η πίεση κάτω από την κοίλη επιφάνεια του υγρού είναι μικρότερη από ό,τι κάτω από την επίπεδη κατά \(~p = \dfrac(2 \sigma ) (R)\). Αν η επιφάνεια του υγρού κυρτός, τότε η δύναμη επιφανειακής τάσης κατευθύνεται στο εσωτερικό του υγρού (Εικ. 8, β) και η πίεση κάτω από την κυρτή επιφάνεια του υγρού είναι μεγαλύτερη από ό,τι κάτω από την επίπεδη κατά την ίδια τιμή.
Ρύζι. 8 - Αυτός ο τύπος είναι μια ειδική περίπτωση του τύπου Laplace, ο οποίος καθορίζει την υπερπίεση για μια αυθαίρετη υγρή επιφάνεια διπλής καμπυλότητας:
Οπου R 1 και R 2 - ακτίνες καμπυλότητας οποιωνδήποτε δύο αμοιβαία κάθετων κανονικών τμημάτων της υγρής επιφάνειας. Η ακτίνα καμπυλότητας είναι θετική εάν το κέντρο καμπυλότητας του αντίστοιχου τμήματος βρίσκεται μέσα στο ρευστό και αρνητική εάν το κέντρο καμπυλότητας είναι έξω από το ρευστό. Για κυλινδρική επιφάνεια ( R 1 = μεγάλο; R 2 = ∞) υπερπίεση \(~p = \dfrac(\sigma)(R)\) .
Αν τοποθετήσουμε ένα στενό σωλήνα ( τριχοειδής) στο ένα άκρο σε ένα υγρό που χύνεται σε ένα φαρδύ δοχείο και, στη συνέχεια, λόγω της παρουσίας της δύναμης πίεσης της Λαπλάσιας, το υγρό στο τριχοειδές ανεβαίνει (αν το υγρό βρέχεται) ή πέφτει (αν το υγρό δεν βρέχεται) (Εικ. 9, α, β), αφού κάτω από την επίπεδη επιφάνεια του υγρού μέσα δεν υπάρχει υπερβολική πίεση σε ένα ευρύ δοχείο.
Τα φαινόμενα αλλαγής του ύψους της στάθμης του υγρού στα τριχοειδή αγγεία σε σύγκριση με τη στάθμη του υγρού σε φαρδιά αγγεία ονομάζονται τριχοειδή φαινόμενα.
Το υγρό στο τριχοειδές ανεβαίνει ή πέφτει σε τέτοιο ύψος η, στην οποία η δύναμη της υδροστατικής πίεσης της στήλης του υγρού εξισορροπείται από τη δύναμη της περίσσειας πίεσης, δηλ.
\(~\dfrac(2 \sigma)(R) = \rho \cdot g \cdot h .\)
Από όπου \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R)\). Εάν η διαβροχή δεν έχει ολοκληρωθεί θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), τότε, όπως δείχνουν οι υπολογισμοί, \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R) \cdot \cos \theta\).
Τα τριχοειδή φαινόμενα είναι πολύ συχνά. Άνοδος του νερού στο έδαφος, σύστημα αιμοφόρα αγγείαστους πνεύμονες ριζικό σύστημαΣτα φυτά, το φυτίλι και το στυπόχαρτο είναι τριχοειδή συστήματα.
Βιβλιογραφία
- Aksenovich L. A. Φυσική στο Λύκειο: Θεωρία. Καθήκοντα. Δοκιμές: Proc. επίδομα για ιδρύματα που παρέχουν γενική. περιβάλλοντα, εκπαίδευση / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Εκδ. Κ. Σ. Φαρίνο. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 178-184.