Symbol povrchového napětí. Začněte ve vědě
Text práce je vyvěšen bez obrázků a vzorců.
Plná verze práce je k dispozici v záložce "Soubory práce" ve formátu PDF
Zavedení
Ve světě kolem nás spolu s gravitací, elasticitou a třením existuje další síla, které obvykle nevěnujeme pozornost. Tato síla působí podél tečny k povrchům všech kapalin. Síla, která působí podél povrchu kapaliny kolmo k přímce omezující tento povrch, má tendenci ji snížit na minimum, se nazývá síla povrchového napětí. Je relativně malý, jeho působení nikdy nezpůsobuje silné účinky. Nemůžeme však nalít vodu do sklenice a nemůžeme dělat vůbec nic s žádnou kapalinou, aniž bychom do hry vložili síly povrchového napětí. Jsme tak zvyklí na efekty zvané povrchové napětí, že je nevnímáme. Projevy povrchového napětí kapalin v přírodě a technice jsou překvapivě rozmanité. Hrají důležitou roli v přírodě i v našich životech. Bez nich bychom nemohli psát heliovými pery, náplně do tiskáren by okamžitě udělaly velkou skvrnu a vyprázdnily by celý zásobník. Ruce by bylo nemožné namydlit – netvořila by se pěna. Slabý déšť by nás promočil a duhu by nebylo možné vidět bez ohledu na počasí. Povrchové napětí shromažďuje vodu do kapiček a díky povrchovému napětí lze vyfouknout mýdlovou bublinu. Pomocí pravidla „Buďte překvapeni včas“ od belgického profesora Plateaua pro výzkumníky uvažujme v naší práci neobvyklé experimenty.
Účel práce: experimentálně vyzkoušet projevy povrchového napětí kapalin, určit součinitel povrchového napětí kapalin metodou kapkové separace.
Studovat naučnou, populárně naučnou literaturu, využívat materiály na internetu na téma „Povrchové napětí“;
proveďte pokusy, abyste dokázali, že správný tvar kapaliny je koule;
provádět experimenty se snižováním a zvyšováním povrchového napětí;
navrhnout a sestavit experimentální sestavu, se kterou se určí koeficient povrchového napětí některých kapalin metodou oddělování kapek.
zpracovat obdržená data a vyvodit závěr.
Předmět studia: kapaliny.
Hlavní část. Povrchové napětí
Obr 1. G. Galileo
Četná pozorování a experimenty ukazují, že kapalina může mít formu, ve které má její volný povrch nejmenší plochu. Ve své touze po smrštění by povrchový film dal kapalině kulovitý tvar, nebýt přitahování k Zemi. Čím menší je pokles, tím větší roli hrají síly povrchového napětí. Malé kapky rosy na listech stromů a na trávě se proto při volném pádu blíží tvaru koule, kapky deště jsou téměř přísně kulovité. Tendenci kapaliny smršťovat se na minimum lze pozorovat u mnoha jevů, které se zdají překvapivé. Galileo se také zamyslel nad otázkou: proč kapky rosy, které ráno viděl na listech zelí, získávají kulovitý tvar? Tvrzení, že kapalina nemá svůj tvar, se ukazuje jako ne zcela přesné. Správnou formou kapaliny je koule jako nejprostornější forma. Molekuly látky v kapalném stavu jsou umístěny téměř blízko sebe. Na rozdíl od pevných krystalických těles, ve kterých molekuly tvoří uspořádané struktury v celém objemu krystalu a mohou provádět tepelné vibrace kolem pevných center, mají molekuly kapalin větší volnost. Každá molekula kapaliny, stejně jako v pevné látce, je ze všech stran „obložena“ sousedními molekulami a prochází tepelnými vibracemi kolem určité rovnovážné polohy. Čas od času se však jakákoli molekula může přesunout na blízké volné místo. K takovým skokům v kapalinách dochází poměrně často; proto molekuly nejsou vázány na konkrétní centra, jako v krystalech, a mohou se pohybovat v celém objemu kapaliny. To vysvětluje tekutost kapalin. Díky silné interakci mezi těsně umístěnými molekulami mohou vytvářet lokální (nestabilní) uspořádané skupiny obsahující několik molekul. 1
Obrázek 2. Příklad krátkého řádu molekul kapaliny a dlouhého řádu molekul krystalické látky: 1 - voda; 2 - led
Jak lze vysvětlit spontánní kontrakci povrchu kapaliny? Molekuly na povrchu a hluboko v kapalině jsou v různých podmínkách. Každá molekula uvnitř kapaliny je vystavena přitažlivým silám sousedních molekul, které ji obklopují ze všech stran. Výslednice těchto sil je nulová. Nad povrchem kapaliny se nachází pára, jejíž hustota je mnohonásobně menší než hustota kapaliny a interakci molekul páry s molekulami kapaliny lze zanedbat. Molekuly, které jsou na povrchu kapaliny, jsou přitahovány pouze molekulami, které jsou uvnitř kapaliny. Vlivem těchto sil jsou molekuly povrchové vrstvy vtahovány dovnitř, počet molekul na povrchu klesá a povrch se zmenšuje. Ale ne všechny molekuly se mohou přesunout z povrchu do kapaliny, tomu brání odpudivé síly, které vznikají, když se vzdálenosti mezi molekulami zmenšují. V určitých vzdálenostech mezi molekulami vtaženými dovnitř a molekulami umístěnými pod povrchem se interakční síly rovna nule a proces povrchové kontrakce se zastaví. Počet molekul zbývajících na povrchu je takový, že jeho plocha je pro daný objem kapaliny minimální. Protože je kapalina tekutá, má formu, ve které je počet molekul na povrchu minimální a koule má minimální povrch pro daný objem, to znamená, že kapka kapaliny má tvar blízký kulovitému tvaru. Nejjednodušší způsob, jak pochopit povahu sil povrchového napětí, je pozorovat tvorbu kapky. Podívejte se pozorně, jak kapka postupně roste, vytvoří se zúžení - krček - a kapka se odlomí. Představit si, že voda je uzavřena v elastickém sáčku, a tento vak se rozbije, když váha přesáhne jeho sílu, není potřeba příliš fantazie. Ve skutečnosti v kapce samozřejmě není nic jiného než voda, ale samotná povrchová vrstva vody se chová jako natažená elastická fólie. Film mýdlové bubliny vytváří stejný dojem.
