Fizica tensiunii superficiale
Obiectiv: Pentru a studia baza fizică a metodei;
determinarea experimental o valoare numerică a coeficientului
suprafață de încercare tensiune lichid.
1. Partea teoretică
În lichide, distanța medie dintre moleculele considerabil
mai puțin decât în gaze. Prin urmare, forța de interacțiune dintre moleculele în
Fluide joaca un rol important.
Fiecare dintre moleculele din lichidul intern este înconjurat pe toate laturile
alte molecule și se simte aceeași atracție pentru toți
direcții. Moleculele situate în apropierea suprafeței,
Experiența de la vecinii lor de atracție, spre interior și
în mână, dar nu suferă de atracție de echilibrare
învecinat straturi de aer ce conțin mult mai puține
molecule. Ca urmare, o moleculă de suprafață a forței,
interior fluid perpendicular pe suprafața sa.
Să molecula iese din lichidul gros și hit-uri
o regiune aproape de suprafață. In jurul moleculei,
ca centru, descriem o sferă de rază r. egală cu raza molecular
acțiune (cea mai mare distanta de la care afectează acțiunea
alte molecule per moleculă în centrul sferei). Per moleculă sunt
tractiune numai de moleculele din acest domeniu.
Dacă Z distanța din molecula la suprafața lichidului
mai mare decât r (fig. 1, a), sfera este uniform umplut cu substanță și
rezultanta atașat la acesta forțe de coeziune, datorită simetriei,
zero. Când Z devine mai mică decât r (Fig. 1c), efectul moleculelor,
deținuții sunt rareori umbrite parte a sferei, datorită simetriei același
zero. Rămășițele efect necompensat al moleculelor groase
Partea hașurată a sferei. Acesta oferă un rezultat,
orientată spre interior fluid. Deoarece această reducere
creșterile rezultate și apoi ia o valoare maximă,
când molecula intră în limita de fluid (fig. 1, c). după
intersecția acestei limite (Fig. 1, d) per moleculă acționează numai
Partea hașurată a sferei care dă înapoi rezultanta,
orientată spre interior fluid. Această rezultantă devine
zero, atunci când sfera este în întregime în afara lichidului (Fig. 1, e).
Astfel, în stratul de suprafață a lichidului este detectată
noncompensation forțe moleculare: particulele de fluid,
situat în acest strat, se simt o forță activă
atragerea de restul lichidului, în mod normal la suprafața sa. pentru
molecula din coloana de lichid la limita ei, t. e formarea.
o nouă suprafață de lichid, este necesar să se efectueze lucrările privind
determinarea forțelor de adeziune.
Luați în considerare problema stratului de suprafață al energiei lichide.
Particulele de acest strat sunt energia cinetică și mișcare termică
energia potențială datorită forțelor intermoleculare
interacțiune. Energia cinetică medie a particulelor depinde de
temperatură. În cazul stării de echilibru la o temperatură constantă
întregul volum al lichidului. Prin urmare, energia cinetică medie a moleculelor
stratul de suprafață și moleculele din interiorul volumului de fluid,
la fel. Situația este diferită cu energia potențială. În tranziție
moleculele din interiorul lichidului pe suprafață, acestea trebuie
pentru a face munca împotriva interiorul lichidului către forțele de atracție
din celelalte particule lichide. Acest lucru este în creștere
energia potențială a moleculelor care migrează în stratul de suprafață.
De aceea, stratul de suprafață al particulelor au o mai mare
energie potențială decât particulele din fluid. Diferența dintre
potențial strat superficial de energie de particule lichide și
particule potențiale de energie numit suprafața sa interioară
energie E. a cărei valoare este proporțională cu aria suprafeței
unde S - suprafață, α - factor de proporționalitate
(Tensiune superficială Called).
Din ecuația (1), că orice schimbare în zona
suprafață asociată cu o schimbare în energia de suprafață, și
Prin urmare, aceasta poate fi caracterizată printr-o anumită forță,
determinată din relația:
În cazul în care schimbarea de energie de suprafață se produce din cauza
se deplasează suprafața de delimitare, fără a schimba raza de curbură, atunci
gradient de energie de suprafață este direcționată de-a lungul tangentei la suprafața
lichid perpendicular pe secțiunea conturul căruia funcționează.
Corespunzător forță tangenta F este forța de suprafață
Datorită prezenței de lichid de energie de suprafață descoperă
dorința de a păstra suprafața sa. Stratul de suprafață
Se compune din aceleași molecule ca și restul lichidului. Interacțiunea dintre
moleculele din stratul de suprafață are același caracter ca și interior
lichid. Cu toate acestea, moleculele din stratul de suprafață au
mai multă energie în comparație cu moleculele în lichid.
