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 σταγόνες; 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, προσθέτοντας βιολογικά δραστικές ουσίες- 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 το υγρό έρχεται σε επαφή με στερεός, και με 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.
ΟΡΙΣΜΟΣ
Επιφανειακή τάση- η επιθυμία του υγρού να μειώσει την ελεύθερη επιφάνειά του, δηλ. να μειώσει την περίσσεια της δυναμικής του ενέργειας στη διεπιφάνεια με την αέρια φάση.
Ας περιγράψουμε μηχανισμός επιφανειακής τάσηςσε υγρά. Το υγρό, σε αντίθεση με τα αέρια, δεν γεμίζει ολόκληρο τον όγκο του δοχείου στο οποίο χύνεται. Σχηματίζεται μια διεπαφή μεταξύ του υγρού και του αερίου (ή του ατμού), η οποία βρίσκεται σε ειδικές συνθήκες σε σύγκριση με την υπόλοιπη μάζα του υγρού. Θεωρήστε δύο μόρια Α και Β. Το μόριο Α βρίσκεται μέσα στο υγρό, το μόριο Β βρίσκεται στην επιφάνειά του (Εικ. 1). Το μόριο Α περιβάλλεται από άλλα υγρά μόρια ομοιόμορφα, επομένως οι δυνάμεις που δρουν στο μόριο Α από μόρια που εμπίπτουν στη σφαίρα της διαμοριακής αλληλεπίδρασης αντισταθμίζονται ή, με άλλα λόγια, το αποτέλεσμα τους είναι μηδέν. Το μόριο Β περιβάλλεται από τη μία πλευρά από μόρια υγρών και από την άλλη πλευρά από μόρια αερίου, η συγκέντρωση των οποίων είναι πολύ χαμηλότερη από τη συγκέντρωση των υγρών μορίων. Δεδομένου ότι πολύ περισσότερα μόρια δρουν στο μόριο Β από την πλευρά του υγρού παρά από την πλευρά του αερίου, το αποτέλεσμα όλων των διαμοριακών δυνάμεων δεν θα είναι πλέον μηδενικό και θα κατευθύνεται εντός του όγκου του υγρού. Έτσι, για να φτάσει ένα μόριο από το βάθος του υγρού στο επιφανειακό στρώμα, είναι απαραίτητο να εκτελέσει εργασία ενάντια σε μη αντιρροπούμενες διαμοριακές δυνάμεις. Και αυτό σημαίνει ότι τα μόρια του στρώματος κοντά στην επιφάνεια, σε σύγκριση με τα μόρια μέσα στο υγρό, έχουν μια περίσσεια δυναμικής ενέργειας, η οποία ονομάζεται επιφανειακή ενέργεια.
Προφανώς, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του υγρού, τόσο περισσότερα τέτοια μόρια έχουν περίσσεια δυναμικής ενέργειας και επομένως τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή ενέργεια. Αυτό το γεγονός μπορεί να γραφτεί ως η ακόλουθη σχέση:
όπου είναι η επιφανειακή ενέργεια του υγρού, το εμβαδόν της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού και ο συντελεστής αναλογικότητας, που λέγεται συντελεστής επιφανειακής τάσης.
Συντελεστής επιφανειακής τάσης
ΟΡΙΣΜΟΣ
Συντελεστής επιφανειακής τάσηςείναι ένα φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει ένα δεδομένο υγρό και είναι αριθμητικά ίσο με τον λόγο της επιφανειακής ενέργειας προς το εμβαδόν της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού:
Η μονάδα SI για τον συντελεστή επιφανειακής τάσης είναι .
Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης ενός υγρού εξαρτάται: 1) από τη φύση του υγρού (για "πτητικά υγρά όπως αιθέρας, αλκοόλη, βενζίνη, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης είναι μικρότερος από ό,τι για "μη πτητικά υγρά - νερό, υδράργυρος). 2) στη θερμοκρασία του υγρού (όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο χαμηλότερη είναι η επιφανειακή τάση). 3) για τις ιδιότητες του αερίου που συνορεύει με το δεδομένο υγρό. 4) από την παρουσία επιφανειοδραστικών ουσιών όπως σαπούνι ή σκόνη πλυσίματος, που μειώνουν την επιφανειακή τάση. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης δεν εξαρτάται από την περιοχή της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού.
