सतह तनाव संकेतन। विज्ञान में शुरू करें
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परिचय
हमारे आसपास की दुनिया में गुरुत्वाकर्षण, लोच और घर्षण के साथ-साथ एक और बल है जिस पर हम आमतौर पर ध्यान नहीं देते हैं। यह बल सभी द्रवों की सतहों पर स्पर्श रेखा के अनुदिश कार्य करता है। बल जो इस सतह को सीमित करने वाली रेखा के लंबवत तरल की सतह के साथ कार्य करता है, इसे कम से कम करने के लिए जाता है, कहलाता है सतह तनाव बल. यह अपेक्षाकृत छोटा है, इसकी क्रिया कभी भी शक्तिशाली प्रभाव पैदा नहीं करती है। हालांकि, हम एक गिलास में पानी नहीं डाल सकते हैं, हम सतह तनाव बलों को खेल में लाए बिना किसी भी तरल के साथ कुछ भी नहीं कर सकते हैं। हम सतही तनाव नामक प्रभावों के इतने अभ्यस्त हो जाते हैं कि हम उन्हें नोटिस नहीं करते हैं। प्रकृति और प्रौद्योगिकी में एक तरल के सतह तनाव की अभिव्यक्तियाँ आश्चर्यजनक रूप से विविध हैं। वे प्रकृति और हमारे जीवन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। उनके बिना, हम हीलियम पेन से नहीं लिख सकते थे, कार्ट्रिज प्रिंटर तुरंत एक बड़ा धब्बा लगा देते थे, जिससे उनका पूरा टैंक खाली हो जाता था। अपने हाथों को साबुन से धोना असंभव होगा - झाग नहीं बनेगा। एक हल्की बारिश ने हमें भिगो दिया होता, और इंद्रधनुष किसी भी मौसम में दिखाई नहीं देता। सतह तनाव पानी को बूंदों में इकट्ठा करता है और सतह तनाव के लिए धन्यवाद, साबुन का बुलबुला उड़ाया जा सकता है। शोधकर्ताओं को समय पर आश्चर्यचकित करने के लिए बेल्जियम के प्रोफेसर प्लेटो के नियम का उपयोग करते हुए, हम काम में असामान्य प्रयोगों पर विचार करेंगे।
कार्य का उद्देश्य: तरल के सतह तनाव की अभिव्यक्तियों की प्रयोगात्मक रूप से जांच करने के लिए, ड्रॉप पृथक्करण की विधि द्वारा तरल पदार्थ के सतह तनाव के गुणांक का निर्धारण करने के लिए
शैक्षिक, लोकप्रिय विज्ञान साहित्य का अध्ययन करें, "सतह तनाव" विषय पर इंटरनेट पर सामग्री का उपयोग करें;
यह साबित करने के लिए प्रयोग करें कि तरल का उचित रूप एक गेंद है;
घटते और बढ़ते पृष्ठ तनाव के साथ प्रयोग करना;
एक प्रयोगात्मक सेटअप को डिजाइन और इकट्ठा करने के लिए जिसके साथ कुछ तरल पदार्थों के सतह तनाव गुणांक को छोटी बूंद पृथक्करण विधि द्वारा निर्धारित किया जाता है।
प्राप्त डेटा को संसाधित करें और निष्कर्ष निकालें।
अध्ययन का उद्देश्य: तरल पदार्थ।
मुख्य हिस्सा। सतह तनाव
अंजीर 1. जी गैलीलियो
कई प्रेक्षणों और प्रयोगों से पता चलता है कि एक तरल ऐसा रूप ले सकता है जिसमें उसकी मुक्त सतह का क्षेत्रफल सबसे छोटा हो। सिकुड़ने की अपनी प्रवृत्ति में, सतह की फिल्म तरल को गोलाकार कर देगी यदि यह पृथ्वी के प्रति आकर्षण के लिए नहीं होती। बूंद जितनी छोटी होगी, पृष्ठ तनाव बलों द्वारा उतनी ही अधिक भूमिका निभाई जाएगी। इसलिए, पेड़ों की पत्तियों पर, घास पर छोटी ओस की बूंदें एक गेंद के आकार के करीब होती हैं; मुक्त गिरावट में, बारिश की बूंदें लगभग सख्ती से गोलाकार होती हैं। तरल की न्यूनतम संभव तक सिकुड़ने की प्रवृत्ति कई घटनाओं में देखी जा सकती है जो आश्चर्यजनक लगती हैं। गैलीलियो ने भी इस प्रश्न के बारे में सोचा: सुबह गोभी के पत्तों पर दिखाई देने वाली ओस की बूंदें गोलाकार क्यों हो जाती हैं? यह कथन कि द्रव का अपना कोई आकार नहीं होता, पूरी तरह से सही नहीं होता है। तरल का उचित रूप एक गोला है, जो सबसे अधिक क्षमता वाला रूप है। द्रव अवस्था में किसी पदार्थ के अणु लगभग एक दूसरे के निकट स्थित होते हैं। ठोस क्रिस्टलीय निकायों के विपरीत, जिसमें अणु क्रिस्टल के पूरे आयतन में क्रमबद्ध संरचनाएं बनाते हैं और निश्चित केंद्रों के आसपास थर्मल कंपन कर सकते हैं, तरल अणुओं में अधिक स्वतंत्रता होती है। एक तरल के प्रत्येक अणु, साथ ही एक ठोस शरीर में, पड़ोसी अणुओं द्वारा सभी तरफ "क्लैम्प्ड" होता है और एक निश्चित संतुलन स्थिति के आसपास थर्मल कंपन करता है। हालांकि, समय-समय पर, कोई भी अणु आसन्न रिक्ति में जा सकता है। तरल पदार्थों में इस तरह की छलांग अक्सर होती है; इसलिए, अणु कुछ केंद्रों से बंधे नहीं होते हैं, जैसे कि क्रिस्टल में, और तरल के पूरे आयतन में घूम सकते हैं। यह द्रवों की तरलता की व्याख्या करता है। निकट दूरी वाले अणुओं के बीच मजबूत अंतःक्रिया के कारण, वे कई अणुओं वाले स्थानीय (अस्थिर) क्रमित समूह बना सकते हैं। एक
चित्रा 2. तरल अणुओं के शॉर्ट-रेंज ऑर्डर और क्रिस्टलीय पदार्थ के अणुओं की लंबी दूरी के क्रम का एक उदाहरण: 1 - पानी; 2 - बर्फ
और किसी द्रव की सतह के स्वतःस्फूर्त संकुचन की व्याख्या कैसे की जा सकती है? सतह पर और तरल की गहराई में अणु अलग-अलग स्थितियों में होते हैं। द्रव के भीतर का प्रत्येक अणु उसके चारों ओर से आस-पास के अणुओं के आकर्षण बल से प्रभावित होता है। इन बलों का परिणाम शून्य है। तरल की सतह के ऊपर वाष्प होता है, जिसका घनत्व तरल के घनत्व से कई गुना कम होता है, और तरल अणुओं के साथ वाष्प के अणुओं की परस्पर क्रिया की उपेक्षा की जा सकती है। तरल की सतह पर मौजूद अणु केवल उन अणुओं द्वारा आकर्षित होते हैं जो तरल के अंदर होते हैं। इन बलों के प्रभाव में, सतह परत के अणु अंदर की ओर खींचे जाते हैं, सतह पर अणुओं की संख्या कम हो जाती है और सतह का क्षेत्रफल कम हो जाता है। लेकिन सभी अणु सतह से तरल में नहीं जा सकते हैं, यह प्रतिकारक बलों द्वारा रोका जाता है जो अणुओं के बीच की दूरी कम होने पर उत्पन्न होते हैं। अंदर की ओर खींचे गए