Укажите единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение жидкостных веществ

Не только плотные физические тела, но и поверхности жидких веществ обладают эластичными параметрами. Любой человек хоть раз в собственной жизни наблюдал за вытягиванием плёнки даже при незначительном изготовлении мыльных пузырьков. Нажимы поверхностного натяжения, появляющиеся в мыльной пленке, сдерживают воздух на некоторый промежуток времени, подобный тому, как растянувшаяся резиновая камера удерживает воздух в мяче для футбола.

Поверхностное натяжение появляется на пороге разделения ключевых фаз, к примеру, газообразной и жидкостной либо прочной и опять жидкостной. Это напрямую продиктовано тем, что простейшие частицы поверхностного пласта жидкостного вещества неизменно подвергаются разнообразным силам притяжения, как изнутри, так и снаружи. Данный физический процесс можно проиллюстрировать на примере водной капли, в которой жидкостное вещество движется так, как будто бы капля заключена в эластичную оболочку. В данном случае атомы поверхностного слоя жидкой материи взаимно притягиваются с такими же, расположенными, внутри мощнее, чем к частицам воздуха снаружи.

В конце концов, поверхностное натяжение вполне следует трактовать, как беспредельно малую (элементарную) работу – \(σA\) , которую требуется осуществить при устойчивой температуре – \(dt\) , для расширения всей площади поверхностного слоя жидкости на бесконечно малую величину – \(dS\) .

Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостных веществах

Отлично от твёрдых тел и газообразных веществ, жидкостное вещество не может наполнить собой в полном объёме ёмкость, в которую данное вещество было налита. Посредине газообразных и жидких субстанций возникает конкретная грань раздела, которая, в сравнении с иной массой жидкости, функционирует в специфических условиях. В качестве более наглядного примера возьмём две молекулы – A и B. Частица A располагается внутри самой жидкости, молекула B – прямо на её поверхности. Молекула A находится в окружении остальных атомов жидкости равномерно, по этой причине, влияющие на неё силы со стороны проникающих в сферу межмолекулярного взаимного действия частиц, неизменно скомпенсированы. Другими словами, их равнодействующая мощь приравнивается к «нулю».

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Второй элемент – молекула B – она с одной стороны окружена молекулами жидкостного вещества, а с другой – атомами газа, суммарная концентрация последних в большой степени ниже, чем совокупность простейших частиц жидкостного вещества. Ввиду того, что на молекулу B со стороны жидкостного вещества оказывает влияние неизмеримо большее число молекул, чем со стороны идеального газа, равнодействующую всех межмолекулярных сил уже нельзя сравнить с нулём, потому что данная величина повёрнута внутрь объёма вещества.

Получается так: для того чтобы молекула из середины жидкостного вещества возникла на поверхности, необходимо проделать процедуру наперекор некомпенсированным силам. Что, в свою очередь, свидетельствует, о том, что атомы на поверхности, сравнительно с частицами жидкостного вещества изнутри, снабжены излишней потенциальной энергией, называемой поверхностной энергией.

Коэффициент поверхностного натяжения

В физике, согласно международной системы единиц (СИ), единицей измерения номер один принята величина коэффициента поверхностного натяжения N/m (ньютон на метр). К примеру: у воды коэффициент поверхностного натяжения при температуре +25°С на открытом воздухе соответствует 73мН/м. Данная норма имеет прямую зависимость от:

• Температуры – чем она более высокая, тем окончательное поверхностное натяжение уменьшается.
• Природы, т.е. от сил тяготения между молекулами конкретного жидкостного вещества (у «летучих» компонентов данного типа, как спирт, эфир или бензин, коэффициент поверхностного натяжения намного ниже, чем у «нелетучих» – ртути или воды).
• Свойств эталонного газа, прилегающего к этому жидкостному веществу.
• Присутствия в жидкостных веществах неизменных поверхностно-активных составных частей (например, мыла, стирального порошка), данные параметры приспособлены ослабить поверхностное натяжение.

Из раздела механики общеизвестно, что стабильному состоянию системы постоянно отвечает наименьшая величина её внутренней энергии. В результате такого рода физического процесса жидкое тело зачастую приобретает форму с наименьшей поверхностью. Когда на жидкостное вещество не оказывают влияния сторонние силы или их влияние крайне мало, её элементы стремятся к форме сферы в виде капли воды или мыльного пузыря. Подобным способом начинает вести себя и вода, пребывая в невесомости.

