Picurare, picurare... Iată o altă picătură adunată pe gura robinetului, s-a umflat și a căzut. Această imagine este familiară oricui. Sau o ploaie caldă de vară udă pământul tânjind după umiditate - și din nou pica. De ce picături? Care este motivul aici? Este foarte simplu: motivul pentru aceasta este tensiunea superficială a apei.
Este una dintre proprietățile apei sau, mai general, ale tuturor lichidelor. După cum știți, gazul umple întregul volum în care intră, dar lichidul nu poate face acest lucru. Moleculele din interiorul volumului de apă sunt înconjurate de aceleași molecule pe toate părțile. Dar cele situate la suprafață, la granița dintre lichid și gaz, nu sunt afectate din toate părțile, ci doar din acele molecule care se află în interiorul volumului, nu există niciun efect asupra lor din partea gazului.
În acest caz, pe suprafața lichidului va acționa o forță, îndreptată de-a lungul acestuia perpendicular pe partea suprafeței pe care acționează. Ca urmare a acestei forțe, apare tensiunea superficială a apei. Manifestarea sa externă va fi formarea unui fel de peliculă elastică invizibilă la interfață. Datorită efectului tensiunii superficiale, o picătură de apă va lua forma unei sfere ca un corp având cea mai mică suprafață pentru un volum dat.
Acum putem defini că tensiunea superficială este munca de schimbare a suprafeței lichidului. Pe de altă parte, poate fi definită ca energia necesară pentru a sparge o suprafață unitară. Tensiunea superficială este posibilă la interfața dintre lichid și gaz. Este determinată de forța care acționează între molecule și, prin urmare, responsabilă de volatilitate (evaporare). Cu cât tensiunea superficială este mai mică, cu atât lichidul va fi mai volatil.
Puteți determina ceea ce este egal cu. Formula de calcul include aria suprafeței și După cum am menționat mai devreme, coeficientul nu depinde de forma și dimensiunea suprafeței, ci este determinat de puterea interacțiunii intermoleculare, adică. tip lichid. Pentru diferite lichide, valoarea sa va fi diferită.
Tensiunea superficială a apei poate fi modificată. Acest lucru se realizează prin încălzire, adăugând substanțe biologic active - cum ar fi săpun, pulbere, pastă. Valoarea sa depinde de gradul de puritate al apei. Cu cât apa este mai pură, cu atât tensiunea superficială este mai mare, iar ca valoare este a doua după mercur.
Un efect curios se observă atunci când un lichid intră în contact atât cu un solid, cât și cu un gaz. Daca punem o picatura de apa pe suprafata parafinei, aceasta va lua forma unei mingi. Acest lucru se datorează faptului că forțele care acționează între parafină și picătură sunt mai mici decât interacțiunea dintre ele, în urma căreia apare mingea. Când forțele care acționează între suprafață și picătură sunt mai mari decât forțele interacțiunii intermoleculare, apa se va răspândi uniform pe suprafață. Acest fenomen se numește umezire.
Efectul de umectare într-o oarecare măsură poate caracteriza gradul de curățenie a suprafeței. Pe o suprafață curată, picătura se întinde uniform, iar dacă suprafața este contaminată sau acoperită cu o substanță care nu este umezită de apă, aceasta din urmă se adună în bile.
Un exemplu de utilizare a tensiunii superficiale în industrie este turnarea pieselor sferice, cum ar fi împușcătura de pușcă. Picăturile de metal topit pur și simplu se solidifică din mers, luând o formă sferică.
Tensiunea superficială a apei, ca orice alt lichid, este unul dintre parametrii săi importanți. Determină unele caracteristici ale lichidului - cum ar fi volatilitatea (volatilitatea) și umectarea. Valoarea sa depinde numai de parametrii interacțiunii intermoleculare.
DEFINIȚIE
Tensiune de suprafata- dorinta lichidului de a-si reduce suprafata libera, i.e. reduce excesul de energie potențială a acestuia la interfața cu faza gazoasă.