अणुओं और सतह के नीचे स्थित अणुओं के बीच कुछ दूरी पर, अंतःक्रिया बल शून्य के बराबर हो जाते हैं, सतह के संकुचन की प्रक्रिया रुक जाती है। सतह पर शेष अणुओं की संख्या ऐसी होती है कि इसका क्षेत्रफल किसी दिए गए द्रव के आयतन के लिए न्यूनतम होता है। चूंकि तरल तरल है, इसलिए यह एक आकार लेता है जिसमें सतह पर अणुओं की संख्या न्यूनतम होती है, और एक गेंद में किसी दिए गए आयतन के लिए न्यूनतम सतह होती है, अर्थात एक तरल बूंद गोलाकार के करीब आकार लेती है। सबसे आसान सतह तनाव बलों की प्रकृति को पकड़ने का तरीका एक बूंद के गठन का निरीक्षण करना है। ध्यान से देखें कि बूंद कैसे धीरे-धीरे बढ़ती है, एक संकुचन बनता है - एक गर्दन - और बूंद उतर जाती है। यह कल्पना करने के लिए बहुत अधिक कल्पना नहीं है कि पानी एक लोचदार बैग में संलग्न है, और जब वजन अपनी ताकत से अधिक हो जाता है तो यह बैग टूट जाता है। वास्तव में, निश्चित रूप से, बूंद में पानी के अलावा कुछ भी नहीं है, लेकिन पानी की सतह की परत स्वयं एक फैली हुई लोचदार फिल्म की तरह व्यवहार करती है। साबुन के बुलबुले की फिल्म भी यही छाप छोड़ती है।
अनुभव #1
साबुन के बुलबुलों का उपयोग करके किसी द्रव का न्यूनतम स्थितिज ऊर्जा तक घर्षण देखा जा सकता है। साबुन फिल्म एक दोहरी सतह परत है। यदि आप साबुन के बुलबुले को उड़ाते हैं, और फिर फुलाना बंद कर देते हैं, तो यह हवा की एक धारा को निचोड़ते हुए, मात्रा में कमी करना शुरू कर देगा।
सतह तनाव - तरल पर आणविक दबाव की घटना, तरल के अंदर अणुओं के सतह परत अणुओं के आकर्षण के कारण होती है 5
पठार का अनुभव (1849)
चावल। 4. जे. पठार
बेल्जियम के प्रोफेसर को प्रयोग करने के लिए प्रेरित करने वाली गैडली मौका थी। उसने गलती से शराब और पानी के मिश्रण में थोड़ा सा तेल डाल दिया और उसने एक गेंद का रूप ले लिया। इस तथ्य पर विचार करते हुए, प्लेटो ने प्रयोगों की एक श्रृंखला की रूपरेखा तैयार की, जिसे बाद में उनके दोस्तों और छात्रों ने शानदार ढंग से प्रदर्शित किया। अपनी डायरी में, उन्होंने शोधकर्ताओं के लिए एक नियम लिखा: "समय पर आश्चर्यचकित हो जाओ।" मैंने पठारी प्रयोग का पता लगाने का फैसला किया, लेकिन एक अलग संस्करण में: प्रयोग में सूरजमुखी के तेल और रंगा हुआ मैंगनीज पानी का उपयोग करने के लिए।
एक प्रयोग यह साबित करता है कि एक सजातीय तरल न्यूनतम मुक्त सतह के साथ एक रूप लेता है
पठारी अनुभव विकल्प #2
1) सूरजमुखी के तेल को एक बीकर में डालें।
2) एक आईड्रॉपर के साथ, लगभग 5 मिमी के व्यास के साथ रंगा हुआ मैंगनीज पानी की एक बूंद सूरजमुखी के तेल में गिरा दी गई थी।
) विभिन्न आकारों के पानी के गोले देखे गए, जो धीरे-धीरे नीचे की ओर गिर रहे थे और एक अंडाकार चपटा आकार ले रहे थे (फोटो 2)।
5) देखें कि बूँद गेंद का सही आकार कैसे लेती है (फोटो 2)।
निष्कर्ष: तरल, सतह परत के अणुओं को आकर्षित करके, स्वयं को संकुचित करता है। अंडाकार चपटा आकार इस तथ्य से समझाया गया है कि एक बूंद का वजन जो तेल के साथ मिश्रित नहीं होता है, उछाल बल से अधिक होता है। गेंद का सही आकार इस तथ्य से समझाया गया है कि बूंद तेल के अंदर तैरती है: बूंद का वजन उछाल बल द्वारा संतुलित होता है।
फ्री फॉल में, भारहीनता की स्थिति में, बारिश की बूंदों में व्यावहारिक रूप से एक गेंद का आकार होता है। एक अंतरिक्ष यान में, तरल पदार्थ का काफी बड़ा द्रव्यमान भी एक गोलाकार आकार लेता है।
सतह तनाव गुणांक
बाहरी बल की अनुपस्थिति में, एक सतह तनाव बल तरल की सतह के साथ कार्य करता है, जो फिल्म के सतह क्षेत्र को कम से कम कर देता है। भूतल तनाव बल - तरल की सतह पर स्पर्शरेखा से निर्देशित बल, समोच्च के उस खंड के लंबवत, जो सतह को इसके संकुचन की दिशा में बांधता है।
Ơ - सतह तनाव का गुणांक - यह सतह परत की सीमा पर अभिनय करने वाले सतह तनाव बल के मॉड्यूल एफ का अनुपात है, इस लंबाई के लिए एक निरंतर मूल्य है जो लंबाई ℓ पर निर्भर नहीं करता है। पृष्ठ तनाव गुणांक आसन्न मीडिया की प्रकृति और तापमान पर निर्भर करता है। इसे न्यूटन प्रति मीटर (N/m) में व्यक्त किया जाता है।
कमी और वृद्धि के साथ प्रयोग
फोटो 3
सतह तनावअनुभव #3
साबुन की पट्टी से पानी की सतह के केंद्र को स्पर्श करें।
फोम के टुकड़े केंद्र से बर्तन के किनारों तक जाने लगते हैं (फोटो 3)।
उन्होंने बर्तन के केंद्र में पेट्रोल, शराब, डिटर्जेंट टपका दिया परी।
निष्कर्ष: इन पदार्थों का पृष्ठ तनाव जल के पृष्ठ तनाव से कम होता है।
इन पदार्थों का उपयोग गंदगी, चिकना दाग, कालिख, यानी को हटाने के लिए किया जाता है। पानी में अघुलनशील पदार्थ। बल्कि उच्च सतह तनाव के कारण, पानी का अपने आप में बहुत अच्छा सफाई प्रभाव नहीं होता है। उदाहरण के लिए, दाग के संपर्क में आने पर, पानी के अणु अघुलनशील गंदगी के कणों की तुलना में एक-दूसरे की ओर अधिक आकर्षित होते हैं। साबुन और सिंथेटिक डिटर्जेंट (एसएमसी) में ऐसे पदार्थ होते हैं जो पानी की सतह के तनाव को कम करते हैं। पहला साबुन, सबसे सरल डिटर्जेंट, 5,000 साल पहले मध्य पूर्व में बनाया गया था। सबसे पहले, इसका उपयोग मुख्य रूप से अल्सर और घावों को धोने और इलाज के लिए किया जाता था। और केवल पहली शताब्दी ईस्वी में। वह आदमी साबुन से खुद को धोने लगा।
पहली शताब्दी की शुरुआत में साबुन का जन्म हुआ।
एक आदमी गंदगी से बच गया और वह छोटी उम्र से ही साफ हो गया।
मैं आपको उस साबुन के बारे में बता रहा हूँ जिसने जल्द ही जन्म दिया: शैम्पू, जेल, पाउडर।
दुनिया साफ हो गई है, कितनी अच्छी!