Zkušenost č. 1
Tření kapaliny směrem k minimu potenciální energie lze pozorovat pomocí mýdlových bublin. Mýdlový film je dvojitá povrchová vrstva. Pokud vyfouknete mýdlovou bublinu a poté přestanete nafukovat, začne zmenšovat objem a vytlačuje proud vzduchu.
Povrchové napětí je jev molekulárního tlaku na kapalinu způsobený přitahováním molekul povrchové vrstvy k molekulám uvnitř kapaliny. 5
The Plateau Experience (1849)
Rýže. 4. J.Plateau
Moucha, která přiměla belgického profesora k experimentu, byla náhoda. Omylem nalil malé množství oleje do směsi alkoholu a vody a ta získala tvar koule. S ohledem na tuto skutečnost Platón nastínil řadu experimentů, které později jeho přátelé a studenti skvěle provedli. Do svého deníku napsal pravidlo pro výzkumníky: "Je čas být překvapen." Rozhodl jsem se prozkoumat zkušenost Plateau, ale jiným způsobem: v experimentu použít slunečnicový olej a tónovanou manganovou vodu.
Experiment dokazující, že homogenní kapalina má tvar s minimálním volným povrchem
Plato zkušenost možnost #2
1) Slunečnicový olej byl nalit do kádinky.
2) Pomocí očního kapátka kápněte do slunečnicového oleje kapku tónované manganové vody o průměru přibližně 5 mm.
) Pozorovali jsme vodní koule různých velikostí, které pomalu padaly ke dnu a získávaly zploštělý oválný tvar (foto 2).
5) Pozorovali jsme, jak kapka získala správný tvar koule (foto 2).
Závěr: Kapalina, přitahující molekuly povrchové vrstvy, se sama stlačí. Oválný zploštělý tvar se vysvětluje tím, že hmotnost kapky, která se nemísí s olejem, je větší než vztlaková síla. Správný tvar koule se vysvětluje tím, že kapka plave uvnitř oleje: hmotnost kapky je vyvážena vztlakovou silou.
Při volném pádu, ve stavu beztíže, mají kapky deště prakticky tvar koule. V kosmické lodi nabývá poměrně velká masa kapaliny také kulový tvar.
Koeficient povrchového napětí
Při nepřítomnosti vnější síly působí podél povrchu kapaliny síla povrchového napětí, která snižuje povrchovou plochu filmu na minimum. Síla povrchového napětí je síla směřující tangenciálně k povrchu kapaliny, kolmo k úseku obrysu, který ohraničuje povrch, ve směru jeho smršťování.
Ơ - koeficient povrchového napětí - jedná se o poměr modulu F síly povrchového napětí působící na hranici povrchové vrstvy ℓ k této délce, konstantní hodnota nezávislá na délce ℓ. Koeficient povrchového napětí závisí na povaze okolního média a teplotě. Vyjadřuje se v newtonech na metr (N/m).
Experimenty se snížením a zvýšením
Foto 3
povrchové napětíZkušenost č. 3
Dotkněte se středu hladiny vody kouskem mýdla.
Kousky pěny se začnou pohybovat od středu k okrajům nádoby (foto 3).
Do středu nádoby spadl benzín, alkohol, detergent "Víla"
Závěr: Povrchové napětí těchto látek je menší než u vody.
Tyto látky se používají k odstranění nečistot, mastných skvrn, sazí, tzn. ve vodě nerozpustné látky Voda sama o sobě nemá příliš dobrý čistící účinek. Například, když se molekuly vody dostanou do kontaktu se skvrnou, přitahují se k sobě více než částice nerozpustné špíny. Mýdla a syntetické detergenty (SDC) obsahují látky, které snižují povrchové napětí vody. První mýdlo, nejjednodušší prací prostředek, bylo získáno na Blízkém východě před více než 5000 lety. Zpočátku se používal hlavně k mytí a léčbě vředů a ran. A teprve v 1. století našeho letopočtu. muž se začal mýt mýdlem.
Na počátku 1. století se zrodilo mýdlo.
Člověka to zachránilo před špínou a od mládí se stal čistým.
Říkám vám o mýdle, které brzy zrodilo: šampon, gel, prášek.
Svět je čistý, jak je dobrý!