Είναι γνωστό από τη μηχανική ότι οι καταστάσεις ισορροπίας ενός συστήματος αντιστοιχούν στην ελάχιστη τιμή της δυναμικής του ενέργειας. Λόγω της επιφανειακής τάσης, ένα υγρό παίρνει πάντα ένα σχήμα με ελάχιστη επιφάνεια. Εάν άλλες δυνάμεις δεν δρουν στο υγρό ή η δράση τους είναι μικρή, το υγρό θα τείνει να πάρει τη μορφή σφαίρας, όπως μια σταγόνα νερού, μια σαπουνόφουσκα. Το νερό θα συμπεριφέρεται επίσης σε μηδενική βαρύτητα. Το ρευστό συμπεριφέρεται σαν δυνάμεις να δρουν εφαπτομενικά στην επιφάνειά του, μειώνοντας (συστέλλοντας) αυτήν την επιφάνεια. Αυτές οι δυνάμεις ονομάζονται δυνάμεις επιφανειακής τάσης.
Να γιατί συντελεστής επιφανειακής τάσηςμπορεί επίσης να οριστεί ως ο συντελεστής της δύναμης επιφανειακής τάσης που ενεργεί ανά μονάδα μήκους του περιγράμματος που περιορίζει την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού:
Η παρουσία δυνάμεων επιφανειακής τάσης κάνει την επιφάνεια του υγρού να μοιάζει με ελαστικό τεντωμένο φιλμ, με τη μόνη διαφορά ότι οι ελαστικές δυνάμεις στο φιλμ εξαρτώνται από το εμβαδόν της επιφάνειάς του (δηλαδή από το πώς παραμορφώνεται το φιλμ) και οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης εξαρτώνται δεν εξαρτώνται από την επιφάνεια του υγρού. Αν βάλετε μια βελόνα ραψίματος στην επιφάνεια του νερού, η επιφάνεια θα λυγίσει και θα την αποτρέψει από το να βυθιστεί. Η δράση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης μπορεί να εξηγήσει την ολίσθηση ελαφρών εντόμων, όπως τα υδάτινα μηχανήματα, στην επιφάνεια των υδάτινων σωμάτων (Εικ. 2). Το πόδι του βυθού νερού παραμορφώνει την επιφάνεια του νερού, αυξάνοντας έτσι την έκτασή του. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει μια δύναμη επιφανειακής τάσης, η οποία τείνει να μειώσει μια τέτοια αλλαγή στην περιοχή. Η προκύπτουσα δύναμη της επιφανειακής τάσης θα κατευθυνθεί προς τα πάνω, αντισταθμίζοντας τη δύναμη της βαρύτητας.
Η αρχή λειτουργίας μιας πιπέτας βασίζεται στη δράση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης (Εικ. 3). Το σταγονίδιο, πάνω στο οποίο δρα η δύναμη της βαρύτητας, έλκεται προς τα κάτω, αυξάνοντας έτσι την επιφάνειά του. Φυσικά, προκύπτουν δυνάμεις επιφανειακής τάσης, το αποτέλεσμα των οποίων είναι αντίθετο από την κατεύθυνση της βαρύτητας και οι οποίες δεν επιτρέπουν στο σταγονίδιο να τεντωθεί. Όταν πιέζεται το ελαστικό καπάκι της πιπέτας, δημιουργείται πρόσθετη πίεση, η οποία βοηθά τη δύναμη της βαρύτητας, προκαλώντας την πτώση της σταγόνας.
Παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1
| Ασκηση | Ένας λεπτός δακτύλιος αλουμινίου με ακτίνα 7,8 cm έρχεται σε επαφή με το διάλυμα σαπουνιού. Με ποια δύναμη μπορεί να κοπεί ο δακτύλιος από το διάλυμα; Θεωρήστε τη θερμοκρασία του διαλύματος ως θερμοκρασία δωματίου. Βάρος δαχτυλιδιού 7 g. |
| Λύση | Ας κάνουμε το σχέδιο. Οι ακόλουθες δυνάμεις ενεργούν στον δακτύλιο: βαρύτητα, επιφανειακή τάση και εξωτερική δύναμη. Δεδομένου ότι ο δακτύλιος είναι σε επαφή με το διάλυμα και την εξωτερική και την εσωτερική πλευρά, η δύναμη επιφανειακής τάσης είναι ίση με: Το μήκος του περιγράμματος που περιορίζει την επιφάνεια του υγρού σε αυτή την περίπτωση είναι ίσο με την περιφέρεια του δακτυλίου: Λαμβάνω υπ'όψιν τελευταία δύναμηεπιφανειακή τάση: Η προϋπόθεση για την αποκόλληση του δακτυλίου από την επιφάνεια του διαλύματος έχει τη μορφή: Από τους πίνακες, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης ενός διαλύματος σαπουνιού σε θερμοκρασία δωματίου. Ενταση βαρύτητος Ας μετατρέψουμε τις μονάδες στο σύστημα SI: η ακτίνα του δακτυλίου είναι η μάζα του δακτυλίου σε kg. Ας υπολογίσουμε: |
| Απάντηση | Για να σχιστεί ο δακτύλιος από το διάλυμα. είναι απαραίτητο να ασκηθεί δύναμη 0,11 N. |
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2
| Ασκηση | Πόση ενέργεια απελευθερώνεται όταν μικρές σταγόνες νερού με ακτίνα mm συγχωνεύονται σε μία σταγόνα με ακτίνα 2 mm; |
| Λύση | Η μεταβολή της δυναμικής ενέργειας του επιφανειακού στρώματος των σταγόνων, λόγω της μείωσης της επιφάνειας των σταγόνων όταν συγχωνεύονται σε μία σταγόνα, είναι ίση με: Οπουτην επιφάνεια όλων των μικρών σταγονιδίων, την επιφάνεια ενός μεγάλου σταγονιδίου, τον συντελεστή επιφανειακής τάσης του νερού. Είναι προφανές ότι: όπου r είναι η ακτίνα μιας μικρής πτώσης, R είναι η ακτίνα μιας μεγάλης πτώσης και n είναι ο αριθμός των μικρών σταγόνων. Μάζα μιας μικρής σταγόνας:
μάζα μεγάλης σταγόνας:
Εφόσον οι μικρές σταγόνες συγχωνεύονται σε μια μεγάλη σταγόνα, μπορούμε να γράψουμε:
εξ ου και ο αριθμός των μικρών σταγόνων: και την επιφάνεια όλων των μικρών σταγονιδίων:
Τώρα ας βρούμε την ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται όταν συγχωνεύονται οι σταγόνες: Από τους πίνακες, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης του νερού. Ας μετατρέψουμε τις μονάδες στο σύστημα SI: η ακτίνα μιας μικρής πτώσης είναι η ακτίνα μιας μεγάλης πτώσης. Ας υπολογίσουμε: |
| Απάντηση | Όταν οι σταγόνες συγχωνεύονται, απελευθερώνεται ενέργεια J. |
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3
| Ασκηση | Προσδιορίστε τον συντελεστή επιφανειακής τάσης του λαδιού, η πυκνότητα του οποίου είναι ίση με, εάν ληφθούν 304 σταγόνες περνώντας το λάδι από μια πιπέτα. Διάμετρος λαιμού πιπέτας 1,2 mm. |
| Λύση | Μια σταγόνα λαδιού βγαίνει από την πιπέτα όταν η δύναμη της βαρύτητας είναι ίση με τη δύναμη της επιφανειακής τάσης: |
Ορισμός 1
Η επιφανειακή τάση είναι η βιασύνη ενός υγρού να μειώσει τη δική του ελεύθερη επιφάνεια, δηλαδή να μειώσει την περίσσεια δυναμικής ενέργειας στο όριο του διαχωρισμού από την αέρια φάση.