चित्रा 5. एफ। गुंथर
डिटर्जेंट प्राकृतिक और सिंथेटिक पदार्थ होते हैं जिनका सफाई प्रभाव होता है, विशेष रूप से साबुन और वाशिंग पाउडर में, जिनका उपयोग रोजमर्रा की जिंदगी, उद्योग और सेवा क्षेत्र में किया जाता है। साबुन वसा और क्षार की रासायनिक क्रिया के परिणामस्वरूप प्राप्त होता है। सबसे अधिक संभावना है, यह शुद्ध संयोग से खोजा गया था, जब मांस को आग पर भुना जाता था, और वसा राख पर प्रवाहित होती थी, जिसमें क्षारीय गुण होते हैं। साबुन उत्पादन का एक लंबा इतिहास है, लेकिन पहला सिंथेटिक डिटर्जेंट (SMC) 1916 में दिखाई दिया, इसका आविष्कार एक जर्मन रसायनज्ञ ने किया था। फ़्रिट्ज़ गुंथरऔद्योगिक उद्देश्यों के लिए। घरेलू एसएमएस, कमोबेश हाथों के लिए हानिरहित, 1933 में तैयार किया जाने लगा। तब से, संकीर्ण उद्देश्यों के लिए कई सिंथेटिक डिटर्जेंट (एसएमसी) विकसित किए गए हैं, और उनका उत्पादन रासायनिक उद्योग की एक महत्वपूर्ण शाखा बन गया है।
यह सतही तनाव के कारण है कि पानी का अपने आप में पर्याप्त सफाई प्रभाव नहीं होता है। दाग के संपर्क में आने पर पानी के अणु गंदगी के कणों को फंसाने के बजाय एक दूसरे की ओर आकर्षित होते हैं, दूसरे शब्दों में, वे गंदगी को गीला नहीं करते हैं।
साबुन और सिंथेटिक डिटर्जेंट में ऐसे पदार्थ होते हैं जो सतह के तनाव को कम करके पानी के गीले गुणों को बढ़ाते हैं। इन पदार्थों को सतह सक्रिय एजेंट (सर्फैक्टेंट) कहा जाता है क्योंकि वे तरल की सतह पर कार्य करते हैं।
अब एसएमएस का उत्पादन रसायन उद्योग की एक महत्वपूर्ण शाखा बन गया है। इन पदार्थों को कहा जाता है पृष्ठसक्रियकारक(सर्फैक्टेंट्स), क्योंकि वे तरल की सतह पर कार्य करते हैं। सर्फैक्टेंट अणुओं को टैडपोल के रूप में दर्शाया जा सकता है। वे अपने सिर से पानी से "चिपके" रहते हैं, और वसा के लिए अपनी "पूंछ" से। जब सर्फेक्टेंट को पानी के साथ मिलाया जाता है, तो सतह पर उनके अणु "सिर" नीचे और "पूंछ" बाहर हो जाते हैं। इस तरह से पानी की सतह को कुचलने से, ये अणु सतह के तनाव के प्रभाव को बहुत कम कर देते हैं, जिससे पानी को ऊतक में घुसने में मदद मिलती है। सर्फेक्टेंट अणुओं (चित्र 6) के समान "पूंछ" के साथ वे वसा अणुओं को पकड़ते हैं जो उनके सामने आते हैं। 2
अनुभव संख्या 4
1. एक तश्तरी में दूध डालें ताकि वह नीचे से ढक जाए (फोटो 4)
2. दूध की सतह पर चमकीले हरे रंग की 2 बूंदें गिराईं
3. हमने देखा कि कैसे शानदार हरे रंग को केंद्र से किनारों तक "दूर ले जाया गया"। चमकीले हरे रंग की दो बूँदें दूध की अधिकांश सतह को ढक लेती हैं! (फोटो 5)
निष्कर्ष: चमकीले हरे रंग का पृष्ठ तनाव दूध की तुलना में बहुत कम होता है।
4. शानदार हरे रंग की सतह पर फेयरी डिशवॉशिंग तरल गिराया गया था, हमने देखा कि यह तरल पूरी सतह पर कैसे फैल गया। (फोटो 6)
निष्कर्ष:अपमार्जक का पृष्ठ तनाव चमकीले हरे रंग से कम होता है।
अनुभव संख्या 5
एक चौड़े कांच के बर्तन में पानी डाला गया।
स्टायरोफोम के टुकड़े सतह पर फेंके गए।
चीनी के टुकड़े से पानी की सतह के केंद्र को छुआ।
स्टायरोफोम टेंड्रिल बर्तन के किनारों से केंद्र तक जाने लगते हैं (फोटो 7)।
निष्कर्ष:चीनी के जलीय विलयन का पृष्ठ तनाव शुद्ध जल के पृष्ठ तनाव से अधिक होता है।
अनुभव संख्या 6
ऊतक की सतह से वसायुक्त दागों को हटाना
हमने एक रूई को गैसोलीन से सिक्त किया और इस रूई से दाग के किनारों (और दाग ही नहीं) को सिक्त किया। गैसोलीन सतह के तनाव को कम करता है, इसलिए वसा को दाग के केंद्र में एकत्र किया जाता है और वहां से इसे हटाया जा सकता है, यदि उसी रूई को सिक्त किया जाता है, तो सतह के तनाव में कमी के कारण दाग अपने आप आकार में बढ़ सकता है।
किसी द्रव के पृष्ठ तनाव के मान को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करने के लिए, कोई ड्रॉपर से बहने वाली बूंदों के बनने और अलग होने की प्रक्रिया का उपयोग कर सकता है।
छोटी बूंद पृथक्करण विधि का संक्षिप्त सिद्धांत
तरल की एक छोटी मात्रा स्वयं एक गोले के करीब आकार लेती है, क्योंकि तरल के छोटे द्रव्यमान के कारण, उस पर अभिनय करने वाला गुरुत्वाकर्षण बल भी छोटा होता है। यह छोटी तरल बूंदों के गोलाकार आकार की व्याख्या करता है। चित्र 1 में बूंदों के बनने और अलग होने की प्रक्रिया के विभिन्न चरणों को दर्शाने वाली तस्वीरें दिखाई गई हैं। फोटो हाई-स्पीड फिल्मांकन का उपयोग करके लिया गया था, बूंद धीरे-धीरे बढ़ती है, हम मान सकते हैं कि प्रत्येक क्षण में यह संतुलन में है। सतह के तनाव के कारण बूंद की सतह सिकुड़ जाती है, यह बूंद को गोलाकार आकार देती है। गुरुत्वाकर्षण बूंद के गुरुत्वाकर्षण के केंद्र को जितना संभव हो उतना कम बल देता है। नतीजतन, बूंद लंबी हो जाती है (चित्र 7 ए)।
चावल। 7. ए बी सी डी
बूंदों के बनने और अलग होने की प्रक्रिया
बूंद जितनी बड़ी होगी, गुरुत्वाकर्षण की संभावित ऊर्जा द्वारा उतनी ही अधिक भूमिका निभाई जाएगी। जैसे-जैसे बूंद बढ़ती है, मुख्य द्रव्यमान तल पर एकत्रित होता है और बूंद के पास एक गर्दन बनती है (चित्र 7बी)। सतह तनाव बल को लंबवत रूप से गर्दन की ओर निर्देशित किया जाता है और यह बूंद पर अभिनय करने वाले गुरुत्वाकर्षण बल को संतुलित करता है। अब यह एक बूंद के लिए काफी बढ़ जाने के लिए पर्याप्त है और सतह तनाव बल अब गुरुत्वाकर्षण बल को संतुलित नहीं करते हैं। बूंद की गर्दन तेजी से संकरी हो जाती है (चित्र 7c) और परिणामस्वरूप बूंद टूट जाती है (चित्र 7d)।