Obr 5. F. Gunther
Prací prostředky jsou přírodní a syntetické látky s čistícím účinkem, zejména mýdlo a prací prášky používané v běžném životě, průmyslu a službách. Mýdlo se získává jako výsledek chemické interakce tuku a alkálie. S největší pravděpodobností byl objeven čirou náhodou, když se maso smažilo na ohni a tuk stékal na popel, který má zásadité vlastnosti. Výroba mýdla má dlouhou historii, ale první syntetický detergent (SDC) se objevil v roce 1916, vynalezl jej německý chemik Fritz Gunther pro průmyslové účely. Domácí SMS, víceméně nezávadné pro ruce, se začaly vydávat v roce 1933. Od té doby byla vyvinuta řada syntetických detergentů (SDC) pro úzké účely a jejich výroba se stala důležitým odvětvím chemického průmyslu.
Voda sama o sobě kvůli povrchovému napětí nemá dostatečný čisticí účinek. Když se molekuly vody dostanou do kontaktu se skvrnou, přitahují se k sobě místo toho, aby zachycovaly částice nečistot, jinými slovy nečistoty nesmáčí.
Mýdla a syntetické detergenty obsahují látky, které zvyšují smáčivost vody snížením povrchového napětí. Tyto látky se nazývají povrchově aktivní látky (tenzidy), protože působí na povrch kapaliny.
V dnešní době se výroba SMS stala důležitým odvětvím chemického průmyslu. Tyto látky se nazývají povrchově aktivní látka(tenzidy), protože působí na povrch kapaliny. Molekuly povrchově aktivní látky mohou být reprezentovány jako pulci. „Přilnou“ k vodě hlavou a tuku „ocasem“. Když jsou povrchově aktivní látky smíchány s vodou, jejich molekuly na povrchu směřují „hlavami“ dolů a „ocasy“ ven. Tím, že tyto molekuly rozrušují povrch vody tímto způsobem, výrazně snižují účinek povrchového napětí, čímž napomáhají pronikání vody do tkáně. Těmito stejnými „ocasy“ molekuly povrchově aktivní látky (obr. 6) zachycují molekuly tuku, se kterými se setkávají. 2
Zkušenost č. 4
1.Nalijte mléko do podšálku tak, aby pokrýval dno (foto 4)
2. Kápněte 2 kapky brilantně zelené na povrch mléka
3. Pozorovali jsme, jak byla zářivá zelená „unášena“ od středu k okrajům. Dvě kapky zářivě zelené pokrývají většinu povrchu mléka! (foto 5)
Závěr: povrchové napětí zářivě zelené je mnohem menší než u mléka.
4. „Pohádkový“ prostředek na mytí nádobí byl kapán na povrch zářivě zelené, viděli jsme, jak se tato kapalina rozlila po celém povrchu (foto 6).
Závěr: Povrchové napětí detergentu je menší než u zářivě zelené.
Zkušenost č. 5
Voda byla nalita do široké skleněné nádoby.
Na povrch se házely kusy pěny.
Dotkněte se středu hladiny vody kouskem cukru.
Úponky polystyrenu se začnou pohybovat od okrajů nádoby směrem ke středu (foto 7).
Závěr: Povrchové napětí vodného roztoku cukru je větší než u čisté vody.
Zkušenost č. 6
Odstranění tukových skvrn z povrchu látky
Vatu jsme navlhčili benzínem a touto vatou navlhčili okraje skvrny (ne skvrnu samotnou). Benzín snižuje povrchové napětí, takže se tuk hromadí ve středu skvrny a lze ho odtud odstranit, pokud samotnou skvrnu namočíte stejnou vatou, může se zvětšit v důsledku snížení povrchového napětí;
Pro experimentální stanovení hodnoty povrchového napětí kapaliny lze použít proces tvorby a separace kapiček vytékajících z kapátka.
Stručná teorie kapkové separační metody
Malý objem kapaliny sám nabývá tvaru blízkého kouli, protože v důsledku malé hmotnosti kapaliny je také malá gravitační síla, která na ni působí. To vysvětluje kulovitý tvar malých kapek kapaliny. Obrázek 1 ukazuje fotografie ukazující různé fáze procesu tvorby a odlučování kapek. Fotografie byla pořízena pomocí vysokorychlostního filmování; kapka roste pomalu, můžeme předpokládat, že je v každém okamžiku v rovnováze. Povrchové napětí způsobuje kontrakci povrchu kapky, má tendenci dát kapce kulovitý tvar. Gravitace umístí těžiště kapky co nejníže. V důsledku toho se kapka jeví protáhlá (obr. 7a).
Rýže. 7. a b c d
Proces tvorby a separace kapiček
Čím větší je pokles, tím větší roli hraje potenciální energie gravitace. Jak kapka roste, hlavní část hmoty se shromažďuje na dně a na kapce se vytvoří hrdlo (obr. 7b). Síla povrchového napětí směřuje vertikálně tangenciálně ke krku a vyrovnává gravitační sílu působící na kapku. Nyní stačí, aby se pokles docela zvětšil a síly povrchového napětí již nevyrovnávají sílu gravitace. Hrdlo kapky se rychle zužuje (obr. 7c) a následkem toho se kapka odlomí (obr. 7d).