Să descriem mecanism de tensiune superficialăîn lichide. Lichidul, spre deosebire de gaze, nu umple întregul volum al vasului în care este turnat. Se formează o interfață între un lichid și un gaz (sau vapori), care se află în condiții speciale față de restul masei lichidului. Luați în considerare două molecule A și B. Molecula A se află în interiorul lichidului, molecula B se află la suprafața sa (Fig. 1). Molecula A este înconjurată de alte molecule lichide în mod uniform, astfel încât forțele care acționează asupra moleculei A din moleculele care cad în sfera interacțiunii intermoleculare sunt compensate sau, cu alte cuvinte, rezultanta lor este zero. Molecula B este înconjurată pe o parte de molecule lichide, iar pe de altă parte de molecule de gaz, a căror concentrație este mult mai mică decât concentrația moleculelor lichide. Deoarece mult mai multe molecule acționează asupra moleculei B din partea lichidului decât din partea gazului, rezultanta tuturor forțelor intermoleculare nu va mai fi zero și va fi direcționată în interiorul volumului lichidului. Astfel, pentru ca o moleculă să ajungă de la adâncimea lichidului la stratul de suprafață, este necesar să se efectueze un lucru împotriva forțelor intermoleculare necompensate. Și aceasta înseamnă că moleculele stratului apropiat de suprafață, în comparație cu moleculele din interiorul lichidului, au o energie potențială în exces, care se numește energie de suprafață.
Evident, cu cât suprafața lichidului este mai mare, cu atât mai multe astfel de molecule care au exces de energie potențială și, prin urmare, cu atât energia de suprafață este mai mare. Acest fapt poate fi scris ca următoarea relație:
unde este energia de suprafață a lichidului, aria suprafeței libere a lichidului și coeficientul de proporționalitate, care se numește coeficient de tensiune superficială.
Coeficientul de tensiune superficială
DEFINIȚIE
Coeficientul de tensiune superficială este o mărime fizică care caracterizează un lichid dat și este numeric egală cu raportul dintre energia de suprafață și aria suprafeței libere a lichidului:
Unitatea SI pentru coeficientul de tensiune superficială este .
Coeficientul de tensiune superficială al unui lichid depinde: 1) de natura lichidului (pentru „lichide volatile precum eterul, alcoolul, benzina, coeficientul de tensiune superficială este mai mic decât pentru „lichidele nevolatile - apă, mercur); 2) asupra temperaturii lichidului (cu cât temperatura este mai mare, cu atât tensiunea superficială este mai mică); 3) asupra proprietăților gazului care se învecinează cu lichidul dat; 4) din prezența agenților tensioactivi precum săpunul sau praful de spălat, care reduc tensiunea superficială. De asemenea, trebuie remarcat faptul că coeficientul de tensiune superficială nu depinde de aria suprafeței libere a lichidului.
Din mecanică se știe că stările de echilibru ale unui sistem corespund valorii minime a energiei sale potențiale. Datorită tensiunii superficiale, un lichid capătă întotdeauna o formă cu o suprafață minimă. Dacă alte forțe nu acționează asupra lichidului sau acțiunea lor este mică, lichidul va tinde să ia forma unei sfere, cum ar fi o picătură de apă, un balon de săpun. Apa se va comporta și în gravitate zero. Fluidul se comportă ca și cum forțele ar acționa tangențial la suprafața sa, reducând (contractând) această suprafață. Aceste forțe sunt numite forțele de tensiune superficială.
Asa de coeficient de tensiune superficială poate fi definit și ca modulul forței de tensiune superficială care acționează pe unitatea de lungime a conturului care delimitează suprafața liberă a lichidului:
Prezența forțelor de tensiune superficială face ca suprafața lichidului să arate ca o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele elastice din film depind de suprafața sa (adică, de modul în care filmul este deformat), iar forțele de tensiune superficială nu nu depinde de suprafața lichidului. Dacă puneți un ac de cusut pe suprafața apei, suprafața se va îndoi și va împiedica să se scufunde. Acțiunea forțelor de tensiune de suprafață poate explica alunecarea insectelor ușoare, cum ar fi călcătorii de apă, pe suprafața corpurilor de apă (Fig. 2). Piciorul striderului de apă deformează suprafața apei, mărind astfel suprafața acesteia. Ca urmare, apare o forță de tensiune superficială, care tinde să reducă o astfel de modificare a zonei. Forța rezultantă a tensiunii superficiale va fi îndreptată în sus, compensând forța gravitațională.
Principiul de funcționare al unei pipete se bazează pe acțiunea forțelor de tensiune superficială (Fig. 3). Picătura, asupra căreia acționează forța gravitației, este trasă în jos, crescându-și astfel suprafața. În mod firesc, apar forțe de tensiune superficială, a căror rezultată este opusă direcției gravitației și care nu permit picăturii să se întindă. Când capacul de cauciuc al pipetei este apăsat, se creează o presiune suplimentară, care ajută la forța gravitațională, determinând căderea picăturii.