Όχι μόνο τα στερεά φυσικά σώματα είναι εξοπλισμένα με ελαστικά χαρακτηριστικά, αλλά και η ίδια η επιφάνεια του υγρού. Όλοι στη ζωή τους έχουν δει πώς τεντώνεται ένα φιλμ σαπουνιού με μικρές φυσαλίδες. Οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης που εμφανίζονται σε ένα φιλμ σαπουνιού συγκρατούν τον αέρα για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο, παρόμοια με το πώς μια τεντωμένη ελαστική κύστη συγκρατεί τον αέρα σε μια μπάλα ποδοσφαίρου.
Η επιφανειακή τάση εμφανίζεται στη διεπιφάνεια των κύριων φάσεων, για παράδειγμα, αέρια και υγρή, ή υγρή και στερεή. Αυτό οφείλεται άμεσα στο γεγονός ότι τα στοιχειώδη σωματίδια του επιφανειακού στρώματος του υγρού υφίστανται πάντα μια διαφορετική δύναμη έλξης από μέσα και έξω.
Αυτή η φυσική διαδικασία μπορεί να εξεταστεί στο παράδειγμα μιας σταγόνας νερού, όπου το υγρό κινείται μόνο του σαν να ήταν σε ένα ελαστικό κέλυφος. Εδώ, τα άτομα του επιφανειακού στρώματος μιας υγρής ουσίας έλκονται από τους δικούς τους εσωτερικούς γείτονές τους πιο έντονα παρά από τα εξωτερικά σωματίδια αέρα.
Γενικά, η επιφανειακή τάση μπορεί να εξηγηθεί ως ένα απειροελάχιστο ή στοιχειώδες έργο $\sigma A$ που πρέπει να γίνει για να αυξηθεί η συνολική επιφάνεια ενός υγρού κατά άπειρα μικρή ποσότητα$dS$ σε σταθερή θερμοκρασία $dt$.
Ο μηχανισμός της επιφανειακής τάσης στα υγρά
Σχήμα 2. Κλιμακωτή θετική τιμή. Author24 - διαδικτυακή ανταλλαγή φοιτητικών εγγράφων
Ένα υγρό, σε αντίθεση με τα στερεά και τα αέρια, δεν είναι σε θέση να γεμίσει ολόκληρο τον όγκο του δοχείου στο οποίο τοποθετήθηκε. Μεταξύ του ατμού και της υγρής ουσίας σχηματίζεται μια ορισμένη διεπαφή, η οποία λειτουργεί υπό ειδικές συνθήκες σε σύγκριση με μια άλλη μάζα υγρού. Σκεφτείτε, για ένα πιο ενδεικτικό παράδειγμα, δύο μόρια $A$ και $B$. Το σωματίδιο $A$ βρίσκεται μέσα στο ίδιο το υγρό, το μόριο $B$ βρίσκεται απευθείας στην επιφάνειά του. Το πρώτο στοιχείο περιβάλλεται ομοιόμορφα από άλλα άτομα του υγρού, επομένως οι δυνάμεις που ασκούν στο μόριο από τα σωματίδια που πέφτουν στη σφαίρα της διαμοριακής αλληλεπίδρασης αντισταθμίζονται πάντα ή, με άλλα λόγια, η προκύπτουσα ισχύς τους είναι μηδέν.
Το μόριο $B$ πλαισιώνεται στη μία πλευρά από μόρια υγρού και στην άλλη πλευρά από άτομα αερίου, η τελική συγκέντρωση των οποίων είναι πολύ χαμηλότερη από τον συνδυασμό των στοιχειωδών σωματιδίων του υγρού. Δεδομένου ότι πολύ περισσότερα μόρια δρουν στο μόριο $B$ από την πλευρά του υγρού παρά από την πλευρά ενός ιδανικού αερίου, η προκύπτουσα όλων των διαμοριακών δυνάμεων δεν μπορεί πλέον να ισοδυναμεί με μηδέν, καθώς αυτή η παράμετρος κατευθύνεται εντός του όγκου του ουσία. Έτσι, για να καταλήξει ένα μόριο από το βάθος του υγρού στην επιφανειακή στιβάδα, πρέπει να γίνει εργασία ενάντια σε μη αντιρροπούμενες δυνάμεις. Και αυτό σημαίνει ότι τα άτομα της στάθμης κοντά στην επιφάνεια, σε σύγκριση με τα σωματίδια μέσα στο υγρό, είναι εξοπλισμένα με περίσσεια δυναμικής ενέργειας, η οποία ονομάζεται επιφανειακή ενέργεια.