Metoda měření koeficientu povrchového napětí některých kapalin je založena na vážení kapiček. V případě pomalého proudění kapaliny z malého otvoru závisí velikost vytvořených kapiček na hustotě kapaliny, součiniteli povrchového napětí, velikosti a tvaru otvoru a také na rychlosti proudění. . Když smáčecí kapalina pomalu vytéká ze svislé válcové trubice, má výsledná kapka tvar znázorněný na obrázku 8. Poloměr r hrdla kapky souvisí s vnějším poloměrem trubice R vztahem r = kR (1)
kde k je koeficient závislý na velikosti trubky a průtoku.
Okamžik oddělení, hmotnost kapky se musí rovnat výslednici sil povrchového napětí působících po délce rovné délce obrysu krku v jeho nejužší části. Můžeme tedy psát
Mg = 2πrơ (2)
Dosazením hodnoty poloměru hrdla r z rovnosti (1) a jejím vyřešením získáme
Ơ = mg/2πkR (3)
K určení hmotnosti kapky se do sklenice o známé hmotnosti zváží určitý počet n kapek. Pokud je hmotnost šálku bez kapek a s kapkami M 0 a M, pak hmotnost jedné kapky
Dosazením posledního výrazu do vzorce (3) a zadáním jeho průměru d místo poloměru trubky získáme výpočetní vzorec
ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)
Výzkumná práce „Stanovení koeficientu povrchového napětí některých kapalin metodou oddělování kapek“
Účel studie: určit součinitel povrchového napětí kapaliny odtržením kapek některých kapalin. Zařízení: instalace pro měření koeficientu povrchového napětí, váhy, závaží, kelímek, posuvné měřítko, stopky. Materiály: detergenty: „Víla“, „Aos“, mléko, alkohol, benzín, práškové roztoky: „Mýtus“, „Persil“, šampony "fruttis", « Pantene», "Schauma" a " fruttis",sprchové gely" Sensen», "Monpensier" a " Objevit».
Popis zařízení.
Pro stanovení koeficientu povrchového napětí byla sestavena sestava sestávající ze stativu, na který byla instalována byreta s testovanou kapalinou. Na konci byrety je připevněn hrot trubky, na jehož konci se vytvoří kapka. Kapky byly zváženy ve speciálním kelímku.
Průběh studie
Pomocí posuvného měřítka se třikrát změřil průměr trubice hrotu a vypočítala se průměrná hodnota d.
Na váze se zvážila čistá suchá sklenice (M 0).
Pomocí byretového kohoutku jsme dosáhli rychlosti toku kapek
15 kapek za minutu.
60 kapek tekutiny bylo nalito z byrety do sklenice, přičemž se přesně počítalo množství vržených kapek.
Zvážili jsme sklenici tekutiny. (M)
Získané hodnoty dosadíme do vzorce ơ = ((M-M0)g)/πkdn
Byl vypočten koeficient povrchového napětí.
Experiment byl proveden třikrát
Byla vypočtena průměrná hodnota koeficientu povrchového napětí.
Koeficient povrchového napětí v soustavě SI se měří v N/m.
Tabulka č. 1
Výsledky stanovení koeficientu povrchového napětí (N/m)
Kapalný |
Koeficient povrchového napětí |
|
Měřeno |
Tabelární |
|
Ethylalkohol |
||
mléko (2,5) |
||
Mléko (domácí kráva) |
||
„Mýtus“ práškový roztok |
||
Persil práškový roztok |
||
Prací prostředek "Víla" |
||
Prací prostředek "Aos" |
Závěr: Ze studovaných kuchyňských mycích prostředků, přičemž všechny ostatní parametry ovlivňující kvalitu „mytí“ jsou stejné, je lepší použít přípravek „ Víla" Ze studovaných pracích prášků " Mýtus“, protože Právě jejich roztoky mají nejnižší povrchové napětí. Proto první náprava („ Víla") lépe pomáhá smývat ve vodě nerozpustné tuky z nádobí, protože je emulgátorem - prostředkem, který usnadňuje výrobu emulzí (suspenzí nejmenších částic kapalné látky ve vodě). Za druhé (“ Mýtus") lépe pere prádlo, proniká do pórů mezi vlákny látek. Pamatujte, že při použití kuchyňských saponátů nutíme látku (zejména tuk) alespoň na chvíli rozpustit ve vodě, protože je „rozdrcen“ na drobné částice. Během této doby se doporučuje opláchnout nanesený mycí prostředek proudem čisté vody, než oplachovat nádobí po nějaké době v nádobě. Kromě toho bylo studováno povrchové napětí šamponů a sprchových gelů. Vzhledem k poměrně vysoké viskozitě těchto kapalin je obtížné přesně určit jejich koeficient povrchového napětí, ale lze jej porovnat. Byly studovány šampony (metodou trhání kapek) „Pantene», "Schauma" a " fruttis" stejně jako sprchové gely" Sensen», "Monpensier" a " Objevit».
Závěr:
Povrchové napětí se u šamponů v určitém rozsahu snižuje "fruttis" - "Schauma" - "pantene" v gelech - v řadě "Monpensier" - "Objevit" - "Smysly".
Povrchové napětí šamponů je menší než povrchové napětí gelů (např. Pantene» < «Smysly"o 65 mN/m), což odůvodňuje jejich účel: šampony - na mytí vlasů, gely - na mytí těla.
Se všemi ostatními identickými vlastnostmi ovlivňujícími kvalitu mytí je lepší používat studované šampony. "Pantene" (obr. 9), ze studovaných sprchových gelů - „Smysly“ (obr. 10).