Mental izola suprafața lichidului delimitată
buclă închisă. această porțiune pentru a reduce tendința de a conduce
faptul că acesta acționează asupra zonelor limitrofe de putere,
distribuite în jurul buclei (de a treia lege a lui Newton externe
porțiuni de delimitare acționează pe porțiunea considerată
forțe de suprafață de aceeași magnitudine dar opusul
direcție). Aceste forțe sunt numite forțe de tensiune superficială.
Notăm forța tensiunii superficiale pot fi atribuite
unitatea de lungime a conturului, prin α. Această valoare este numit un factor de
tensiune superficială. Măsura aceasta în sistemul internațional SI în
Să presupunem că există un cadru dreptunghiular cu un mobil
bara transversală de film lichid dantelat (Fig. 2). film este
un, volum plan subțire de lichid mărginită pe două laturi
Deoarece stratul de suprafață, pentru a reduce dorința de a
parte a filmului având două suprafețe, se vor manifesta asupra
bar o 2αl egală forță. Pentru bar este în configurație
echilibru, este necesar să se aplice o forță externă F. egal
Rezistenta la intindere de film, adică. e. 2αl. Să presupunem că bara transversală
Sa mișcat în direcția forței F la o valoare foarte mică dx Aceasta
proces este însoțit de lichid perfectă peste bara
unde dS - suprafața incrementare a stratului de suprafață.
Dacă procesul este foarte lent (reversibil), prin care
Temperatura filmului rămâne constantă datorită afluxului de căldură din exterior,
pentru un proces izoterm reversibil este egal cu lucrul mecanic efectuat de
Pierderea de energie liberă:
Acest rezultat înseamnă că, în conformitate cu izoterma
mărirea suprafeței stratului de suprafață de pe Ds de energie liberă
crește lichide prin = αdS. dé Rezultă că raportul
tensiune superficială este o sumă suplimentară
energie liberă care are o unitate de suprafață
Valoarea care este numeric egal cu lucrul mecanic care trebuie să fie făcut pentru
mărind suprafața lichidului pe unitatea de suprafață se numește
suprafață coeficient de tensiune. Prin urmare, gruparea a
Acesta poate fi exprimat nu numai în
Luați în considerare suprafața lichidului, pe baza unor
contur plat (Fig. 3a).
În cazul în care suprafața de lichid nu este plat, atunci dorința ei de a
reducere va duce la o presiune suplimentară? P.
Dacă suprafața este convexă, atunci? P este pozitiv (Fig. 3c), dacă
suprafață concavă - P este negativ (Figura 3, p.). În acest din urmă caz
un strat de suprafață cu scopul de contracție, întinde lichid.
Este firesc să presupunem că valoarea de presiune suplimentară
Acesta ar trebui să depindă de amploarea forței și tensiunea superficială a lichidului
gradul de curbură a suprafeței, cu alte cuvinte, de la
tensiune superficială coeficient α și raza de curbură
R. Dependența suprafeței este de asemenea evidentă: în plus
presiune trebuie să fie proporțională cu raportul suprafeței
tensiunea și invers proporțională cu raza de curbură a suprafeței
t. e. cantitate presiunea crește suplimentar odată cu creșterea
coeficient de tensiune de suprafață α și scade raza
curbură R.
Calculăm o presiune suplimentară la suprafața sferică
lichid. Pentru a face acest lucru, mental Am tăiat o picătură de lichid sferic
un plan diametral în două emisfere (Fig. 4). din cauza
tensiunea superficială a celor două emisfere sunt atrași unul de celălalt
Această forță presează împreună cele două emisfere ale suprafeței S = πR2.
Forțele În consecință, presiunea suplimentară generată
tensiune superficială în interiorul fluidului, este egal cu
Expresia exactă pentru presiunea suplimentară a lichidului
suprafață curbată de orice formă teoretizat in 1805
matematician și fizician franceză Laplace:
în cazul în care semnul plus corespunde unei suprafețe convexe, un semn minus -
o suprafață concavă; 1 și R 2 R - raza de curbură a două normale
secțiuni perpendiculare reciproc ale suprafeței prezentată în Fig. 6.
În cazul în care o suprafață curbată care traversează două avioane
(A1O1V1 și A2O2V2), astfel încât acestea să fie perpendiculare între ele și
conținut normal n r
la suprafață la punctul M, pe suprafața
obținute prin două arce a1b1 și raze de A2B2 R 1 2 și R; acest lucru este raza
curbură normală secțiuni perpendiculare. jumătate din suma
toate formele de suprafață care pot fi formate din lichide,
curbura medie este constantă pentru orice pereche de normale
reciproc secțiuni perpendiculare ale suprafeței în punctul respectiv.