Жидкостное вещество продвигается так, как будто по касательной к её главной поверхности работают такие факторы, которые сокращают данную среду. Такие силы именуются силами поверхностного натяжения. Из этого вытекает, что коэффициент поверхностного натяжения, вероятно, можно назвать основным модулем силы поверхностного натяжения, который совокупно влияет на единицу длины исходного контура, сдерживающего свободную среду жидкости. Существование приведённых параметров превращает поверхность жидкого вещества в растянутую эластичную плёнку, с той лишь разницей, что стабильные силы в плёнке напрямую зависят от её площади, а сами силы поверхностного натяжения умеют работать самостоятельно.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Если поместить швейную иглу небольшого размера на поверхность жидкостного вещества, его гладь провиснет и не даст игле погрузиться на дно. Воздушное движение насекомых, например, водомерок, по обширной поверхности водного объекта, можно объяснить влиянием внешнего фактора. Лапки этого вида членистоногих изменяют поверхность воды, непосредственно укрупняя её площадь. В итоге создаётся сила поверхностного натяжения, которая стремится свести к минимуму такого рода изменение площади. Сила, которая производит одинаковое действие, всегда будет направлена преимущественно вверх, при этом восполняя действие тяжести.

Итоги действия поверхностного натяжения

С поверхностным натяжением жидкости мы соприкасаемся каждый день: самостоятельные капли воды стремятся получить форму, подобную шарообразной, поток воды приближается к форме цилиндра. Находясь под воздействием поверхностного натяжения малое число жидких сред пытаются принять форму шара, максимально равной самой меньшей мере в окружающей среде. Близость к конфигурации шара добивается тем больше, чем слабее исходные силы тяжести, потому что у маленьких частиц жидкости индекс силы поверхностного натяжения в разы перевешивает силу тяжести. Исследуемое натяжение принято считать одной из значительных характеристик поверхностей разделения фаз. Оно напрямую влияет на образование мелкодисперсных элементарных частиц физических тел и жидкостных веществ при их расщеплении. Поверхностное натяжение в свою очередь воздействует и на объединение компонентов (пузырей) когда образуется туман, в эмульсиях, в пенах, во время сцепления плоскостей (процессы адгезии).

Преобразование сил этого физического процесса оказывает влияние на процесс, во время которого простейшие клетки или ткани одного организма присваивают и перетравляют твёрдые частицы иного организма (фагоцитоз), а также влияют на процессы газообмена между альвеолярным воздухом и кровью капилляров лёгких (альвеолярное дыхание). Вследствие этого явления вещества, имеющие поры, способны в течение долгого промежутка времени держать очень большое количество жидкостного вещества даже из паров воздуха. В значительной мере имеют распространение и капиллярные процессы, допускающие преобразования высоты всплеска жидкостного вещества в капиллярах при сопоставлении с уровнем жидкости в гораздо просторной ёмкости. При помощи описанных явлений предопределено подымание воды в почвах, в корнях растений, а также циркуляция биологических жидкостных веществ по разветвлённых в организме системах микроскопических каналов и ёмкостей.

Источник

Поверхностное натяжение жидкости

Что такое поверхностное натяжение жидкости

Поверхностное натяжение — характеристика поверхности раздела двух фаз, которые находятся в равновесии. Характеристика определяется работой образования единицы площади этой поверхности раздела.

Выражается произведением:

\(\mathcal F=\sigma\mathcal l\) , Н

\(\sigma\) — коэффициент поверхностного натяжения, Н/м

\(\mathcal l\) — длина, м

Направление силы: по касательной к поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения ( \(\sigma\) ) — сила, которая действует на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости (Н/м).

Коэффициент поверхностного натяжения – коэффициент, равный работе, которую необходимо совершить для образования поверхности жидкости площадью \(S\) при постоянной температуре.

\(\mathcal S\) — площадь поверхности жидкости

Зависит от:

1. Рода жидкости и ее свойств.
2. Температуры (чем больше температура, тем меньше натяжение).
3. Наличия ПАВ (поверхностно-активных веществ. Например, мыло).
4. Присутствия каких-либо примесей.
5. Свойств газа, контактирующего с жидкостью.