Metoda trhání kapek, byť nepříliš přesná, se však v lékařské praxi používá. Tato metoda zjišťuje povrchové napětí mozkomíšního moku, žluči atd. pro diagnostické účely.
Závěr
1. Bylo získáno experimentální potvrzení teoretických závěrů , dokazující, že homogenní kapalina má tvar s minimálním volným povrchem
2. Byly provedeny pokusy s poklesem a zvýšením povrchového napětí, jejichž výsledky prokázaly, že mýdlo a syntetické detergenty obsahují látky, které snižují smáčecí vlastnosti vody snížením síly povrchového napětí.
3. Stanovit koeficient povrchového napětí kapalin
a) byla studována stručná teorie metody separace kapek;
b) bylo navrženo a sestaveno experimentální zařízení;
c) byly vypočteny průměrné hodnoty koeficientu povrchového napětí různých kapalin a byly vyvozeny závěry.
4. Výsledky pokusů a výzkumů jsou prezentovány formou tabulek a fotografií.
Práce na projektu mi umožnila získat širší znalosti v sekci fyziky „Povrchové napětí“.
Svůj projekt bych rád zakončil slovy velkého fyzika
A. Einstein:
"Stačí mi zažít pocit věčného tajemství života, uvědomit si a intuitivně pochopit úžasnou strukturu všech věcí a aktivně se snažit uchopit i to nejmenší zrnko inteligence, které se projevuje v přírodě."
Seznam použitých zdrojů a literatury
http://www.physics.ru/
http://greenfuture.ru/
http://www.agym.spbu.ru/
Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu.L., Myakishev G.Ya., Fyzika, učebnice pro 9. ročník střední školy - 4. vydání - M.: Education, 1988 - 271 s.
Kasyanov V.A., Fyzika, 10. ročník, učebnice pro všeobecně vzdělávací instituce, M.: Drop, 2001. - 410 s
Pinsky A.A. Fyzika: učebnice. Manuál pro 10 ročníků s hloubkovým studiem fyziky. M.: Vzdělávání, 1993. - 416 s
Yufanova I.L. Zábavné večery z fyziky na střední škole: kniha pro učitele. - M.: Vzdělávání, 1990. -215s
Chuyanov V.Ya., Encyklopedický slovník mladého fyzika, M.: Pedagogika, 1984. - 350 s
1 1 http://www.physics.ru/
2 http://greenfuture.ru
Přitažlivé síly mezi molekulami na povrchu kapaliny jim brání v pohybu mimo něj.
Molekuly kapaliny zažívají síly vzájemné přitažlivosti - ve skutečnosti se právě kvůli tomu kapalina okamžitě neodpaří. Na molekuly uvnitř kapaliny působí přitažlivé síly jiných molekul ze všech stran, a proto se vzájemně vyrovnávají. Molekuly na povrchu kapaliny nemají žádné vnější sousedy a výsledná přitažlivá síla směřuje dovnitř kapaliny. V důsledku toho má celý povrch vody tendenci se vlivem těchto sil smršťovat. Dohromady tento efekt vede ke vzniku tzv. síly povrchového napětí, která působí podél povrchu kapaliny a vede k vytvoření jakéhosi neviditelného, tenkého a elastického filmu na něm.
Jedním z důsledků efektu povrchového napětí je to, že ke zvětšení povrchové plochy kapaliny – k jejímu natažení – je třeba vykonat mechanickou práci k překonání sil povrchového napětí. V důsledku toho, pokud je kapalina ponechána v klidu, má tendenci zaujmout tvar, ve kterém je její povrch minimální. Tento tvar je samozřejmě koule - proto kapky deště za letu nabývají téměř kulového tvaru (říkám "skoro", protože za letu jsou kapky mírně nataženy odporem vzduchu). Ze stejného důvodu se kapky vody na karoserii čerstvě navoskovaného auta shromažďují v korálcích.
Síly povrchového napětí se používají v průmyslu, zejména při odlévání kulovitých tvarů, jako jsou brokovnice. Kapky roztaveného kovu se jednoduše nechají za letu ztuhnout při pádu z dostatečné výšky a samy ztuhnou do koulí, než spadnou do přijímací nádoby.
Můžeme uvést mnoho příkladů působení sil povrchového napětí z našeho každodenního života. Vlivem větru se na hladině oceánů, moří a jezer tvoří vlnky a tyto vlnky jsou vlny, ve kterých je vzestupná síla vnitřního vodního tlaku vyvážena sestupnou silou povrchového napětí. Tyto dvě síly se střídají a na vodě se tvoří vlnky, stejně jako se vytváří vlna v důsledku střídavého natahování a stlačování struny hudebního nástroje.
Zda se kapalina bude shromažďovat v „perličkách“ nebo se rozprostře v rovnoměrné vrstvě po pevném povrchu, závisí na poměru sil intermolekulární interakce v kapalině způsobující povrchové napětí a na přitažlivých silách mezi molekulami kapaliny a pevný povrch. Například v kapalné vodě jsou síly povrchového napětí způsobeny vodíkovými vazbami mezi molekulami ( cm. Chemické vazby). Povrch skla je smáčen vodou, protože sklo obsahuje poměrně hodně atomů kyslíku a voda snadno vytváří vodíkové vazby nejen s jinými molekulami vody, ale také s atomy kyslíku. Pokud povrch skla namažete tukem, vodíkové vazby se s povrchem nevytvoří a voda se vlivem vnitřních vodíkových vazeb, které určují povrchové napětí, shromažďuje do kapiček.