कुछ द्रवों के पृष्ठ तनाव गुणांक को मापने की विधि छोटी बूंद के वजन पर आधारित है। एक छोटे से छेद से तरल के धीमे प्रवाह के मामले में, बनने वाली बूंदों का आकार तरल के घनत्व, सतह तनाव गुणांक, छेद के आकार और आकार और बहिर्वाह वेग पर भी निर्भर करता है। . एक ऊर्ध्वाधर बेलनाकार ट्यूब से गीले तरल के धीमे बहिर्वाह के साथ, परिणामी बूंद का आकार चित्र 8 में दिखाया गया है। ड्रॉप नेक की त्रिज्या r ट्यूब R के बाहरी त्रिज्या से संबंध r = kR (1 से संबंधित है) )
जहां k ट्यूब के आयामों और प्रवाह दर के आधार पर एक गुणांक है।
टुकड़ी का क्षण, बूंद का वजन सतह के तनाव बलों के परिणाम के बराबर होना चाहिए जो इसके सबसे संकीर्ण हिस्से में गर्दन के समोच्च की लंबाई के बराबर लंबाई के साथ कार्य करता है। इस प्रकार, कोई लिख सकता है
एमजी = 2πrơ (2)
गरदन त्रिज्या r को समानता (1) से प्रतिस्थापित करने पर और इसे हल करने पर, हम प्राप्त करते हैं
Ơ=mg/2πkR (3)
एक बूंद का द्रव्यमान निर्धारित करने के लिए, n बूंदों की संख्या को ज्ञात भार के बीकर में तौला जाता है। यदि बिना बूंदों और बूंदों के गिलास का द्रव्यमान क्रमशः M 0 और M है, तो एक बूंद का द्रव्यमान
अंतिम व्यंजक को सूत्र (3) में प्रतिस्थापित करते हुए और नली की त्रिज्या के स्थान पर इसके व्यास d का परिचय देते हुए, हम गणना सूत्र प्राप्त करते हैं
= ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)
शोध कार्य "ड्रॉप पृथक्करण की विधि द्वारा कुछ तरल पदार्थों के सतह तनाव गुणांक का निर्धारण"
अध्ययन का उद्देश्य: कुछ द्रवों की बूंदों के पृथक्करण की विधि द्वारा किसी द्रव के पृष्ठ तनाव का गुणांक ज्ञात करना। उपकरण: सतह तनाव, तराजू, वजन, कप, कैलीपर, स्टॉपवॉच के गुणांक को मापने के लिए स्थापना। सामग्री: डिटर्जेंट: "फेयरी", "एओएस", दूध, शराब, गैसोलीन, पाउडर समाधान: "मिथक", "पर्सिल", शैंपू फल, « पैंटीन», "शौमा"तथा " फल», शॉवर जैल सेंसेन», "मोंटपेंसियर"तथा " खोज करना».
डिवाइस का विवरण.
सतह तनाव गुणांक निर्धारित करने के लिए, एक तिपाई से मिलकर एक सेटअप इकट्ठा किया गया था, जिस पर अध्ययन के तहत तरल के साथ एक ब्यूरेट स्थापित किया गया था। ब्यूरेट के अंत में एक टिप-ट्यूब लगा होता है, जिसके अंत में एक बूंद बनती है। बूंदों को एक विशेष बीकर में तौला गया।
अनुसंधान प्रगति
कैलिपर का उपयोग करके, टिप-ट्यूब के व्यास को तीन बार मापा गया और d के औसत मान की गणना की गई।
एक साफ, सूखे गिलास (एम0) को तुला पर तौला गया।
ब्यूरेट नल की सहायता से हमने टपकने की गति प्राप्त कर ली
प्रति मिनट 15 बूँदें।
तरल की 60 बूंदों को ब्यूरेट से एक गिलास में डाला गया था, जो कि बूंदों की संख्या की गिनती कर रहा था।
एक गिलास तरल तौला। (एम)
प्राप्त मानों को सूत्र में प्रतिस्थापित करें = ((M-M0)g)/πkdn
पृष्ठ तनाव के गुणांक की गणना करें।
तीन बार कोशिश की
पृष्ठ तनाव के गुणांक के औसत मूल्य की गणना करें।
SI प्रणाली में पृष्ठ तनाव गुणांक N/m में मापा जाता है।
तालिका एक
सतह तनाव के गुणांक का निर्धारण करने के परिणाम (एन / एम)
तरल |
सतह तनाव गुणांक |
|
मापा |
तालिका का |
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इथेनॉल |
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दूध (2.5) |
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दूध (गाय का घर का बना) |
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पाउडर समाधान "मिथक" |
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पाउडर समाधान "पर्सिल" |
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डिटर्जेंट "परी" |
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डिटर्जेंट "एओस" |
निष्कर्ष:अध्ययन किए गए रसोई डिटर्जेंट में से, "लॉन्ड्रिंग" की गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले अन्य सभी समान मापदंडों के साथ, "का उपयोग करना बेहतर है" परी". अध्ययन किए गए वाशिंग पाउडर से " मिथक", इसलिये यह उनके समाधान हैं जिनका पृष्ठ तनाव सबसे कम है। इसलिए, पहला साधन (" परी”) एक पायसीकारक होने के नाते, बर्तन से पानी-अघुलनशील वसा को धोने में बेहतर मदद करता है - एक उपकरण जो इमल्शन (पानी में तरल पदार्थ के छोटे कणों के निलंबन) के उत्पादन की सुविधा प्रदान करता है। दूसरा (" मिथक”) कपड़े के रेशों के बीच के छिद्रों में घुसकर, बेहतर तरीके से कपड़े धोता है। ध्यान दें कि रसोई के डिटर्जेंट का उपयोग करते समय, हम पदार्थ (विशेष रूप से वसा) को कम से कम थोड़ी देर के लिए पानी में घुलने के लिए मजबूर करते हैं, क्योंकि। यह छोटे-छोटे कणों में टूट जाता है। इस समय के दौरान, लागू डिटर्जेंट को साफ पानी की एक धारा से धोने की सिफारिश की जाती है, और कंटेनर में थोड़ी देर के बाद बर्तन को कुल्ला नहीं करने की सिफारिश की जाती है। इसके अलावा, शैंपू और शॉवर जैल के सतह तनाव का अध्ययन किया गया था। इन तरल पदार्थों की उच्च चिपचिपाहट के कारण, उनके सतह तनाव गुणांक को सटीक रूप से निर्धारित करना मुश्किल है, लेकिन इसकी तुलना की जा सकती है। शैंपू का परीक्षण किया गया है (बूंदों को फाड़कर) पैंटीन», "शौमा"तथा " फल»साथ ही शॉवर जैल सेंसेन», "मोंटपेंसियर"तथा " खोज करना».