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
| Exercițiu | Un inel subțire de aluminiu cu o rază de 7,8 cm este în contact cu soluția de săpun. Cu ce forță poate fi smuls inelul din soluție? Luați în considerare temperatura soluției ca fiind temperatura camerei. Greutate inel 7 g. |
| Decizie | Hai să facem desenul. Următoarele forțe acționează asupra inelului: gravitația, tensiunea superficială și forța externă. Deoarece inelul este în contact cu soluția și cu părțile exterioare și interioare, forța de tensiune superficială este egală cu: Lungimea conturului care limitează suprafața lichidului în acest caz este egală cu circumferința inelului: Ținând cont de acestea din urmă, forța de tensiune superficială: Condiția de desprindere a inelului de suprafața soluției are forma: Din tabele, coeficientul de tensiune superficială al unei soluții de săpun la temperatura camerei. Accelerația gravitației Să convertim unitățile în sistemul SI: raza inelului este masa inelului kg. Să calculăm: |
| Răspuns | Pentru a rupe inelul din soluție. este necesar să se aplice o forță de 0,11 N. |
EXEMPLUL 2
| Exercițiu | Câtă energie se eliberează atunci când mici picături de apă cu o rază de mm se contopesc într-o picătură cu o rază de 2 mm? |
| Decizie | Modificarea energiei potențiale a stratului de suprafață al picăturilor, din cauza unei scăderi a suprafeței picăturilor atunci când acestea se contopesc într-o picătură, este egală cu: Unde suprafața tuturor picăturilor mici, suprafața unei picături mari, coeficientul de tensiune superficială a apei. Este evident ca: unde r este raza unei picături mici, R este raza unei picături mari și n este numărul de picături mici. Masa unei mici picături:
masa unei picături mari:
Deoarece picăturile mici se îmbină într-o picătură mare, putem scrie:
de unde numărul de picături mici: și suprafața tuturor picăturilor mici:
Acum să găsim cantitatea de energie care este eliberată atunci când picăturile se îmbină: Din tabele, coeficientul de tensiune superficială a apei. Să convertim unitățile în sistemul SI: raza unei picături mici este raza unei picături mari. Să calculăm: |
| Răspuns | Când picăturile se îmbină, energia J este eliberată. |
EXEMPLUL 3
| Exercițiu | Determinați coeficientul de tensiune superficială a uleiului, a cărui densitate este egală cu, dacă se obțin 304 picături prin trecerea uleiului printr-o pipetă. Diametrul gâtului pipetei 1,2 mm. |
| Decizie | O picătură de ulei iese de pe pipetă atunci când forța gravitației este egală cu forța tensiunii superficiale: |
Definiția 1
Tensiunea superficială este precipitarea unui lichid de a-și reduce propria suprafață liberă, adică de a reduce excesul de energie potențială la limita separării de faza gazoasă.
Nu numai corpurile fizice solide sunt echipate cu caracteristici elastice, ci și suprafața lichidului în sine. Toată lumea din viața lor a văzut cum o peliculă de săpun se întinde cu niște bule care suflă. Forțele de tensiune de suprafață care apar într-o peliculă de săpun rețin aerul pentru o anumită perioadă de timp, similar modului în care o vezică de cauciuc întinsă reține aerul într-o minge de fotbal.
Tensiunea superficială apare la interfața fazelor principale, de exemplu, gazos și lichid, sau lichid și solid. Acest lucru se datorează direct faptului că particulele elementare ale stratului de suprafață al lichidului experimentează întotdeauna o forță de atracție diferită din interior și din exterior.
Acest proces fizic poate fi considerat pe exemplul unei picături de apă, în care lichidul se mișcă singur ca și cum ar fi într-o înveliș elastic. Aici, atomii stratului de suprafață al unei substanțe lichide sunt atrași de propriii lor vecini interni mai puternic decât de particulele de aer extern.
În general, tensiunea superficială poate fi explicată ca o lucrare infinitezimală sau elementară $\sigma A$ care trebuie făcută pentru a crește suprafața totală a unui lichid cu o cantitate infinitezimală $dS$ la o temperatură constantă $dt$.
Mecanismul tensiunii superficiale în lichide
Figura 2. Valoare scalară pozitivă. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților
Un lichid, spre deosebire de solide și gaze, nu este capabil să umple întregul volum al vasului în care a fost plasat. Între vapori și substanța lichidă se formează o anumită interfață, care funcționează în condiții speciale față de o altă masă de lichid. Luați în considerare, pentru un exemplu mai ilustrativ, două molecule $A$ și $B$. Particula $A$ se află în interiorul lichidului însuși, molecula $B$ se află direct pe suprafața sa. Primul element este înconjurat uniform de alți atomi ai lichidului, astfel încât forțele care acționează asupra moleculei de la particulele care cad în sfera interacțiunii intermoleculare sunt întotdeauna compensate, sau, cu alte cuvinte, puterea lor rezultată este zero.