Чем вызвано поверхностное натяжение

Причина возникновения явления поверхностного напряжения: молекулы, которые составляют верхний слой жидкости. Они создают взаимодействие между собой, возникает натяжение.

Жидкости стремятся принять форму, которая требует минимальной площади поверхности.

Силы поверхностного натяжения

Силы поверхностного натяжения работают вдоль поверхности жидкости перпендикулярно контуру. Сокращают ее площадь. Это похоже на пленку, которая стягивает объем. На сам объем силы не оказывают влияние.

Примеры в окружающей среде

• движение водомерки по воде (ее лапки покрыты воскообразным веществом);
• капля росы, дождя, из пипетки;
• цилиндрическая форма струи воды;
• мыльный пузырь.

Расчет поверхностного натяжения в задачах

Задача 1

Дано

Имеется пипетка с диаметром отверстия \(d=2\) мм. В ходе опыта выяснилось, что \(40\) капель имеют массу равную \(1,9\) г. Вычислите коэффициент поверхностного натяжения.

Решение

Найдем массу одной капли и длину окружности.

\(\mathcal l=\mathrm\pi\mathcal d\\\)

Напишем условие равновесия капли из пипетки.

Выразим коэффициент поверхностного натяжения.

Задача 2

Дано

Сосуд со ртутью имеет отверстие диаметром 70 мкм. Возможно ли без измерения определить максимальную высоту слоя ртути, при которой она не будет вытекать через отверстие?

Решение

Ртуть начнет вытекать тогда, когда произойдет увеличение силы ее давления относительно силы поверхностного натяжения.

\(\mathcal=\mathcal F\\\rho\mathcal=\sigma\mathcal l\\\)

Задача 3

Дано

Есть игла длиной \(3,5\) см и массой \(0,3\) г. Сможем ли мы произвести следующее действие: положить иголку на поверхность воды. Или же она утонет? Какие силы действуют на иголку?

Решение

На иглу действует сила тяжести. Если мы найдем ее и сравним с силой поверхностного натяжения, то узнаем ответ.

Сравниваем силы и видим, что значение силы тяжести больше величины поверхностного натяжения.

Ответ: Игла утонет.

Задача 4

Почему возникают сложности с тем, чтобы снять мокрые перчатки с рук?

Ответ: Молекулы воды взаимодействуют с молекулами перчатки. По этой причине мы чувствуем сопротивление при стягивании перчаток с рук.

Задача 5

Дано

Есть капиллярная трубка ( \(R=0,5\) мм). В ней столб жидкости высотой 11 мм. Определите плотность жидкости, если \(\sigma=22\;мН/м.\\\\\\\\\)

Решение

Воспользуемся формулой для капилляра.

Задача 6

Дано

Алюминиевое кольцо массой 7 г и радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Какую силу нужно приложить, чтобы оторвать кольцо от жидкости? Раствор имеет комнатную температуру.

Решение

Помимо натяжения на кольцо действует внешняя сила и сила тяжести.

Важно то, что кольцо соприкасается жидкости двумя сторонами. Умножаем на 2.

\(\mathcal F=mg+4\mathrm<πσR>\\\mathcal F=7\ast10^<-3>\ast9,8+4\mathrm\pi\ast4\ast10^<-2>\ast7,8\ast10^<-2>=0,11\;\mathrm Н\\\\\\\)

Источник

Единицы измерения поверхностного натяжения

Энергетическому и силовому определению поверхностного натяжения соответствует энергетическая и силовая единица измерения. Энергетической единицей является Дж/м 2 , силовой – Н/м. Энергетическое и силовое выражение эквивалентны, и численная величина совпадает в обеих размерностях. Так для воды при 293 К:

Одна размерность легко выводится из другой:

СИ: Дж/м 2 = Н∙м/м 2 =Н/м;

Влияние различных факторов на величину

Поверхностного натяжения

Влияние химической природы вещества

Поверхностное натяжение – работа, затрачиваемая на разрыв межмолекулярных связей. Поэтому, чем сильнее межмолекулярные связи в данном теле, тем больше его поверхностное натяжение на границе с газовой фазой. Следовательно, поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей, имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных жидкостей. Большим поверхностным натяжением обладают вещества, имеющие межмолекулярные водородные связи, например вода.

