Физика на повърхностното напрежение

Цел: Да се ​​изследва физическата основа на метода;

експериментално определяне числена стойност на коефициента

течност тест повърхностно напрежение.

1. В теоретичната част

В течности, средното разстояние между молекулите значително

по-малко от газове. Следователно силата взаимодействие между молекули в

течности играят важна роля.

Всяка от молекулите на вътрешния течност е заобиколен от всички страни

други молекули и се чувства по същия атракция за всички

посоки. Молекулите, разположени близо до повърхността,

опит от съседите си атракция, навътре и

в ръка, но не страдат от балансиране атракция

прилежащата въздушни слоеве, съдържащи много по-малко

молекули. В резултат повърхност молекула на силата,

активно течност, перпендикулярна на неговата повърхност.

Нека молекулата излиза от гъстата течност и удари

област близо до повърхността. Около молекулата,

като център, ние описваме сфера с радиус R. равен на радиуса на молекулните

действие (най-голямото разстояние, при което засяга действие

други молекули на молекула в центъра на сферата). Per молекула са

сцепление само от молекулите в тази област.

Ако разстоянието Z от молекулата на повърхността на течността

по-голяма от R (фиг. 1, а), областта е равномерно запълнена с вещество и

резултантната прикрепен към него силите на кохезия, поради симетрия,

нула. Когато Z става по-малък от R (фиг. 1с), ефектът на молекули,

затворници рядко засенчени част от сфера, поради симетрията на едни и същи

нула. Остават некомпенсиран ефект на молекулите дебели

щрихованата част на сферата. Той дава Получената,

насочен навътре течност. Тъй като това намаление

Получените се увеличава и след това отнема максимална стойност,

когато молекулата влиза граница течност (фиг. 1, в). след

пресечната точка на тази граница (фиг. 1, г) на молекула действа само

Защрихованата част от сфера, която дава обратно резултантната,

насочен навътре течност. Това става Полученият

нула, когато областта е изцяло от течност (фиг. 1, е).

Така, в повърхностния слой на течността се открива

noncompensation молекулните сили: частици течност,

намиращ се в този слой, чувствам се навътре сила

привличане на останалата част от течността, обикновено до нейната повърхност. за

молекула от течната колона граница си, т. е. формация

нова течна повърхност, е необходимо да се извърши работата по

определяне на адхезионни сили.

Разглеждане на проблема на повърхностния слой на течна енергия.

Частиците на този слой са кинетична енергия и топлинна движение

потенциалната енергия се дължи на междумолекулни сили

взаимодействие. Средната кинетичната енергия на частиците зависи от

температура. В случай на равновесно състояние при постоянна температура

целия обем на течността. Следователно, средната кинетичната енергия на молекулите

повърхностния слой и молекулите вътре в обема на течност,

едни и същи. Положението е различно, с потенциалната енергия. В прехода

молекули от вътрешността на течността на повърхността, те трябва

за извършване на работа във вътрешността на течността към силите на привличане

от други течни частици. Тази работа се увеличава

потенциалната енергия на молекулите, мигриращи в повърхностния слой.

Следователно, повърхностния слой от частиците имат по-голяма

потенциална енергия от частиците в течност. Разликата между

потенциална енергия повърхностен слой от течни частици и

потенциални енергийни частици, наречени своята вътрешна повърхност

енергия Е. чиято стойност е пропорционална на площта

където S - площ, α - коефициент на пропорционалност

(Наречен повърхностното напрежение).

От уравнение (1), че всяка промяна в областта

повърхност, свързана с промяна в повърхностната енергия, и

Следователно, може да се характеризира с някои сила,

определя от отношението:

Ако промяната в повърхността на енергия се дължи на

преместване на граничната повърхност, без да се променя неговият радиус на извивката, а след това

повърхностна енергия градиент е насочено по допирателната към повърхността

течност перпендикулярно на част от контура, за които се работи.

Съответните допирателна сила F е силата на повърхностните

Поради наличието на течни открива повърхностна енергия

желанието да се запази нейната повърхност. Повърхностният слой

Тя се състои от същите молекули като останалата част от течността. Взаимодействието между

молекули в повърхностния слой има същия характер като вътрешната

течност. Въпреки това, молекулите в повърхностния слой имат

повече енергия в сравнение с молекулите в течността.