Molecula $B$ este încadrată pe o parte de molecule lichide, iar pe de altă parte de atomi de gaz, a căror concentrație finală este mult mai mică decât combinația de particule elementare ale lichidului. Deoarece mult mai multe molecule acționează asupra moleculei $B$ din partea lichidului decât din partea unui gaz ideal, rezultanta tuturor forțelor intermoleculare nu mai poate fi egalată cu zero, deoarece acest parametru este direcționat în interiorul volumului substanţă. Astfel, pentru ca o moleculă din adâncimea lichidului să ajungă în stratul de suprafață, trebuie să se lucreze împotriva forțelor necompensate. Și aceasta înseamnă că atomii de la nivelul de aproape de suprafață, în comparație cu particulele din interiorul lichidului, sunt echipați cu energie potențială în exces, care se numește energie de suprafață.
Coeficientul de tensiune superficială
Figura 3. Tensiunea de suprafață. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților
Definiția 2
Coeficientul de tensiune superficială este un indicator fizic care caracterizează un anumit lichid și este numeric egal cu raportul dintre energia de suprafață și aria totală a mediului liber al lichidului.
În fizică, unitatea de bază pentru măsurarea coeficientului de tensiune superficială în conceptul SI este (N)/(m).
Această valoare depinde direct de:
- natura lichidului (pentru „elementele volatile precum alcoolul, eterul, benzina, coeficientul de tensiune superficială este mult mai mic decât pentru „elementele nevolatile - mercur, apă);
- temperatura substanței lichide (cu cât temperatura este mai mare, cu atât tensiunea superficială finală este mai mică);
- proprietățile unui gaz ideal alăturat unui lichid dat;
- prezența elementelor tensioactive stabile, cum ar fi praful de spălat sau săpunul, care sunt capabile să reducă tensiunea superficială.
Observație 1
De asemenea, trebuie remarcat faptul că parametrul de tensiune superficială nu depinde de aria inițială a mediului fluid liber.
De asemenea, din mecanică se știe că valoarea minimă a energiei sale interne corespunde întotdeauna stărilor neschimbate ale sistemului. Datorită acestui proces fizic, corpul lichid capătă adesea o formă cu o suprafață minimă. Dacă lichidul nu este afectat de forțe străine sau acțiunea lor este extrem de mică, elementele sale sunt sub forma unei sfere sub formă de picătură de apă sau de balon de săpun. În mod similar, apa începe să se comporte în gravitate zero. Fluidul se mișcă în așa fel ca și cum ar exista factori care acționează tangențial la suprafața sa principală care reduc acest mediu. Aceste forțe se numesc forțe de tensiune superficială.
Prin urmare, coeficientul de tensiune superficială poate fi definit și ca modul de bază al forței de tensiune superficială, care acționează în general pe unitatea de lungime a conturului inițial care limitează mediul liber al lichidului. Prezența acestor parametri face ca suprafața unei substanțe lichide să arate ca o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele constante din film depind direct de zona sistemului său, iar forțele de tensiune superficială în sine sunt capabile să munca independenta. Dacă puneți un mic ac de cusut pe suprafața apei, suprafața se va îndoi și va împiedica să se scufunde.
Acțiunea unui factor extern poate descrie alunecarea insectelor ușoare, cum ar fi călcătorii de apă, pe întreaga suprafață a corpurilor de apă. Piciorul acestor artropode deformează suprafața apei, crescând astfel suprafața acesteia. Ca rezultat, apare o forță de tensiune superficială care tinde să reducă o astfel de modificare a zonei. Forța rezultată va fi întotdeauna îndreptată exclusiv în sus, compensând efectul gravitației.
Rezultatul tensiunii superficiale
Sub influența tensiunii superficiale, cantități mici de mediu lichid tind să capete o formă sferică care se va potrivi în mod ideal cu cea mai mică dimensiune a mediului. Aproximarea la o configurație sferică se realizează cu atât mai mult, cu atât forțele gravitaționale inițiale sunt mai slabe, deoarece pentru picături mici, indicele forței de tensiune superficială este mult mai mare decât efectul gravitației.