V chemickém průmyslu se do vody často přidávají speciální smáčedla - povrchově aktivní látky, - zabraňující hromadění kapek vody na jakémkoli povrchu. Přidávají se například do tekutých prostředků na mytí nádobí. Molekuly takových činidel, které se dostanou do povrchové vrstvy vody, znatelně oslabí síly povrchového napětí, voda se neshromažďuje v kapkách a po zaschnutí nezanechává na povrchu špinavé skvrny ( cm.
Molekuly kapaliny na sebe vzájemně působí přitažlivými a odpudivými silami, které se znatelně projevují na dálku r, nazývaný poloměr molekulárního působení (řádově několik molekulárních průměrů). Poloměr koule r nazývaná sféra molekulárního působení. Pokud je molekula v povrchové vrstvě, tedy méně než r od povrchu, pak výslednice přitažlivých sil z okolních molekul směřuje do kapaliny. Proto, aby se molekula přesunula z vnitřku kapaliny na její povrch, musí být vykonána práce, v důsledku toho se volná energie povrchu zvyšuje. Volná povrchová energie na jednotku povrchu kapaliny se nazývá koeficient povrchového napětí:
kde A je práce, kterou je třeba vykonat ke zvětšení plochy povrchu o S. V soustavě SI je koeficient povrchového napětí (měřený v J/m2.
V rovnováze je volná energie systému minimální, takže kapalina, ponechaná svému osudu, má tendenci zmenšovat svůj povrch. Pojďme mentálně omezit určitou oblast povrchové vrstvy uzavřeným obrysem. Obsahuje síly nazývané síly povrchového napětí, směřující tangenciálně k povrchu a kolmé na úsek obrysu, na který působí. Koeficient povrchového napětí (lze také definovat jako sílu na jednotku délky obrysu omezující povrch:
Jeho jednotka měření v soustavě SI je 1N/m (newtony na metr = 1 J/m2 nebo milingtony na metr.
Koeficient povrchového napětí závisí na chemickém složení kapaliny, prostředí, se kterým hraničí, a teplotě. S rostoucí teplotou (klesá a při kritické teplotě se stává nulovou.
V závislosti na síle interakce mezi molekulami kapaliny a částicemi pevného tělesa, které jsou s ní v kontaktu, je možné, že pevné těleso může nebo nemusí být smáčeno kapalinou. V obou případech je povrch kapaliny poblíž hranice s pevným tělesem zakřivený...
Povrchové napětí vody při různých teplotách
Povrchové napětí (při 20°C)
Povrchové napětí kapalin
Látka | q, mN/m |
Roztavený hliník (při t=7000 0 C, v) | 840 |
Kapalný dusík (při t=-183 °C, p) | 6,2 |
aceton (p) | 24 |
Voda (při t=0 0 С,в) | 75,6 |
Voda (při t=20 °C, při) | 72,8 |
Voda (při t=100 0 С,в) | 58,8 |
Voda (při t=374,15 0 С,в) | 0 |
Roztavené zlato (při t=1130 0 C, v) | 1102 |
Glycerin (c) | 63 |
Petrolej (při t=0 0 С,в) | 29 |
Petrolej (c) | 24 |
Kapalný kyslík (při = -183 0 C, v) | 13,1 |
mléko (v) | 46 |
olej (v) | 30 |
Mýdlový roztok (v) | 40 |
Merkur (p) | 472 |
Roztavené olovo (při t=350 0 C, v) | 442 |
Roztavené stříbro (při t=970 0 C, v) | 930 |
Alkohol (při t=0 0 С,в) | 22 |
éter (p) | 17 |
Povrchové napětí vodných roztoků (v dynech/cm)
Konverze na SI: 1 dyn/cm = 10 - 3 N/m
Solut | t, °C | Obsah, hm. % | |||
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 | - | - |
Na2S04 | 18 | 73,8 | 75,2 | - | - |
NaNO3 | 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 |
NH 3 | 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 | - | - | - |
Kapalina je stav agregace látky, mezistupeň mezi plynným a pevným, proto má vlastnosti plynných i pevných látek. Kapaliny, stejně jako pevné látky, mají určitý objem a stejně jako plyny mají tvar nádoby, ve které se nacházejí. Molekuly plynu nejsou prakticky navzájem spojeny intermolekulárními interakčními silami. V tomto případě je průměrná energie tepelného pohybu molekul plynu mnohem větší než průměrná potenciální energie způsobená přitažlivými silami mezi nimi, takže molekuly plynu se rozlétají v různých směrech a plyn zabírá celý objem, který je jim poskytnut. .
V pevných látkách a kapalinách jsou přitažlivé síly mezi molekulami již značné a udržují molekuly v určité vzdálenosti od sebe. V tomto případě je průměrná energie chaotického tepelného pohybu molekul menší než průměrná potenciální energie v důsledku sil mezimolekulární interakce a nestačí překonat přitažlivé síly mezi molekulami, proto pevné látky a kapaliny mají určitou objem.
