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

Fizica tensiunii superficiale

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

Fizica tensiunii superficiale
Fizica tensiunii superficiale

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

Fizica tensiunii superficiale
Fizica tensiunii superficiale

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.

Fizica tensiunii superficiale
Fizica tensiunii superficiale

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.