निष्कर्ष:
लगातार शैंपू में सतह तनाव कम हो जाता है फल - "शौमा" - "पैंटीन"जैल में - एक पंक्ति में "मोंटपेंसियर" - खोज करना - "होश"।
शैंपू का पृष्ठ तनाव जैल के पृष्ठ तनाव से कम होता है (उदाहरण के लिए, " पैंटीन» < «होश» 65 mN / m), जो उनके उद्देश्य को सही ठहराता है: शैंपू - बाल धोने के लिए, जैल - शरीर को धोने के लिए।
अन्य सभी समान विशेषताओं के साथ जो धोने की गुणवत्ता को प्रभावित करते हैं, अध्ययन किए गए शैंपू से उपयोग करना बेहतर होता है "पैंटीन" (चित्र 9),अध्ययन किए गए शॉवर जैल की - "सेंस" (चित्र। 10)।
आंसू बंद करने की विधि, हालांकि बहुत सटीक नहीं है, चिकित्सा पद्धति में उपयोग की जाती है। यह विधि नैदानिक उद्देश्यों के लिए मस्तिष्कमेरु द्रव, पित्त, आदि की सतह के तनाव को निर्धारित करती है।
निष्कर्ष
1. सैद्धांतिक निष्कर्षों की प्रायोगिक पुष्टि प्राप्त की गई है , यह साबित करना कि एक समांगी तरल न्यूनतम मुक्त सतह के साथ एक रूप लेता है
2. सतह तनाव में कमी और वृद्धि के साथ प्रयोग किए गए, जिसके परिणामों ने साबित किया कि साबुन और सिंथेटिक डिटर्जेंट में ऐसे पदार्थ होते हैं जो सतह तनाव बल को कम करके पानी के गीले गुणों को बढ़ाते हैं।
3. द्रवों के पृष्ठ तनाव के गुणांक का निर्धारण करने के लिए
क) बूंद पृथक्करण विधि के एक संक्षिप्त सिद्धांत का अध्ययन किया गया;
बी) एक प्रयोगात्मक सेटअप डिजाइन और इकट्ठा किया गया है;
ग) विभिन्न तरल पदार्थों के सतह तनाव गुणांक के औसत मूल्यों की गणना की जाती है, निष्कर्ष निकाले जाते हैं।
4. प्रयोगों और शोध के परिणाम तालिका और तस्वीरों के रूप में प्रस्तुत किए जाते हैं।
परियोजना पर काम करने से मुझे भौतिकी खंड "सरफेस टेंशन" का व्यापक ज्ञान प्राप्त करने की अनुमति मिली।
मैं अपनी परियोजना को महान वैज्ञानिक भौतिक विज्ञानी के शब्दों के साथ समाप्त करना चाहूंगा
ए आइंस्टीन:
"मेरे लिए जीवन के शाश्वत रहस्य की भावना का अनुभव करने के लिए, हर चीज की अद्भुत संरचना को समझने और सहज रूप से समझने के लिए पर्याप्त है और प्रकृति में प्रकट होने वाले तर्क के सबसे छोटे अनाज को भी हथियाने के लिए सक्रिय रूप से लड़ने के लिए पर्याप्त है"
प्रयुक्त स्रोतों और साहित्य की सूची
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द्रव की सतह पर अणुओं के बीच आकर्षण बल उन्हें इससे आगे बढ़ने से रोकते हैं।
एक तरल अनुभव के अणु पारस्परिक आकर्षण की ताकतों का अनुभव करते हैं - वास्तव में, यह ठीक इसी वजह से है कि तरल तुरंत वाष्पित नहीं होता है। अन्य अणुओं के आकर्षण बल द्रव के अंदर के अणुओं पर चारों ओर से कार्य करते हैं और इसलिए परस्पर एक दूसरे को संतुलित करते हैं। एक तरल की सतह पर अणुओं का कोई बाहरी पड़ोसी नहीं होता है, और परिणामस्वरूप आकर्षक बल तरल के अंदर निर्देशित होता है। नतीजतन, पानी की पूरी सतह इन ताकतों के प्रभाव में सिकुड़ जाती है। एक साथ लिया, यह प्रभाव तथाकथित सतह तनाव बल के गठन की ओर जाता है, जो तरल की सतह के साथ कार्य करता है और उस पर एक प्रकार की अदृश्य, पतली और लोचदार फिल्म के निर्माण की ओर जाता है।
सतह तनाव प्रभाव का एक परिणाम यह है कि एक तरल के सतह क्षेत्र को बढ़ाने के लिए - इसे खिंचाव - सतह तनाव बलों को दूर करने के लिए यांत्रिक कार्य किया जाना चाहिए। इसलिए, यदि तरल को अकेला छोड़ दिया जाता है, तो यह एक आकार ग्रहण कर लेता है जिसमें इसका सतह क्षेत्र न्यूनतम होता है। यह आकार, निश्चित रूप से, एक गोला है - यही कारण है कि उड़ान में बारिश की बूंदें लगभग गोलाकार आकार लेती हैं (मैं "लगभग" कहता हूं क्योंकि उड़ान में हवा के प्रतिरोध के कारण बूंदें थोड़ी खिंच जाती हैं)। इसी कारण से, ताजे मोम से ढकी कार के शरीर पर पानी की बूंदें मोतियों में जमा हो जाती हैं।
उद्योग में भूतल तनाव बलों का उपयोग किया जाता है - विशेष रूप से, गोलाकार आकृतियों की ढलाई में, जैसे शॉटगन शॉट। पिघला हुआ धातु की बूंदों को उड़ान में जमने दिया जाता है जब ऐसा करने के लिए पर्याप्त ऊंचाई से गिरता है, और एक प्राप्त कंटेनर में गिरने से पहले खुद को गेंदों में जम जाता है।
हमारे दैनिक जीवन में सतही तनाव बलों के कार्य करने के कई उदाहरण हैं। हवा के प्रभाव में, महासागरों, समुद्रों और झीलों की सतह पर लहरें बनती हैं, और ये लहरें वे तरंगें होती हैं जिनमें सतह के तनाव के नीचे के बल द्वारा आंतरिक जल दबाव की ऊपरी शक्ति संतुलित होती है। ये दो बल वैकल्पिक होते हैं, और पानी पर तरंगें बनती हैं, जैसे कि वैकल्पिक खिंचाव और संपीड़न के कारण एक संगीत वाद्ययंत्र की स्ट्रिंग में एक लहर बनती है।
क्या तरल "मोतियों" में इकट्ठा होगा या एक ठोस सतह पर समान रूप से फैल जाएगा, तरल में अंतर-आणविक संपर्क की ताकतों के अनुपात पर निर्भर करता है, जिससे सतह तनाव होता है, और तरल और ठोस सतह के अणुओं के बीच आकर्षण बल। तरल पानी में, उदाहरण के लिए, सतह तनाव बल अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड के कारण होते हैं ( सेमी।रासायनिक बन्ध)। कांच की सतह पानी से गीली हो जाती है, क्योंकि कांच में बहुत अधिक ऑक्सीजन परमाणु होते हैं, और पानी आसानी से न केवल अन्य पानी के अणुओं के साथ, बल्कि ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ भी हाइड्रोजन बांड बनाता है। यदि कांच की सतह पर ग्रीस लगाया जाता है, तो हाइड्रोजन बांड सतह के साथ नहीं बनेगा, और पानी आंतरिक हाइड्रोजन बांडों के प्रभाव में बूंदों में एकत्रित हो जाएगा जो सतह तनाव का कारण बनते हैं।