Rentgenová difrakční analýza kapalin ukázala, že povaha uspořádání kapalných částic je mezi plynem a pevnou látkou. V plynech se molekuly pohybují chaoticky, takže v jejich relativním uspořádání neexistuje žádný vzor. U pevných látek tzv objednávka na dlouhé vzdálenosti v uspořádání částic, tzn. jejich uspořádané uspořádání, opakující se na velké vzdálenosti. V kapalinách se vyskytuje tzv uzavřít objednávku v uspořádání částic, tzn. jejich uspořádané uspořádání, opakující se ve vzdálenostech srovnatelných s meziatomovými.
Teorie kapalin ještě není plně rozvinuta. Tepelný pohyb v kapalině se vysvětluje tím, že každá molekula nějakou dobu kmitá kolem určité rovnovážné polohy, načež přeskočí do nové polohy, oddělené od původní ve vzdálenosti řádu meziatomového. Molekuly kapaliny se tedy pohybují spíše pomalu v celé hmotě kapaliny a k difúzi dochází mnohem pomaleji než v plynech. Se zvyšující se teplotou kapaliny se prudce zvyšuje frekvence vibračního pohybu, zvyšuje se pohyblivost molekul, což způsobuje pokles viskozity kapaliny.
Každá molekula kapaliny je vystavena přitažlivým silám od okolních molekul, které se se vzdáleností rychle zmenšují, takže od určité minimální vzdálenosti lze přitažlivé síly mezi molekulami zanedbat. Tato vzdálenost (cca 10 -9 m) se nazývá poloměr molekulárního působení r , a sféra poloměru r-sféra molekulárního působení.
Pojďme izolovat molekulu uvnitř kapaliny A a nakreslete kolem něj kouli o poloměru r(obr. 10.1). Podle definice stačí vzít v úvahu účinek na danou molekulu pouze těch molekul, které jsou uvnitř koule
Obr. 10.1. molekulární působení. Síly, kterými tyto molekuly působí na molekulu A, jsou směrovány různými směry a jsou v průměru kompenzovány, takže výsledná síla působící na molekulu uvnitř kapaliny od ostatních molekul je nulová. Jiná situace je, pokud molekula, nap. V, umístěné od povrchu ve vzdálenosti menší než r. V tomto případě je sféra molekulárního působení umístěna uvnitř kapaliny pouze částečně. Protože koncentrace molekul v plynu umístěném nad kapalinou je malá ve srovnání s jejich koncentrací v kapalině, výsledná síla F, nanesená na každou molekulu povrchové vrstvy, není rovna nule a směřuje do kapaliny. Výsledné síly všech molekul povrchové vrstvy tedy vyvíjejí na kapalinu tlak, tzv molekulární(nebo vnitřní). Molekulární tlak nepůsobí na těleso umístěné v kapalině, protože je způsoben silami působícími pouze mezi molekulami samotné kapaliny.
Celková energie kapalných částic se skládá z energie jejich chaotického tepelného pohybu a potenciální energie v důsledku sil mezimolekulární interakce. K přesunu molekuly z hlubin kapaliny do povrchové vrstvy je třeba vynaložit práci. Tato práce se provádí díky kinetické energii molekul a zvyšuje jejich potenciální energii. Proto mají molekuly v povrchové vrstvě kapaliny větší potenciální energii než molekuly uvnitř kapaliny. Tato dodatečná energie, kterou mají molekuly v povrchové vrstvě kapaliny, tzv povrchová energie,úměrné ploše vrstvy Δ S:
Δ W=σ Δ S,(10.1)
Kde σ – koeficient povrchového napětí, definovaná jako hustota povrchové energie.
Jelikož je rovnovážný stav charakterizován minimální potenciální energií, kapalina za nepřítomnosti vnějších sil nabude takového tvaru, že pro daný objem má minimální povrch, tzn. tvar koule. Při pozorování nejmenších kapiček zavěšených ve vzduchu můžeme vidět, že mají skutečně tvar kuliček, ale působením gravitace poněkud zdeformované. V podmínkách beztíže má kapka jakékoli kapaliny (bez ohledu na její velikost) kulovitý tvar, který byl experimentálně prokázán na kosmických lodích.
Podmínkou stabilní rovnováhy kapaliny je tedy minimum povrchové energie. To znamená, že kapalina pro daný objem by měla mít nejmenší povrch, tzn. kapalina má tendenci zmenšovat plochu volného povrchu. V tomto případě lze povrchovou vrstvu kapaliny přirovnat k natažené elastické fólii, ve které působí tažné síly.
Uvažujme povrch kapaliny ohraničený uzavřeným obrysem. Působením sil povrchového napětí (směřují tangenciálně k povrchu kapaliny a kolmo k řezu obrysu, na který působí) se povrch kapaliny smršťoval a předmětný obrys se pohyboval. Síly působící z vybrané oblasti na oblasti, které ji ohraničují, fungují:
Δ A=fΔ lΔ x,
Kde f=F/Δ l –síla povrchového napětí působící na jednotku délky obrysu povrchu kapaliny. Je jasné, že Δ lΔ x= Δ S, těch.
Δ A=fAS.
Tato práce se provádí snížením povrchové energie, tzn.
Δ Α =Δ W.