Значения поверхностного натяжения и удельной поверхностной энергии некоторых веществ на границе с воздухом

Вещество	Т, К	σ·10 3 Дж/м 2	Вещество	Т, К	σ·10 3 Дж/м 2
Гелий (ж)	0,22	Серебро (ж)
Бензол	28,2	* Серебро (т)
Муравьиная к-та	36,3	* Железо (т)
Вода	71,96	* Вольфрам (т)
Ртуть	473,5	* Алмаз

* – приведены значения удельной поверхностной энергии

Влияние температуры

С ростом температуры расстояние между молекулами увеличивается, с увеличением температуры поверхностное натяжение индивидуальных жидкостей уменьшается, то есть выполняется соотношение:

Для многих жидкостей зависимость σ=f(T) близка к линейной. Экстраполяция линейной зависимости к оси абсцисс определяет критическую температуру Т_С данного вещества. При этой температуре двухфазная система жидкость – пар перестает существовать и становится однофазной.

Рис.9.2.Влияние температуры на величину поверхностного натяжения

Для большинства неполярных жидкостей зависимость поверхностного натяжения от температуры выражается уравнением: , (9.5) где σТ – поверхностное натяжение при любой температуре, σ0 – поверхностное натяжение при стандартной температуре, ΔТ – разность между данной и стандартной температурой, α – температурный коэффициент поверхностного натяжения: (9.6)

Для многих веществ температурные коэффициенты поверхностного натяжения составляют примерно от –0,1 до –0,2 мДж/(м 2 К).

Влияние природы граничащих фаз

Поверхностное натяжение (σ₁₂) на границе двух жидкостей 1 и 2 зависит от их химической природы (полярности). Чем больше разность полярностей жидкостей, тем больше поверхностное натяжение на границе их раздела (правило Ребиндера).

Количественно межфазное поверхностное натяжение на границе двух взаимно насыщенных жидкостей можно рассчитать по приближенному правилу Антонова.

Правило Антонова (1907):Если жидкости ограниченно растворимы друг в друге, то поверхностное натяжение на границе ж₁/ж₂ равно разности между поверхностными натяжениями взаимно насыщенных жидкостей на границе их с воздухом или с их собственным паром:

. (9.7)

Смачивание

Смачивание – взаимодействие жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздух).

При нанесении небольшого количества жидкости на поверхность твердого тела или на поверхность другой жидкости, имеющей большую плотность, возможно два случая: в первом случае жидкость приобретает форму капли, в другом случае растекается. Рассмотрим первый процесс, когда капля не растекается по поверхности другого тела.

Рис.9.3.Смачвание на границе раздела трех фаз

Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердого тела в условиях равновесия. Так как поверхностное натяжение можно рассматривать как энергию, приходящуюся на единицу площади, или как силу, действующую на единицу длины, то все рассмотренные составляющие поверхностной энергии можно выразить с помощью векторов сил.

На единицу длины периметра действуют три силы:

1. Поверхностная энергия твердого тела, стремясь уменьшиться, растягивает каплю по поверхности. Эта энергия равна поверхностному натяжению твердого тела на границе с воздухом σ_ТГ.

2. Поверхностная энергия на границе твердого тела с жидкостью σ_ТЖ стремится сжать каплю, то есть поверхностная энергия уменьшается за счет снижения площади поверхности.

3. Поверхностная энергия на границе капли жидкости с воздухом σ_ЖГ направлена по касательной к сферической поверхности капли.

Угол θ, образованный касательными к межфазным поверхностям, ограничивающим смачиваемую жидкость, и имеющий вершину на линии раздела трех фаз, называется краевым углом или углом смачивания.

Проекция вектора σ_ЖГ на горизонтальную ось – произведение σ_ЖГ ·cos θ.

В условиях равновесия:

. (9.9)

Полученное соотношение (9.9) называют уравнением Юнга.

В зависимости от значений равновесного краевого угла, различают три основных вида смачивания:

Анализ уравнения Юнга

1. Если σ_ТГ> σ_ТЖ, то cos θ > 0 и θ 90° (краевой угол смачивания тупой) – несмачивание. Пример: вода на парафине или тефлоне.

3. Если σ_ТГ = σ_ТЖ, то cos θ = 0 и θ = 90° – граница между смачиваемостью и несмачиваемостью.