रासायनिक उद्योग में, विशेष गीला करने वाले एजेंट अक्सर पानी में जोड़े जाते हैं - सर्फेकेंट्स, - किसी भी सतह पर पानी को बूंदों में इकट्ठा होने से रोकना। उन्हें जोड़ा जाता है, उदाहरण के लिए, डिशवॉशर के लिए तरल डिटर्जेंट में। पानी की सतह परत में जाने से, ऐसे अभिकर्मकों के अणु सतह तनाव बलों को कमजोर कर देते हैं, पानी बूंदों में इकट्ठा नहीं होता है और सूखने के बाद सतह पर गंदे धब्बे नहीं छोड़ता है ( सेमी।
एक तरल के अणु आकर्षण और प्रतिकर्षण की ताकतों द्वारा एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं, जो खुद को दूरी के भीतर स्पष्ट रूप से प्रकट करते हैं आर,आणविक क्रिया की त्रिज्या (कई आणविक व्यास के क्रम पर) कहा जाता है। गोला त्रिज्या आरआणविक क्रिया का क्षेत्र कहा जाता है। यदि अणु सतह की परत में है, अर्थात यह सतह से r से कम दूर है, तो आसपास के अणुओं से आकर्षक बलों का परिणाम तरल में निर्देशित होता है। अत: किसी अणु के द्रव के भीतरी भाग से उसकी सतह तक संक्रमण के लिए कार्य करना आवश्यक होता है, फलस्वरूप पृष्ठ की मुक्त ऊर्जा में वृद्धि होती है। किसी द्रव की प्रति इकाई सतह पर मुक्त सतह ऊर्जा को पृष्ठ तनाव गुणांक कहा जाता है:
जहां ए वह कार्य है जिसे एस द्वारा सतह क्षेत्र को बढ़ाने के लिए किया जाना चाहिए। एसआई प्रणाली में, सतह तनाव गुणांक (जे / एम 2 में मापा जाता है।
संतुलन की स्थिति में, सिस्टम की मुक्त ऊर्जा न्यूनतम होती है, इसलिए तरल, अपने आप में छोड़ दिया जाता है, इसकी सतह को कम करने की प्रवृत्ति होती है। आइए हम सतही परत के किसी भी हिस्से को एक बंद समोच्च तक मानसिक रूप से सीमित करें। इसमें बल कार्य करते हैं, जिन्हें सतह तनाव बल कहा जाता है, जो समोच्च के उस खंड के लंबवत सतह पर निर्देशित होते हैं, जिस पर वे कार्य करते हैं। सतह तनाव का गुणांक (सतह को सीमाबद्ध करने वाले समोच्च की प्रति इकाई लंबाई के बल के रूप में भी परिभाषित किया जा सकता है:
एसआई प्रणाली में इसकी माप की इकाई 1N/m (टन प्रति मीटर = 1 J/m2, या मिलीटन प्रति मीटर है।
सतह तनाव गुणांक तरल की रासायनिक संरचना पर निर्भर करता है, जिस माध्यम से इसकी सीमा होती है, और तापमान। बढ़ते तापमान के साथ घटता है और महत्वपूर्ण तापमान पर गायब हो जाता है।
तरल अणुओं के संपर्क में आने वाले ठोस शरीर के कणों के साथ बातचीत की ताकत के आधार पर, एक तरल द्वारा ठोस शरीर को गीला या गैर-गीला करना संभव है। दोनों ही मामलों में, ठोस के साथ सीमा के पास तरल की सतह घुमावदार होती है...
विभिन्न तापमानों पर पानी का पृष्ठ तनाव
सतह तनाव (20 डिग्री सेल्सियस पर)
द्रवों का पृष्ठ तनाव
पदार्थ | क्यू, एमएन / एम |
पिघला हुआ एल्यूमीनियम (टी = 7000 0 सी, सी पर) | 840 |
तरल नाइट्रोजन (t=-183 0 C,p पर) | 6,2 |
एसीटोन (पी) | 24 |
पानी (टी = 0 0 , में) | 75,6 |
पानी (t=20 0 पर, इंच) | 72,8 |
पानी (t=100 0 पर, इंच) | 58,8 |
पानी (t=374.15 0 , इंच पर) | 0 |
पिघला हुआ सोना (t=1130 0 C, c पर) | 1102 |
ग्लिसरीन (में) | 63 |
मिट्टी का तेल (t=0 0 , इंच पर) | 29 |
मिट्टी का तेल (सी) | 24 |
तरल ऑक्सीजन (t=-183 0 C, c पर) | 13,1 |
दूध (में) | 46 |
मेँ तेल) | 30 |
साबुन का घोल (में) | 40 |
बुध (एन) | 472 |
लेड पिघला हुआ (t=350 0 C, c पर) | 442 |
चांदी पिघला हुआ (t=970 0 C, c पर) | 930 |
शराब (टी = 0 0 सी पर, में) | 22 |
ईथर (पी) | 17 |
जलीय विलयनों का पृष्ठ तनाव (डायन/सेमी में)
SI में रूपांतरण: 1 dyne/cm = 10 - 3 N/m
घुला हुआ पदार्थ | टी, डिग्री सेल्सियस | सामग्री, भार% | |||
5 | 10 | 20 | 50 | ||
H2SO4 | 18 | - | 74,1 | 75,2 | 77,3 |
एचएनओ3 | 20 | - | 72,7 | 71,1 | 65,4 |
NaOH | 20 | 74,6 | 77,3 | 85,8 | - |
सोडियम क्लोराइड | 18 | 74,0 | 75,5 | - | - |
Na2SO4 | 18 | 73,8 | 75,2 | - | - |
नैनो 3 | 30 | 72,1 | 72,8 | 74,4 | 79,8 |
केसी1 | 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 |
एमजीसीएल 2 | 18 | 73,8 | - | - | - |
CaCl2 | 18 | 73,7 | - | - | - |
एक तरल पदार्थ की एक समग्र अवस्था है, जो गैसीय और ठोस के बीच मध्यवर्ती होती है, इसलिए इसमें गैसीय और ठोस दोनों पदार्थों के गुण होते हैं। तरल पदार्थ, ठोस की तरह, एक निश्चित मात्रा में होते हैं, और गैसों की तरह, वे उस बर्तन का आकार लेते हैं जिसमें वे स्थित होते हैं। गैस के अणु व्यावहारिक रूप से इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन की ताकतों द्वारा परस्पर जुड़े नहीं होते हैं। इस मामले में, गैस के अणुओं की तापीय गति की औसत ऊर्जा उनके बीच आकर्षण बलों के कारण औसत संभावित ऊर्जा से बहुत अधिक होती है, इसलिए गैस के अणु अलग-अलग दिशाओं में बिखर जाते हैं, और गैस इसे प्रदान किए गए पूरे आयतन पर कब्जा कर लेती है। .