Ze srovnání výrazů je zřejmé, že
tj. koeficient povrchového napětí σ je roven síle povrchového napětí na jednotku délky obrysu ohraničujícího povrch. Jednotkou povrchového napětí je newton na metr (N/m) nebo joule na metr čtvereční (J/m2). Většina kapalin o teplotě 300 K má povrchové napětí řádově 10 -2 -10 -1 N/m. Povrchové napětí klesá s rostoucí teplotou, protože se zvětšují průměrné vzdálenosti mezi molekulami kapaliny.
Povrchové napětí výrazně závisí na nečistotách přítomných v kapalinách , se nazývají kapaliny, které oslabují povrchové napětí povrchově aktivní látky (tenzidy). Nejznámější povrchově aktivní látkou ve vztahu k vodě je mýdlo. Výrazně snižuje jeho povrchové napětí (z cca 7,5 10 -2 až 4,5·10-2 N/m). Povrchově aktivní látky snižující povrchové napětí vody jsou také alkoholy, ethery, olej atd.
Existují látky (cukr, sůl), které zvyšují povrchové napětí kapaliny díky tomu, že jejich molekuly interagují s molekulami kapaliny silněji než molekuly kapaliny navzájem.
Ve stavebnictví se povrchově aktivní látky používají k přípravě roztoků používaných při zpracování dílů a konstrukcí pracujících v nepříznivých atmosférických podmínkách (vysoká vlhkost, zvýšené teploty, vystavení slunečnímu záření atd.).
Fenomén smáčení
Z praxe je známo, že kapka vody se rozlije po skle a získá tvar znázorněný na obr. 10.2, zatímco rtuť na stejném povrchu se změní v mírně zploštělou kapku. V prvním případě říkají, že kapalina mokry tvrdý povrch, ve druhém - nesmáčí jí. Smáčení závisí na povaze sil působících mezi molekulami povrchových vrstev kontaktujících médií. U smáčecí kapaliny je přitažlivá síla mezi molekulami kapaliny a pevné látky větší než mezi molekulami samotné kapaliny a kapalina má tendenci se zvětšovat.
povrch kontaktu s pevným tělesem. U nesmáčivé kapaliny je přitažlivá síla mezi molekulami kapaliny a pevnou látkou menší než mezi molekulami kapaliny a kapalina má tendenci zmenšovat povrch svého kontaktu s pevnou látkou.
Na linii kontaktu tří prostředí (bod 0 je její průsečík s rovinou výkresu) působí tři síly povrchového napětí, které směřují tangenciálně dovnitř kontaktní plochy příslušných dvou médií. Tyto síly, vztažené na jednotku délky linie kontaktu, se rovnají odpovídajícím povrchovým napětím σ 12 , σ 13 , σ 23 . Roh θ mezi tečnami k povrchu kapaliny a pevné látky se nazývá úhel hrany. Podmínkou rovnováhy kapky je, aby součet průmětů sil povrchového napětí na směr tečny k povrchu tuhého tělesa byl roven nule, tzn.
–σ 13 + σ 12 + σ 23 cos θ =0 (10.2)
cos θ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)
Z podmínky vyplývá, že kontaktní úhel může být ostrý nebo tupý v závislosti na hodnotách σ 13 a σ 12. Li σ 13 >σ 12 pak cos θ >0 a úhel θ pikantní, tzn. kapalina smáčí pevný povrch. Li σ 13 <σ 12 pak cos θ <0 и угол θ – tupý, tj. kapalina nesmáčí pevný povrch.
Kontaktní úhel splňuje podmínku (10.3), pokud
(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.
Pokud podmínka není splněna, pak kapka kapaliny v libovolné hodnotě θ nemůže být v rovnováze. Li σ 13 >σ 12 +σ 23, pak se kapalina rozlije po povrchu pevné látky a pokryje ji tenkým filmem (například petrolej na povrchu skla), – k tomu dochází úplné zvlhčení(v tomto případě θ =0).
Li σ 12 >σ 13 +σ 23, pak se kapalina smršťuje do kulovité kapky, v limitu má pouze jeden bod kontaktu s ní (například kapka vody na povrchu parafínu), - úplné nesmáčení(v tomto případě θ =π).
Smáčení a nesmáčení jsou relativní pojmy, tzn. kapalina, která smáčí jeden pevný povrch, nesmáčí druhý. Například voda smáčí sklo, ale nesmáčí parafín; Rtuť nezmáčí sklo, ale za mokra čistí kovové povrchy.
Fenomény smáčení a nesmáčení mají v technologii velký význam. Například při způsobu flotačního zhodnocování rudy (oddělování rudy od hlušiny) se tato jemně rozdrcená třepe v kapalině, která hlušinu smáčí a rudu nesmáčí. Touto směsí je profukován vzduch a následně se usazuje. V tomto případě částice hornin navlhčené kapalinou klesají ke dnu a zrnka minerálů se „lepí“ na vzduchové bubliny a plavou na povrch kapaliny. Při obrábění kovů se vlhčí speciálními kapalinami, což usnadňuje a urychluje povrchovou úpravu.
Ve stavebnictví je fenomén vlhnutí důležitý pro přípravu tekutých směsí (tmel, tmel, malty pro zdění a přípravu betonu). Je nutné, aby tyto tekuté směsi dobře smáčely povrchy stavebních konstrukcí, na které jsou aplikovány. Při výběru složek směsí se berou v úvahu nejen kontaktní úhly pro dvojice směs-povrch, ale také povrchově aktivní vlastnosti kapalných složek.