4. Если , то cos θ = 1 и θ = 0° – полное смачивание (растекание) – капля растекается в тонкую пленку. Пример: ртуть на поверхности свинца, очищенного от оксидной пленки.

Полного несмачивания, то есть такого положения, когда θ = 180°, не наблюдается, так как при соприкосновении конденсированных тел поверхностная энергия всегда уменьшается.

Смачиваемость водой некоторых твердых тел характеризуется следующими краевыми углами: кварц – 0°, малахит – 17° , графит – 55°, парафин – 106°. Хуже всего смачивается водой тефлон, краевой угол смачивания – 120°.

Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Согласно приближенному правилу – лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу.

По виду избирательного смачивания все твердые тела делят на три группы:

· Гидрофильные (олеофобные) материалы – лучше смачиваются водой, чем неполярными углеводородами: кварц, силикаты, карбонаты, оксиды и гидроксиды металлов, минералы (краевой угол меньше 90° со стороны воды).

· Гидрофобные (олеофильные) материалы –лучше смачиваются неполярными жидкостями, чем водой: графит, уголь, сера, парафин, тефлон.

Пример 9.1. Определите краевой угол смачивания, образованный каплей воды на твердом теле, если поверхностное натяжение на границе воздух твердое тело, вода-твердое тело и вода-воздух соответственно равны: 0,057; 0,020; 0,074 Дж/м 2 . Будет ли вода смачивать данную поверхность?

Решение:

По закону Юнга:

cos θ 90° – данная поверхность водой не смачивается.

Флотация

Флотация относится к наиболее распространенным методам обогащения полезных ископаемых. Этим методом обогащается около 90% руд цветных металлов, уголь, сера и другие природные материалы.

Флотационное обогащение (разделение) основано на различной смачиваемости водой ценных минералов и пустой породы. В случае пенной флотации через водную суспензию измельченной руды (пульпу) барботируют воздух, к пузырькам которого прилипают гидрофобные частицы ценного минерала (чистые металлы или их сульфиды), всплывающие затем на поверхность воды, и с образовавшейся пеной снимаются механически для дальнейшей переработки. Пустая порода (кварц, алюмосиликаты) хорошо смачивается водой и оседает во флотационных машинах.

Пример 9.2. Порошок кварца и серы высыпали на поверхность воды. Какое явление можно ожидать, если краевой угол смачивания для кварца 0°, а для серы 78°.

Решение:

Так как для кварца θ = 0° – полное смачивание, то кварц будет полностью смачиваться водой и оседать на дно емкости. Краевой угол смачивания для серы близок к 90°, следовательно, порошок серы будет образовывать суспензию на поверхности воды.

Особенности искривленной поверхности раздела фаз

Рассмотрим еще одно важное качество дисперсных систем, связанное с раздробленностью – резкое увеличение кривизны поверхности частиц по сравнению с плоскостью.

За счет кривизны поверхности жидкой дисперсной фазы возникает избыточное внутримолекулярное давление (рис.9.6):

, (9.10)

где – разность давлений над искривленной поверхностью ( ) и давлением над плоской поверхностью ( ).

Рис. 9.5. Схема образования избыточного внутреннего давления с положительной кривизной.

Равнодействующая сил поверхностного натяжения как векторная величина компенсируется силой , которая направлена к центру частицы и перпендикулярна ее поверхности. В результате искривления поверхности совершается работа , которая приводит к уменьшению объема тела на величину dV. . (9.11)

Уравнение, связывающее избыточное внутримолекулярное давление с радиусом кривизны поверхности r:

· для сферической поверхности:

; (9.12)

· для цилиндрической поверхности:

; (9.13)

· для частиц произвольной формы:

. (9.14)

Уравнения (9.12-9.14) представляет собой закон капиллярного давления Лапласа для сферической, цилиндрической поверхностей и поверхности произвольной формы.

Кривизна поверхности может быть положительной и отрицательной. Если центр окружности находится внутри тела (рис.9.5), то кривизна поверхности считается положительной, тогда >0 – выпуклая поверхность, дополнительное избыточное давление увеличивает внутреннее давление жидкости (сжимает ее). Знак «+» в уравнении Лапласа для выпуклой поверхности:

. (9.15)

Источник