ठोस और तरल निकायों में, अणुओं के बीच आकर्षण बल पहले से ही महत्वपूर्ण होते हैं और अणुओं को एक दूसरे से एक निश्चित दूरी पर रखते हैं। इस मामले में, अणुओं की अराजक तापीय गति की औसत ऊर्जा अंतर-आणविक संपर्क की ताकतों के कारण औसत संभावित ऊर्जा से कम है, और यह अणुओं के बीच आकर्षण की ताकतों को दूर करने के लिए पर्याप्त नहीं है, इसलिए ठोस और तरल पदार्थ एक निश्चित है मात्रा।
तरल पदार्थों के एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण से पता चला कि तरल कणों की व्यवस्था की प्रकृति गैस और ठोस के बीच मध्यवर्ती है। गैसों में अणु बेतरतीब ढंग से चलते हैं, इसलिए उनकी पारस्परिक व्यवस्था में कोई पैटर्न नहीं होता है। ठोस के लिए, तथाकथित लंबी दूरी का आदेशकणों की व्यवस्था में, अर्थात्। उनकी व्यवस्थित व्यवस्था, लंबी दूरी पर दोहराते हुए। तरल पदार्थों में, तथाकथित शॉर्ट रेंज ऑर्डरकणों की व्यवस्था में, अर्थात्। उनकी क्रमबद्ध व्यवस्था, अंतर-परमाणुओं की तुलना में दूरी पर दोहराई जाती है।
द्रव का सिद्धांत आज तक पूरी तरह से विकसित नहीं हुआ है। एक तरल में थर्मल गति को इस तथ्य से समझाया जाता है कि प्रत्येक अणु कुछ समय के लिए एक निश्चित संतुलन स्थिति के आसपास दोलन करता है, जिसके बाद यह एक नई स्थिति में कूद जाता है, जो प्रारंभिक एक से अंतर-परमाणु दूरी के क्रम की दूरी पर है। इस प्रकार, एक तरल के अणु तरल के पूरे द्रव्यमान में काफी धीमी गति से चलते हैं, और गैसों की तुलना में प्रसार बहुत धीमी गति से होता है। तरल के तापमान में वृद्धि के साथ, दोलन गति की आवृत्ति तेजी से बढ़ जाती है, अणुओं की गतिशीलता बढ़ जाती है, जो तरल की चिपचिपाहट में कमी का कारण है।
आस-पास के अणुओं की ओर से तरल के प्रत्येक अणु पर आकर्षक बल कार्य करते हैं, दूरी के साथ तेजी से घटते हैं, इसलिए, एक निश्चित न्यूनतम दूरी से शुरू करके, अणुओं के बीच आकर्षण बलों की उपेक्षा की जा सकती है। यह दूरी (लगभग 10-9 मीटर) कहलाती है आणविक क्रिया त्रिज्या आर , और त्रिज्या का एक गोला आर-आणविक क्रिया का क्षेत्र।
तरल के अंदर एक अणु का चयन करें लेकिनऔर इसके चारों ओर त्रिज्या का एक गोला बनाएं आर(अंजीर.10.1)। परिभाषा के अनुसार, केवल उन अणुओं के दिए गए अणु पर कार्रवाई को ध्यान में रखना पर्याप्त है जो गोले के अंदर हैं
चित्र 10.1. आणविक क्रिया। वे बल जिनके साथ ये अणु अणु पर कार्य करते हैं लेकिन,अलग-अलग दिशाओं में निर्देशित होते हैं और, औसतन, मुआवजा दिया जाता है, इसलिए अन्य अणुओं से तरल के अंदर एक अणु पर कार्य करने वाला परिणामी बल शून्य के बराबर होता है। स्थिति अलग है अगर अणु, उदाहरण के लिए अणु पर,सतह से कुछ दूरी पर स्थित आर।इस मामले में, आणविक क्रिया का क्षेत्र केवल आंशिक रूप से तरल के अंदर स्थित होता है। चूंकि तरल के ऊपर स्थित गैस में अणुओं की सांद्रता तरल में उनकी सांद्रता की तुलना में कम होती है, परिणामी बल एफ, सतह परत के प्रत्येक अणु पर लागू होता है, शून्य के बराबर नहीं होता है और तरल के अंदर निर्देशित होता है। इस प्रकार, सतह परत के सभी अणुओं के परिणामी बल तरल पर दबाव डालते हैं, जिसे कहा जाता है मोलेकुलर(या आंतरिक)।द्रव में रखे किसी पिंड पर आण्विक दाब कार्य नहीं करता है, क्योंकि यह केवल द्रव के अणुओं के बीच कार्य करने वाले बलों के कारण होता है।
तरल कणों की कुल ऊर्जा उनकी अराजक तापीय गति की ऊर्जा और अंतर-आणविक संपर्क की ताकतों के कारण संभावित ऊर्जा का योग है। एक अणु को तरल की गहराई से सतह की परत तक ले जाने के लिए, काम खर्च करना होगा। यह कार्य अणुओं की गतिज ऊर्जा की कीमत पर किया जाता है और उनकी स्थितिज ऊर्जा को बढ़ाने के लिए जाता है। इसलिए, तरल की सतह परत के अणुओं में तरल के अंदर के अणुओं की तुलना में अधिक संभावित ऊर्जा होती है। तरल की सतह परत में अणुओं के पास मौजूद इस अतिरिक्त ऊर्जा को कहा जाता है सतह ऊर्जा,परत क्षेत्र के लिए आनुपातिक है एस:
Δ वू=σ Δ एस,(10.1)
कहाँ पे σ - सतह तनाव का गुणांक, सतह ऊर्जा घनत्व के रूप में परिभाषित किया गया है।
चूँकि संतुलन अवस्था को न्यूनतम संभावित ऊर्जा की विशेषता होती है, तरल, बाहरी बलों की अनुपस्थिति में, ऐसा आकार ले लेगा कि किसी दिए गए आयतन के लिए, इसकी न्यूनतम सतह हो, अर्थात। गेंद का आकार। हवा में लटकी हुई छोटी-छोटी बूंदों को देखकर, हम देख सकते हैं कि उनके पास वास्तव में गेंदों का आकार है, लेकिन गुरुत्वाकर्षण बल की कार्रवाई के कारण कुछ विकृत हो गया है। भारहीनता की स्थितियों में, किसी भी तरल की एक बूंद (उसके आकार की परवाह किए बिना) का एक गोलाकार आकार होता है, जो अंतरिक्ष यान पर प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध हो चुका है।
तो, एक तरल के स्थिर संतुलन की स्थिति न्यूनतम सतह ऊर्जा है। इसका मतलब है कि किसी दिए गए आयतन के लिए तरल का सतह क्षेत्र सबसे छोटा होना चाहिए, अर्थात। तरल मुक्त सतह क्षेत्र को कम करता है। इस मामले में, तरल की सतह परत की तुलना एक फैली हुई लोचदार फिल्म से की जा सकती है जिसमें तनाव बल कार्य करते हैं।
एक बंद समोच्च से घिरे तरल की सतह पर विचार करें। सतह तनाव बलों की कार्रवाई के तहत (वे तरल की सतह पर स्पर्शरेखा रूप से निर्देशित होते हैं और समोच्च के उस खंड के लंबवत होते हैं जिस पर वे कार्य करते हैं), तरल की सतह सिकुड़ जाती है और माना गया समोच्च स्थानांतरित हो जाता है। चयनित क्षेत्र से आसन्न क्षेत्रों में कार्य करने वाले बल कार्य करते हैं:
Δ ए = एफΔ मैंΔ एक्स,
कहाँ पे च = एफ /Δ मैं -सतह तनाव बल, तरल सतह समोच्च की प्रति इकाई लंबाई अभिनय। यह देखा जा सकता है कि मैंΔ एक्स= Δ एस, वे।