Tensiunea superficială este considerată una dintre cele mai importante caracteristici ale interfețelor. Afectează direct formarea particulelor fine de corpuri fizice și lichide în timpul separării lor, precum și fuziunea elementelor sau bulelor în ceață, emulsii, spume și procese de aderență.
Observația 2
Tensiunea de suprafață stabilește forma viitoarelor celule biologice și părțile lor principale.
O modificare a forțelor acestui proces fizic afectează fagocitoza și procesele respirației alveolare. Datorită acestui fenomen, substanțele poroase pot reține o cantitate uriașă de lichid chiar și din vaporii de aer pentru o perioadă lungă de timp.Fenomenele capilare, care implică modificări ale înălțimii nivelului lichidului în capilare în comparație cu nivelul lichidului dintr-un vas mai larg, sunt foarte uzual. Prin aceste procese se determină creșterea apei în sol, de-a lungul sistemului radicular al plantelor, mișcarea fluidelor biologice prin sistemul de mici tubuli și vase.
Moleculele unui lichid interacționează între ele prin forțe de atracție și repulsie, care se manifestă vizibil la distanță. r, numită raza de acţiune moleculară (de ordinul mai multor diametre moleculare). Raza sferei r numită sfera de acţiune moleculară. Dacă molecula se află în stratul de suprafață, adică este la mai puțin de r distanță de suprafață, atunci rezultanta forțelor de atracție din moleculele din jur este direcționată în lichid. Prin urmare, pentru tranziția unei molecule din partea interioară a lichidului la suprafața sa, este necesar să lucreze, ca urmare, energia liberă a suprafeței crește. Energia de suprafață liberă pe unitatea de suprafață a unui lichid se numește coeficient de tensiune superficială:
unde A este munca care trebuie făcută pentru a crește aria suprafeței cu S. În sistemul SI, coeficientul de tensiune superficială (măsurat în J/m2.
În poziția de echilibru, energia liberă a sistemului este minimă, astfel că lichidul, lăsat singur, tinde să-și reducă suprafața. Să limităm mental orice secțiune a stratului de suprafață la un contur închis. În ea acționează forțe, numite forțe de tensiune superficială, îndreptate tangențial pe suprafața perpendicular pe secțiunea conturului pe care acţionează. Coeficientul tensiunii superficiale (poate fi definit și ca forța pe unitatea de lungime a conturului care delimitează suprafața:
Unitatea sa de măsură în sistemul SI este 1 N/m (tone pe metru = 1 J/m2, sau militone pe metru.
Coeficientul de tensiune superficială depinde de compoziția chimică a lichidului, de mediul cu care se învecinează și de temperatură. Scade cu creșterea temperaturii și dispare la temperatura critică.
În funcție de puterea interacțiunii moleculelor lichide cu particulele unui corp solid în contact cu acesta, este posibilă umezirea sau neumezirea unui corp solid de către un lichid. În ambele cazuri, suprafața lichidului de lângă limita cu solidul este curbată...
Tensiunea superficială a apei la diferite temperaturi
Tensiune superficială (la 20° C)
Tensiunea superficială a lichidelor
| Substanţă | q, mN/m |
| Aluminiu topit (la t=7000 0 C, c) | 840 |
| Azot lichid (la t=-183 0 C,p) | 6,2 |
| Acetonă (p) | 24 |
| Apa (la t=0 0 С, in) | 75,6 |
| Apa (la t=20 0 С, in) | 72,8 |
| Apă (la t=100 0 С, in) | 58,8 |
| Apă (la t=374,15 0 С, in) | 0 |
| Aur topit (la t=1130 0 C, c) | 1102 |
| Glicerina (c) | 63 |
| Kerosen (la t=0 0 С, in) | 29 |
| Kerosen (c) | 24 |
| Oxigen lichid (la t=-183 0 C, c) | 13,1 |
| lapte (in) | 46 |
| ulei (in) | 30 |
| Soluție de săpun (în) | 40 |
| Mercur (n) | 472 |
| Plumb topit (la t=350 0 C, c) | 442 |
| Argint topit (la t=970 0 C, c) | 930 |
| Alcool (la t=0 0 C, in) | 22 |
| eter (p) | 17 |
Tensiunea superficială a soluțiilor apoase (în dine/cm)
Conversie în SI: 1 dină/cm = 10 - 3 N/m
| Solut | t, °C | Conținut, % în greutate | |||
| 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 |
| MgCl2 | 18 | 73,8 | - | - | - |
| CaCl2 | 18 | 73,7 | - | - | - |