Συντελεστής επιφανειακής τάσης
Σχήμα 3. Επιφανειακή τάση. Author24 - διαδικτυακή ανταλλαγή φοιτητικών εγγράφων
Ορισμός 2
Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης είναι ένας φυσικός δείκτης που χαρακτηρίζει ένα ορισμένο υγρό και είναι αριθμητικά ίσος με τον λόγο της επιφανειακής ενέργειας προς τη συνολική επιφάνεια του ελεύθερου μέσου του υγρού.
Στη φυσική, η βασική μονάδα για τη μέτρηση του συντελεστή επιφανειακής τάσης στην έννοια του SI είναι (N)/(m).
Αυτή η τιμή εξαρτάται άμεσα από:
- η φύση του υγρού (για "πτητικά στοιχεία όπως αλκοόλη, αιθέρας, βενζίνη, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης είναι πολύ μικρότερος από ό,τι για "μη πτητικά στοιχεία - υδράργυρος, νερό).
- η θερμοκρασία της υγρής ουσίας (όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο χαμηλότερη είναι η τελική επιφανειακή τάση).
- ιδιότητες ενός ιδανικού αερίου που γειτνιάζει με ένα δεδομένο υγρό.
- η παρουσία σταθερών επιφανειοδραστικών στοιχείων, όπως σκόνη πλυσίματος ή σαπούνι, τα οποία μπορούν να μειώσουν την επιφανειακή τάση.
Παρατήρηση 1
Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η παράμετρος επιφανειακής τάσης δεν εξαρτάται από την αρχική περιοχή του ελεύθερου ρευστού μέσου.
Είναι επίσης γνωστό από τη μηχανική ότι η ελάχιστη τιμή της εσωτερικής του ενέργειας αντιστοιχεί πάντα στις αμετάβλητες καταστάσεις του συστήματος. Ως αποτέλεσμα αυτού φυσική διαδικασίαένα ρευστό σώμα παίρνει συχνά σχήμα με ελάχιστη επιφάνεια. Εάν το υγρό δεν επηρεάζεται από ξένες δυνάμεις ή η δράση τους είναι εξαιρετικά μικρή, τα στοιχεία του έχουν τη μορφή σφαίρας με τη μορφή σταγόνας νερού ή σαπουνόφουσκας. Ομοίως, το νερό αρχίζει να συμπεριφέρεται σε μηδενική βαρύτητα. Το ρευστό κινείται με τέτοιο τρόπο σαν να υπάρχουν παράγοντες που δρουν εφαπτομενικά στην κύρια επιφάνειά του που μειώνουν αυτό το μέσο. Αυτές οι δυνάμεις ονομάζονται δυνάμεις επιφανειακής τάσης.
Επομένως, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης μπορεί επίσης να οριστεί ως ο βασικός συντελεστής της δύναμης επιφανειακής τάσης, που γενικά δρα ανά μονάδα μήκους του αρχικού περιγράμματος που οριοθετεί το ελεύθερο ρευστό μέσο. Η παρουσία αυτών των παραμέτρων κάνει την επιφάνεια μιας υγρής ουσίας να μοιάζει με τεντωμένη ελαστική μεμβράνη, με τη μόνη διαφορά ότι οι σταθερές δυνάμεις στο φιλμ εξαρτώνται άμεσα από την περιοχή του συστήματός της και οι ίδιες οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης μπορούν να δουλεύω ανεξάρτητα. Αν βάλετε μια μικρή βελόνα ραψίματος στην επιφάνεια του νερού, η επιφάνεια θα λυγίσει και θα την αποτρέψει από το να βυθιστεί.
Η δράση ενός εξωτερικού παράγοντα μπορεί να περιγράψει την ολίσθηση ελαφρών εντόμων, όπως τα υδάτινα νερά, σε ολόκληρη την επιφάνεια των υδάτινων σωμάτων. Το πόδι αυτών των αρθρόποδων παραμορφώνει την επιφάνεια του νερού, αυξάνοντας έτσι την έκτασή του. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει μια δύναμη επιφανειακής τάσης που τείνει να μειώσει μια τέτοια αλλαγή στην περιοχή. Η προκύπτουσα δύναμη θα κατευθύνεται πάντα αποκλειστικά προς τα πάνω, αντισταθμίζοντας την επίδραση της βαρύτητας.
