ПОВЕРХНОСТНое НАТЯжение
Характерным свойством жидкости является наличие свободной поверхности раздела Жидкость-газ, Которая расположена перпендикулярно к направлению силы притяжения. Поверхностный слой жидкости имеет особенные свойства, что предопределяет существование так называемых Поверхностных явлений.
Сравним молекулу, которая находится в объеме жидкости, с молекулой поверхностного слоя.
Поверхностным натяжением Называется работа, которую необходимо выполнить для изотермического увеличения илощи поверхности жидкости:
Где — Коэффициент поверхностного натяжения;
— Увеличение площади поверхности жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения…. численно равняется силе поверхностного натяжения F, Которая действует по касательной к поверхности жидкости и приходится на единицу длины граници жидкости.
Поверхностным натягом объясняются такие характерные для жидкого состояния вещества явления, как образование пены, формирования капель и тому подобное.
В существовании сил поверхностного натяжения можно убедиться на опыте с мыльной пленкой.
Коэффициент поверхностного натяжения Не зависит От величины и формы поверхности жидкости, а Зависит От сил молекулярного взаимодействия (природы жидкости) и потому имеет разные значения для разных жидкостей. Например, у жидкостей, которые легко испаряющиеся (эфир, спирт, бензин) молекулярные силы и, соответственно, поверхностный натяг значительно меньше, чем у ртути и других жидких металлов. Определение коэффициента поверхностного натяжения осуществляется экспериментально.
Дуже важливою є залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури, яку вперше дослідив Д. Менделєєв у 1860 р. При підвищенні температури рідини поверхневий натяг послаблюється, а при наближенні до критичної — прямує до нуля.
Для зменшення поверхневого натягу у рідину додаються спеціальні домішки, які розташовуються на поверхні і зменшують поверхневу енергію. Такі речовини називають Поверхнево-активними речовинами (ПАР). До них належать різні компоненти нафти, мило, деякі жирні кислоти, спирти, ефіри, амінокислоти, миючі засоби. Зменшення О У розчинах ПАР зумовлене підвищенням їх концентрації в поверхневому шарі, тобто Адсорбцією.
Очень важной является зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры, которую впервые исследовал Д. Менделеев в 1860 г. При повышении температуры жидкости поверхностный натяг ослабляется, а при приближении к критической — приближается к нулю.
Для уменьшения поверхностного натяжения в жидкость добавляются специальные примеси, которые располагаются на поверхности и уменьшают поверхностную энергию. Такие вещества называют Поверхностно-активными веществами (ПАВ). К ним принадлежат разные компоненты нефти, мыло, некоторые жирные кислоты, спирты, эфиры, аминокислоты, моющие средства. Уменьшение … В растворах ПАВ предопределено повышением их концентрации в поверхностном слое, то есть Адсорбцией.
СМАЧИВАНИЕ. КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Важную роль в процессе исследования контактного взаимодействия жидкости с твердым телом играет явление смачивания.
Выясним условия, за которых имеют место явления смачивания или несмачивания. Для этого выполним простые опыты.
Следовательно, явления смачивания и несмачивания объясняются соотношением между силами притяжения молекул твердых тел и жидкостей и силами межмолекулярного притяжения в жидкостях. Если силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкости превосходят силы притяжения между молекулами жидкости, то жидкость Смачивает Твердое тело. Если межмолекулярное притяжение в жидкости превышает силы притяжения молекул жидкости к молекулам твердого тела, то жидкость Не смачивает Твердое тело.
В природе часто встречаются пористые тела, объем которых пронизан большим количеством мелких каналов. Такое строение имеют бумага, кожа, дерево, почва, некоторые строительные материалы. Вода или другая жидкость при попадании на такое тело впитывается в него или поднимается на значительную высоту. Аналогичные явления можно наблюдать также в очень узких стеклянных трубках с диаметром около миллиметра и меньше, которые называются капиллярами.
Явления, которые определены поверхностным натягом и происходят в тонких трубчатых каналах (капиллярах), называются капиллярными явлениями или капиллярностью.
Викривлена поверхня рідини створює додатковий тиск на рідину порівняно з тиском під плоскою поверхнею. При увігнутому меніску тиск під плоскою поверхнею S Зменшується На величину додаткового тиску Рм. При опуклому меніску додатковий тиск Ри Збільшує той тиск, який існує під плоскою поверхнею рідини, зокрема, атмосферний тиск на вільну поверхню рідини.
Додатковий тиск для сферичної поверхні рідини розраховується за формулою:
Рм" Т1
Де А — Коефіцієнт поверхневого натягу, R — Радіус сферичної поверхні; Рм < 0, якщо меніск увігнутий; Рм > 0, якщо меніск опуклий.
Ця формула називається Формулою Лапласа На честь видатного французького астронома, математика і фізика П’єра Симона Лапласа, який вперше її отримав.
Встановимо деякі закономірності капілярних явищ.
Искривлённая поверхность жидкости создает дополнительное давление на жидкость сравнительно с давлением под плоской поверхностью. При вогнутом мениске давление под плоской поверхностью S уменьшается На величину дополнительного давления ….. При выпуклом мениске дополнительное давление …. увеличивает то давление, которое существует под плоской поверхностью жидкости, в частности, атмосферное давление на свободную поверхность жидкости.
