|
Поверхностное натяжение
[править | править вики-текст]
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Монета, лежащая на воде благодаря силе поверхностного натяжения
Механика сплошных сред | |||||
Сплошная среда | |||||
| |||||
См. также: Портал:Физика |
Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.
Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости[1].
Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.
В 1983 году было доказано теоретически и подтверждено данными из справочников (посмотреть статью: Журнал физической химии. 1983, № 10, с. 2528—2530), что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии (хотя и специфической: для симметричных молекул близких по форме к шарообразным). Приведенные в этой журнальной статье формулы позволяют для некоторых веществ теоретически рассчитывать значения поверхностного натяжения жидкости по другим физико-химическим свойствам, например, по теплоте парообразования или по внутренней энергии (подробнее о физической природе поверхностного натяжения жидкости см.соотв. статью на викиучебнике или [2], [3])
В 1985 году аналогичный взгляд на физическую природу поверхностного натяжения, как части внутренней энергии, при решении другой физической задачи был опубликован В. Вайскопфом (Victor Frederick Weisskopf) в США (V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618—619.).
Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.
В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.
Содержание
[убрать]
· 1 Проявления
· 2 Математическая теория
o 2.1 Площадь поверхности
o 2.2 Формула Лапласа
· 3 Зависимость от температуры
· 4 Способы определения
· 5 Методы
o 5.1 Метод вращающейся капли
o 5.2 Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца)
o 5.3 Метод бегущих волн
· 6 Поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом
· 7 Проявления
· 8 Примечания
· 9 См. также
· 10 Ссылки
· 11 Библиография
Проявления[править | править вики-текст]
Водомерка на поверхности воды.
Внешние видеофайлы | |
Видео, демонстрирующее передвижение водомерки по поверхности воды за счёт поверхностного натяжения. |
Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:
· в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел одинакового объёма).
· струя воды «сливается» в цилиндр.
· маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения оказывается уравновешенной силой поверхностного натяжения.
· некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.
· На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.
Математическая теория[править | править вики-текст]
Площадь поверхности [править | править вики-текст]
С поверхностью жидкости связана свободная энергия
где — коэффициент поверхностного натяжения, — полная площадь поверхности жидкости[4]. Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Таким образом задача о форме жидкости сводится к изопериметрической задаче при заданных дополнительных условиях (начальное распределение, объём и т. п.). Свободная капля принимает форму шара, однако при более сложных условиях задача о форме поверхности жидкости становится исключительно сложной.
Формула Лапласа [править | править вики-текст]
Рассмотрим тонкую жидкую плёнку, толщиной которой можно пренебречь. Стремясь минимизировать свою свободную энергию, плёнка создаёт разность давления с разных сторон. Этим объясняется существованиемыльных пузырей: плёнка сжимается до тех пор, пока давление внутри пузыря не будет превышать атмосферное на величину добавочного давления плёнки. Добавочное давление в точке поверхности зависит отсредней кривизны в этой точке и задаётся формулой Лапласа:
Здесь — радиусы главных кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный знак — если по разную сторону. Например, для сферы центры кривизны в любой точке поверхности совпадают с центром сферы, поэтому
Для случая поверхности кругового цилиндра радиуса имеем
Обратите внимание, что должно быть непрерывной функцией на поверхности плёнки, так что выбор «положительной» стороны плёнки в одной точке локально однозначно задаёт положительную сторону поверхности в достаточно близких её точках.
Из формулы Лапласа следует, что свободная мыльная плёнка, натянутая на рамку произвольной формы и не образующая пузырей, будет иметь среднюю кривизну, равную 0.
Зависимость от температуры[править | править вики-текст]
С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается и равна нулю при критической температуре. Наиболее известная эмпирическая зависимость поверхностного натяжения от температуры была предложена Лорандом Этвёшом, так называемое правило Этвёша (англ.). В настоящее время получен вывод теоретической зависимости поверхностного натяжения от температуры в области до критических температур, подтверждающей правило Этвёша (журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета», 2012, вып. 1, с. 24-28).
Способы определения[править | править вики-текст]
Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов (например, в случае концентрированных растворов полимеров с высокой вязкостью). Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения. Например, для раствора мыла после перемешивания поверхностное натяжение 58 мДж/м², а после отстаивания — 35 мДж/м². То есть поверхностное натяжение меняется. До установления равновесного оно будет динамическое.
Статические методы:
1. Метод поднятия в капилляре
2. Метод Вильгельми
3. Метод лежачей капли
4. Метод определения по форме висячей капли.
5. Метод вращающейся капли
Динамические методы:
1. Метод дю Нуи (метод отрыва кольца).
2. Сталагмометрический, или метод счета капель.
3. Метод максимального давления пузырька.
4. Метод осциллирующей струи
5. Метод стоячих волн
6. Метод бегущих волн
Методы[править | править вики-текст]
Полностью стандартизованные методы измерений описываются в соответствующих ASTM, ГОСТ и т. д.
Метод вращающейся капли [править | править вики-текст]
Сущностью метода является измерение диаметра капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости. Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения. Он широко применяется для микроэмульсий, измерения эффективности ПАВ в нефтедобыче, а также для определения адсорбционных свойств.
Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца) [править | править вики-текст]
Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.
Метод бегущих волн [править | править вики-текст]
При возмущении жидкости пластиной «лежащей» на её поверхности, по ней начинает распространяться круг волн. Если просветить кювету с жидкостью импульсным источником света с частотой равной частоте возмущения, то на экран спроецируется «стоячая» волновая картина. Измеряя длину волны на экране и геометрически перерассчитывая её (зная расстояние от источника света до поверхности жидкости и расстояние от поверхности до экрана, а также про подобие треугольников) можно получить величину поверхностного натяжения по формуле:
, где:
· — поверхностное натяжение;
· — плотность жидкости;
· — длина волны;
· — вынуждающая частота;
· — ускорение свободного падения.
Поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом[править | править вики-текст]
Вещество | Температура °C | Поверхностное натяжение(10−3 Н/м) |
Хлорид натрия 6.0M водный раствор | 82,55 | |
Хлорид натрия | ||
Глицерин | 64,7 | |
Олово | ||
Азотная кислота 70 % | 59,4 | |
Анилин | 42,9 | |
Ацетон | 23,7 | |
Бензол | 29,0 | |
Вода | 72,86 | |
Глицерин | 59,4 | |
Нефть | ||
Ртуть | 486,5 | |
Серная кислота 85 % | 57,4 | |
Спирт этиловый | 22,8 | |
Уксусная кислота | 27,8 | |
Эфир этиловый | 16,9 | |
Раствор мыла |
Дата добавления: 2015-09-29; просмотров: 52 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
1. Японцы очень уважают тех, кто может сказать на их языке хоть две фразы. Они считают, что выучить его нереально. | | | Поверхностное натяжение |