Αποτέλεσμα επιφανειακής τάσης
Υπό την επίδραση της επιφανειακής τάσης, μικρές ποσότητες υγρών μέσων τείνουν να λάβουν ένα σφαιρικό σχήμα, το οποίο ιδανικά θα αντιστοιχεί στη μικρότερη τιμή περιβάλλον. Η προσέγγιση σε μια σφαιρική διαμόρφωση επιτυγχάνεται όσο περισσότερες, τόσο πιο αδύναμες είναι οι αρχικές δυνάμεις βαρύτητας, αφού για μικρές πτώσεις ο δείκτης δύναμης επιφανειακής τάσης είναι πολύ μεγαλύτερος από την επίδραση της βαρύτητας.
Η επιφανειακή τάση θεωρείται ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των διεπαφών. Επηρεάζει άμεσα τον σχηματισμό λεπτών σωματιδίων φυσικά σώματακαι υγρών κατά τον διαχωρισμό τους, καθώς και τη σύντηξη στοιχείων ή φυσαλίδων σε ομίχλες, γαλακτώματα, αφρούς και διαδικασίες πρόσφυσης.
Παρατήρηση 2
Η επιφανειακή τάση καθορίζει το σχήμα των μελλοντικών βιολογικών κυττάρων και των κύριων τμημάτων τους.
Μια αλλαγή στις δυνάμεις αυτής της φυσικής διαδικασίας επηρεάζει τη φαγοκυττάρωση και τις διεργασίες της κυψελιδικής αναπνοής. Λόγω αυτού του φαινομένου, οι πορώδεις ουσίες μπορούν να διατηρηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα μεγάλο ποσόυγρά ακόμη και από ατμούς αέρα Τα τριχοειδή φαινόμενα, που περιλαμβάνουν αλλαγές στο ύψος της στάθμης του υγρού στα τριχοειδή αγγεία σε σύγκριση με τη στάθμη του υγρού σε ένα ευρύτερο δοχείο, είναι πολύ συχνά. Μέσα από αυτές τις διαδικασίες, η άνοδος του νερού στο έδαφος, κατά μήκος του ριζικού συστήματος των φυτών, η κίνηση βιολογικά υγράμέσω του συστήματος των μικρών σωληναρίων και αγγείων.
Τα μόρια ενός υγρού αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με δυνάμεις έλξης και απώθησης, οι οποίες εκδηλώνονται αισθητά σε απόσταση r,ονομάζεται ακτίνα μοριακής δράσης (της τάξης πολλών μοριακών διαμέτρων). Ακτίνα σφαίρας rπου ονομάζεται σφαίρα μοριακής δράσης. Εάν το μόριο βρίσκεται στο επιφανειακό στρώμα, δηλαδή απέχει λιγότερο από r από την επιφάνεια, τότε το αποτέλεσμα των ελκτικών δυνάμεων από τα γύρω μόρια κατευθύνεται στο υγρό. Επομένως, για τη μετάβαση ενός μορίου από το εσωτερικό μέρος του υγρού στην επιφάνειά του, απαιτείται να κάνει εργασία, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ελεύθερη ενέργεια της επιφάνειας. Η ενέργεια της ελεύθερης επιφάνειας ανά μονάδα επιφάνειας ενός υγρού ονομάζεται συντελεστής επιφανειακής τάσης:
όπου Α είναι η εργασία που πρέπει να γίνει για να αυξηθεί η επιφάνεια κατά S. Στο σύστημα SI, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης (μετρούμενος σε J / m2.