Дополнительное давление для сферической поверхности жидкости рассчитывается по формуле:
Где а — коэффициент поверхностного натяжения,
R — радиус сферической поверхности;
Рм < 0, если мениск вогнут; рм > 0, если мениск выпукл.
Эта формула называется формулой Лапласа в честь выдающегося французского астронома, математика и физика Пъера Симона Лапласа, который впервые ее получил.
Установим некоторые закономерности капиллярных явлений.
Если имеет место явление смачивания, то Жидкость в капиллярах устанавливается выше от уровня жидкости в широкой трубке, а высота поднятия жидкости является наибольшей в капилляре с меньшим радиусом.
Если имеет место явление смачивания, то Жидкость в капиллярах устанавливается выше от уровня жидкости в широкой трубке, а высота поднятия жидкости является наибольшей в капилляре с меньшим радиусом.
Когда имеет место явление несмачивания, Жидкость в капиллярах устанавливается ниже от уровня жидкости в широкой трубке, а снижение уровня жидкости является наибольшим в капилляре с меньшим радиусом.
Для подъема жидкости в капилляре имеет место Закон Жюрена.
Высота поднятия жидкости в капилляре пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения жидкости и обратно Пропорциональная радиусу капилляра и плотности жидкости.
Следовательно, Ее …….
Формула Жюрена застосовна і до капілярної трубки із незмочуючою рідиною, але у цьому випадку обчислюється не висота підняття рідини, а зниження її рівня.
Формулу Жюрена можна використати для визначення коефіцієнту поверхневого натягу А. Для цього необхідно лише точно виміряти висоту підняття H і радіус капіляра Г. Тоді за відомими значеннями Р І G з формули Жюрена одержується значення А. Це один з найбільш поширених методів визначення коефіцієнту поверхневого натягу рідини.
Формула Жюрена применима и к капиллярной трубке с несмачивающей жидкостью, но в этом случае вычисляется не высота поднятия жидкости, а снижение ее уровня.
Формулу Жюрена можно использовать для определения коэффициента поверхностного натяжения …. Для этого необходимо лишь точно измерять высоту поднятия H И радиус капилляра R. Тогда за известными значениями Р И G Из формулы Жюрена получается значение ….. Это один из наиболее распространенных методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
ЯВЛЕНИЯ СМАЧИВАНИЯ И КАПИЛЛЯРНОСТИ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ
Явление смачивания имеет большое практическое значение, его используют в процессах пайка, склеивание, окрашивание тел, смазывания тертевих поверхностей и тому подобное. Особенно широко применяется смачивание в Флотацийних процессах (обогащении руд ценной породой). В основу этих процессов положено изменение поверхностного натяжения жидкости с помощью разных примесей и неодинаковое смачивание ею разных твердых тел.
Сущность принципа флотации заключается в следующем. Чистая руда почти никогда не встречается в природе. Полезное ископаемое по большей части перемешано с ненужной пустой породой (бедная руда). Прежде чем использовать в производстве, ее необходимо обогатить, то есть отделить руду от породы. Флотационный процесс заключается в прилипании пузырьков воздуха к частицам полезного ископаемого. Плотность полезного ископаемого и пузырька воздуха меньше плотности воды, потому они всплывают. Следовательно, флотация возможна при таких условиях: 1) поверхность частиц полезного ископаемого не должна смачиваться водой; 2) руда должна быть раздроблена на такие частицы, чтобы они могли всплывать с пузырьками воздуха, которые к ним прилипают. Для улучшения процесса прилипания пузырьков воздуха к частицам полезного ископаемого в флотацийну ванну добавляют масло, которое смачивает частицы полезного ископаемого и не смачивает частицу породы. Пузырьки воздух хороший прилипают к покрытым тонкой пленкой масла частиц полезного ископаемого.
При механической обработке металлов, бурении скважин в горных породах их смачивают специальными жидкостями, что облегчает и убыстряет их обработку.
Явление смачивания необходимо учитывать и в конструировании космических аппаратов. В состоянии невесомости смачивающая жидкость расплывается по стенкам сосуда, а несмачивающая собирается в сосуде в виде большой капли. Поэтому материал стенок и форму емкостей для топлива нужно выбирать так, чтобы топливо содержалось около отверстий, сквозь которые оно перекачивается к двигателям.
Чрезвычайно распространенная в природе, технике и быту капиллярность, которая играет значительную роль во многих процессах.
В частности, в строительной практике необходимо учитывать поднятие влаги по капиллярам строительных материалов. Кирпич и бетон имеют широко разветвленные системы капилляров, по которых вода может подниматься на значительную высоту, вызывая влажность стен дома. Для защиты стен от влажности между фундаментом дома и стенами прокладывают слой толи, смолы или другого материала, который препятствует проникновению влаги.
Капиллярные явления важны и в жизни растений, людей и животных (в теле взрослого человека приблизительно 1 60 миллиардов капилляров, общая длина которых 60 — 80 тысяч км). Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организмов.
На капиллярных явлениях основываются агротехнические приемы регуляции водного режима почвы — прикатывание и боронование.
Явление капиллярности используют и в быту, например при применении гигроскопической ваты, промокательной бумаги, полотенец и салфеток.