Δ ए = एफ∆एस।
यह कार्य पृष्ठीय ऊर्जा को कम करके किया जाता है, अर्थात्।
Δ Α =Δ डब्ल्यू
भावों की तुलना से यह देखा जा सकता है कि
यानी, सतह तनाव गुणांक सतह को बांधने वाले समोच्च की प्रति इकाई लंबाई सतह तनाव बल के बराबर है। सतह तनाव की इकाई न्यूटन प्रति मीटर (N/m) या जूल प्रति वर्ग मीटर (J/m2) है। 300K के तापमान पर अधिकांश तरल पदार्थों का सतह तनाव 10 -2 -10 -1 N/m के क्रम का होता है। बढ़ते तापमान के साथ सतह तनाव कम हो जाता है, क्योंकि तरल अणुओं के बीच औसत दूरी बढ़ जाती है।
पृष्ठ तनाव अनिवार्य रूप से तरल पदार्थों में मौजूद अशुद्धियों पर निर्भर करता है , सतह के तनाव को कम करने वाले तरल पदार्थ कहलाते हैं सतह-सक्रिय पदार्थ (सर्फैक्टेंट्स)।साबुन पानी के लिए सबसे प्रसिद्ध सर्फेक्टेंट है। यह अपने पृष्ठ तनाव को बहुत कम कर देता है (लगभग 7.5 10 . से) -2 4.5 10 -2 एन/एम तक)। पानी के सतही तनाव को कम करने वाले सर्फैक्टेंट भी अल्कोहल, ईथर, तेल आदि हैं।
ऐसे पदार्थ (चीनी, नमक) होते हैं जो एक तरल के सतह तनाव को इस तथ्य के कारण बढ़ाते हैं कि उनके अणु तरल के अणुओं के साथ अधिक मजबूती से बातचीत करते हैं, तरल के अणु एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं।
निर्माण में, प्रतिकूल वायुमंडलीय परिस्थितियों (उच्च आर्द्रता, ऊंचा तापमान, सौर विकिरण के संपर्क, आदि) में काम करने वाले भागों और संरचनाओं के प्रसंस्करण में उपयोग किए जाने वाले समाधान तैयार करने के लिए सर्फेक्टेंट का उपयोग किया जाता है।
गीलापन घटना
अभ्यास से यह ज्ञात होता है कि पानी की एक बूंद कांच पर फैलती है और चित्र 10.2 में दिखाया गया रूप लेती है, जबकि उसी सतह पर पारा कुछ चपटी बूंद में बदल जाता है। पहले मामले में, यह कहा जाता है कि तरल गीलाकठोर सतह, दूसरे में - गीला नहीं होताउसकी। गीलापन संपर्क में मीडिया की सतह परतों के अणुओं के बीच कार्य करने वाले बलों की प्रकृति पर निर्भर करता है। एक गीला तरल के लिए, तरल और ठोस के अणुओं के बीच आकर्षक बल स्वयं तरल के अणुओं के बीच की तुलना में अधिक होते हैं, और तरल में वृद्धि होती है
एक ठोस शरीर के संपर्क की सतह। एक नॉनवेटिंग तरल के लिए, तरल और ठोस के अणुओं के बीच आकर्षण बल तरल के अणुओं के बीच की तुलना में कम होता है, और तरल ठोस के साथ अपने संपर्क की सतह को कम करता है।
तीन मीडिया के संपर्क की रेखा पर तीन सतह तनाव बल लागू होते हैं (बिंदु 0 ड्राइंग के विमान के साथ इसका प्रतिच्छेदन है), जो संबंधित दो मीडिया की संपर्क सतह में स्पर्शरेखा रूप से निर्देशित होते हैं। ये बल, संपर्क रेखा की प्रति इकाई लंबाई, संगत पृष्ठ तनाव के बराबर होते हैं σ 12 , σ 13 , σ 23 . कोना θ एक तरल और एक ठोस की सतह के स्पर्शरेखा के बीच को कहा जाता है किनारे का कोण।एक बूंद के संतुलन के लिए शर्त यह है कि ठोस की सतह पर स्पर्शरेखा की दिशा में सतह तनाव बलों के प्रक्षेपणों के योग के शून्य के बराबर है, अर्थात।
–σ 13 + σ 12 + σ 23 कोस θ =0 (10.2)
क्योंकि θ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)
यह इस शर्त से होता है कि मूल्यों के आधार पर संपर्क कोण तीव्र या अधिक हो सकता है σ 13 और σ 12. यदि एक σ 13 >σ 12 , फिर cos θ >0 और कोण θ तेज, यानी तरल एक ठोस सतह को गीला कर देता है। यदि एक σ 13 <σ 12 , फिर cos θ <0 и угол θ – कुंद, यानी, तरल कठोर सतह को गीला नहीं करता है।
संपर्क कोण स्थिति (10.3) को संतुष्ट करता है यदि
(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.
यदि शर्त पूरी नहीं होती है, तो किसी भी मान के लिए तरल की बूंद θ संतुलन में नहीं हो सकता। यदि एक σ 13 >σ 12 +σ 23, तब द्रव ठोस की सतह पर फैल जाता है, इसे एक पतली फिल्म से ढक देता है (उदाहरण के लिए, कांच की सतह पर मिट्टी का तेल), - हमारे पास है पूरा गीलापन(इस मामले में θ =0).
यदि एक σ 12 >σ 13 +σ 23 , तब तरल एक गोलाकार बूंद में सिकुड़ जाता है, इसके साथ संपर्क का केवल एक बिंदु (उदाहरण के लिए, पैराफिन की सतह पर पानी की एक बूंद) की सीमा में, - हमारे पास है पूर्ण गैर गीला(इस मामले में θ =π).
गीला और गैर-गीलापन सापेक्ष अवधारणाएं हैं, अर्थात। एक तरल जो एक ठोस सतह को गीला करता है दूसरे को गीला नहीं करता है। उदाहरण के लिए, पानी कांच को गीला करता है लेकिन पैराफिन को गीला नहीं करता है; पारा कांच को गीला नहीं करता है, लेकिन यह धातु की सतहों को साफ करता है।
तकनीक में गीलेपन और गैर-गीलापन की घटनाओं का बहुत महत्व है। उदाहरण के लिए, अयस्क के प्लवनशीलता संवर्धन (अपशिष्ट चट्टान से अयस्क को अलग करना) की विधि में, बारीक कुचल अयस्क को ऐसे तरल में हिलाया जाता है जो अपशिष्ट चट्टान को गीला कर देता है और अयस्क को गीला नहीं करता है। इस मिश्रण से हवा चलती है और फिर जम जाती है। उसी समय, चट्टान के कण तरल सिंक से नीचे तक गीले हो जाते हैं, और खनिजों के दाने हवा के बुलबुले से "छड़ी" हो जाते हैं और तरल की सतह पर तैर जाते हैं। जब मशीनिंग धातु, उन्हें विशेष तरल पदार्थों से गीला किया जाता है, जो सतह के उपचार को सुविधाजनक और तेज करता है।
निर्माण में, तरल मिश्रण (पोटीन, पोटीन, ईंटें बिछाने और कंक्रीट तैयार करने के लिए मोर्टार) तैयार करने के लिए गीलापन की घटना महत्वपूर्ण है। यह आवश्यक है कि ये तरल मिश्रण भवन संरचनाओं की सतहों को अच्छी तरह से गीला कर दें, जिस पर उन्हें लागू किया जाता है। मिश्रण के घटकों का चयन करते समय, मिश्रण-सतह जोड़े के लिए न केवल संपर्क कोणों को ध्यान में रखा जाता है, बल्कि तरल घटकों के सतह-सक्रिय गुणों को भी ध्यान में रखा जाता है।