În cazul unei R suprafață sferică 1 = R2 = R, prin urmare, potrivit
formula (3), o presiune suplimentară va fi
o secțiune ar trebui să fie luate în cazul unei suprafețe cilindrice
peste cilindru, iar celălalt - de-a lungul său generator. Apoi, în mod evident, R1 = R și
R2 → ∞ (fig. 7). Prin urmare, presiunea suplimentară va
În cele din urmă, în cazul unei suprafețe R plană 1 = R2 = ∞ și
Atunci când o curbură mare suprafață, care are loc, de exemplu,
pentru picături foarte mici, presiune suplimentară poate fi
destul de semnificative. Deoarece apa de picăturile de rază R = 0,001 mm
Pe tensiunea superficială a lichidului este foarte afectat
impuritățile conținute în ea. De exemplu, săpun dizolvat în apă,
reduce tensiunea superficială cu 0, 075 N / m la 0, 045 N / m.
Substanța care slăbește tensiunea superficială a lichidului, denumit
suprafață - activă. Relativ la suprafața apei -
Acestea sunt uleiul activ, alcool, eter, săpun și multe alte fluide
și solide.
Din punct de vedere al teoriei suprafeței de impact molecular -
substanțele active este explicată după cum urmează. Forțele de atracție
între moleculele lichidului în sine mai multe forțe de atracție între
moleculele de lichid și suprafața - impuritatea activă. prin urmare
moleculele de lichid situate în stratul de suprafață sunt atrase
în interiorul fluidului mai puternic decât molecula de impuritate. Ca urmare, moleculele
lăsând lichidul din stratul de suprafață în lichid, și molecula
suprafață - substanțele active sunt deplasate la suprafață.
Unele substanțe crește tensiunea superficială
lichid datorită faptului că moleculele lor interacționează cu moleculele
fluid mai puternic decât moleculele lichide împreună. Este evident că
molecule astfel de impurități vor fi trase în fluid și
stratul de suprafață molecule preferabil lichide.
Un exemplu de astfel de impurități poate servi ca zahăr și sare.
Astfel, suprafața va consta din apă cu săpun
săpun predominant de molecule, suprafața unei soluții apoase de alcool
a moleculelor de alcool și suprafața unei soluții apoase de zahăr va consta
în primul rând de molecule de apă.
Revenind acum la formula (1), se poate spune că o reducere
energia liberă a suprafeței lichidului (sau energie de suprafață) E
Ea poate fi efectuată în două moduri: în primul rând, reducerea
suprafața lichidului și, în al doilea rând, coeficientul de atenuare
tensiune superficială folosind surfactant - substanțe active.
În această lucrare ne propunem să se schimbe valorile
presiune Laplace determină valoarea coeficientului
suprafață de încercare tensiune lichid.
2. Partea experimentală a lucrării
Schema de configurare de laborator este prezentată în Fig. 8.
Instalația constă dintr-un tub 1, cu un vârf desenat (capilar
K). Tubul 1 este introdus în dopul de cauciuc care acoperă recipientul 2
lichid de testare. Astfel, vârful tubului capilar trebuie K
contact cu suprafața lichidului. Capătul superior al capilarului către
deschis și merge în mediul înconjurător. Tee 3 conectează aer
spațiu al navei 2, 4 și aspiratorul U - în formă de apă Manometru 5.
Cu un manometru măsurarea diferenței de presiune atmosferică și
Presiunea aerului în vasul 2.
Ordinea de performanță
4 1. hotei se toarnă apă la nivelul superior.
2. Vasul 2 și 4 hotei strâns cu dopuri de cauciuc.
3. Deschideți hotei de supapă 4, astfel încât apa turnat din ea
prelinge încet în ceașcă de scurgere. În acest caz, se creează vasul 2
vid. Sub diferența de presiune? P, în anchetate
cu bule de aer lichid suflat, care la un anumit
amploarea acestei diferențe se desprinde din capilar K.
4. La momentul bulei de separare U - manometru de apă în formă de
pentru a măsura diferența? P a presiunii în milimetri coloană de apă. aceasta
diferența de presiune? P este egal cu Laplace 2α presiune / R.
5. Prin măsurarea diferenței de presiune? P. conform formulei
= 2α AP / R pentru a calcula suprafața coeficientului de tensiune a. Aparține această formulă R raza bula de aer, în primă aproximație, putem
considerată a fi egală cu raza tubului capilar K.
6. Experiența de a repeta de cel puțin 5 ori. Valoarea numerică a razei capilare
indicat într-un cadru de laborator.
7. Rezultatele măsurării și calcul înregistrate în tabelul № 1.
8. Pentru a evalua acuratețea măsurătorilor și pentru a compara experimentale
valoarea medie obținută a coeficientului de tensiune superficială
pentru un anumit fluid cu valoarea sa tabular (studiu
lichidul este apa).
9. Concluzia lucrării.