Στη θέση ισορροπίας, η ελεύθερη ενέργεια του συστήματος είναι ελάχιστη, επομένως το υγρό, αφημένο μόνο του, τείνει να μειώσει την επιφάνειά του. Ας περιορίσουμε νοερά οποιοδήποτε τμήμα του επιφανειακού στρώματος σε ένα κλειστό περίγραμμα. Σε αυτό δρουν δυνάμεις, που ονομάζονται δυνάμεις επιφανειακής τάσης, που κατευθύνονται εφαπτομενικά στην επιφάνεια που είναι κάθετη στο τμήμα του περιγράμματος στο οποίο δρουν. Συντελεστής επιφανειακής τάσης (μπορεί επίσης να οριστεί ως η δύναμη ανά μονάδα μήκους του περιγράμματος που οριοθετεί την επιφάνεια:
Η μονάδα μέτρησής του στο σύστημα SI είναι 1 N/m (τόνοι ανά μέτρο = 1 J/m2, ή χιλιοστότονα ανά μέτρο).
Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από χημική σύνθεσηυγρά, το περιβάλλον με το οποίο συνορεύει, τη θερμοκρασία. Μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και εξαφανίζεται στην κρίσιμη θερμοκρασία.
Ανάλογα με την ισχύ της αλληλεπίδρασης των μορίων του υγρού με τα σωματίδια ενός στερεού σώματος που έρχονται σε επαφή με αυτό, είναι δυνατή η διαβροχή ή η μη διαβροχή ενός στερεού σώματος από ένα υγρό. Και στις δύο περιπτώσεις, η υγρή επιφάνεια κοντά στο όριο με συμπαγές σώμαστρεβλώσεις...
Επιφανειακή τάση νερού σε διαφορετικές θερμοκρασίες
Επιφανειακή τάση (στους 20°C)
Επιφανειακή τάση υγρών
| Ουσία | q, mN/m |
| Τετηγμένο αλουμίνιο (σε t=7000 0 C, c) | 840 |
| Υγρό άζωτο (σε t=-183 0 C,p) | 6,2 |
| Ακετόνη (p) | 24 |
| Νερό (σε t=0 0 C, in) | 75,6 |
| Νερό (σε t=20 0 C, in) | 72,8 |
| Νερό (σε t=100 0 C, in) | 58,8 |
| Νερό (σε t=374,15 0 C, in) | 0 |
| Λιωμένος χρυσός (σε t=1130 0 C, c) | 1102 |
| Γλυκερίνη (σε) | 63 |
| Κηροζίνη (σε t=0 0 C, in) | 29 |
| Κηροζίνη (γ) | 24 |
| Υγρό οξυγόνο (σε t=-183 0 C, c) | 13,1 |
| Γάλα (σε) | 46 |
| Λάδι (σε) | 30 |
| Διάλυμα σαπουνιού (σε) | 40 |
| Ερμής (n) | 472 |
| Μόλυβδος λιωμένος (σε t=350 0 C, c) | 442 |
| Τετηγμένο ασήμι (σε t=970 0 C, c) | 930 |
| Αλκοόλ (σε t=0 0 C, in) | 22 |
| Αιθέρας (p) | 17 |
Επιφανειακή τάση υδατικών διαλυμάτων (σε dynes/cm)
Μετατροπή σε SI: 1 dyne/cm = 10 - 3 N/m
| Διαλυτό | t, °C | Περιεχόμενο, wt.% | |||
| 5 | 10 | 20 | 50 | ||
| H2SO4 | 18 | - | 74,1 | 75,2 | 77,3 |
| HNO3 | 20 | - | 72,7 | 71,1 | 65,4 |
| NaOH | 20 | 74,6 | 77,3 | 85,8 | - |
| NaCl | 18 | 74,0 | 75,5 | - | - |
| Na2SO4 | 18 | 73,8 | 75,2 | - | - |
| NaNO 3 | 30 | 72,1 | 72,8 | 74,4 | 79,8 |
| KC1 | 18 | 73,6 | 74,8 | 77,3 | - |
| KNO 3 | 18 | 73,0 | 73,6 | 75,0 | - |
| K2CO3 | 10 | 75,8 | 77,0 | 79,2 | 106,4 |
| NH3 | 18 | 66,5 | 63,5 | 59,3 | - |
| NH4C1 | 18 | 73,3 | 74,5 | - | - |
| NH4NO3 | 100 | 59,2 | 60,1 | 61,6 | 67,5 |
| MgCl 2 | 18 | 73,8 | - | - | - |
| CaCl2 | 18 | 73,7 | - | - | - |