Умствени изолира повърхността на течността, ограничена

затворен контур. тази част, за да се намали тенденцията води до

факта, че тя действа върху съседните области на сила,

разпределени по линия (от третия закон на Нютон за външна

Гранични части действат върху част счита

повърхностни сили на същата величина, но обратното

посока). Тези сили се наричат ​​сили на повърхностното напрежение.

Означаваме силата на повърхностното напрежение дължи

единица дължина на контура, от α. Тази стойност се нарича фактор

повърхностно напрежение. то Мярка в международната система SI в

Да предположим, че има правоъгълна рамка с подвижна

греда завързана течен филм (фиг. 2). Филмът е

тънка плоска обем течност, ограничен от двете страни

Тъй като повърхностният слой за намаляване на желанието за

страна на филма с две повърхности, ще действа на

бар сила, равна 2αl. В лентата е в

равновесие, е необходимо да се прилага външна сила F. равен

якост на опън филм, т.е.. д. 2αl. Да предположим, че напречната греда

Тя се премества в посока на сила F при DX много малка стойност Това

процес е придружен от перфектната течност над гредата

където DS - увеличение площ на повърхностния слой.

Ако процесът е много бавно (обратима), при което

температура на филма остава постоянна дължи на притока на топлина от външната страна,

за обратим изотермичен процес е равна на работата, извършена от

загуба на енергия без:

Този резултат означава, че при изотермични

увеличаване на площта на повърхностния слой на свободната енергия DS

течни увеличава с DE = αdS. От това следва, че съотношението

повърхностно напрежение е допълнителен

свободна енергия, който има повърхностна площ на единица

Стойността, която е числено равна на работата, която трябва да се направи за

увеличаване на повърхността на течността на единица площ се нарича

повърхностно коефициент напрежение. Съответно, алфа

Това може да се изрази не само в

Помислете за нивото на течността, въз основа на някои

плосък контур (Фиг. 3a).

Ако повърхността на течността не е плоска, а след нея желание да

намаляване ще доведе до допълнителен натиск? P.

Ако повърхността е изпъкнала, а след това? Р е положителен (фиг. 3в), ако

вдлъбната повърхност - Р е отрицателен (Фигура 3, стр.). В последния случай

повърхностен слой с цел свиване, се простират течност.

Естествено е да се предположи, че размера на допълнителното налягане

Тя трябва да зависи от големината на силата и повърхностното напрежение на течността

степента на кривата на повърхността, с други думи, от

повърхностното напрежение коефициент α и радиусът на кривината

Р. Зависимостта на повърхността също е очевидно: екстра

налягане трябва да бъде пропорционално на съотношението на повърхността

напрежение и обратно пропорционален на радиуса на кривината на повърхността

т. е. количеството допълнителни увеличава с увеличаване на налягането

повърхностното напрежение коефициент α и намалява радиус

кривина R.

Ние изчисли допълнителен натиск към сферичната повърхност

течност. За да направите това, психически Намалихме сферична капка течност

напречна равнина на две полусфери (фиг. 4). поради

повърхностното напрежение на двете полукълба са привлечени един към друг

Тази сила притиска заедно двете полукълба на повърхността S на = πR2.

Следователно, създадени допълнителния натиск сили

повърхностно напрежение в течността, е равна на

Точният израз за допълнителна налягането на течността

извита повърхност на всяка форма теоретизира през 1805 г.

Френски математик и физик Лаплас:

където знака плюс съответства на изпъкнала повърхност, знак минус -

вдлъбната повърхност; 1 и R 2 R - радиус на кривината на две нормалата

взаимно перпендикулярни участъци от повърхността е показано на фиг. 6.

Ако извита повърхност пресича две равнини

(A1O1V1 и A2O2V2), така че те са перпендикулярни една на друга и

съдържа нормален п R

на повърхността в точка М, върху повърхността

получен от две дъги A1B1 и A2B2 радиуси R 1 и R2; това е радиусът

нормалната кривина перпендикулярни секции. половината от сумата

всички форми на повърхността, които могат да бъдат образувани от течност,

средната кривината е постоянна за всяка двойка от нормалното

взаимно перпендикулярни участъци от повърхността в даден момент.

В случай на сферична повърхност R 1 = R 2 = R, следователно, според

формула (3), допълнително налягане ще бъде

една част трябва да се приема в случая на цилиндрична повърхност

от другата страна на цилиндъра, а другият - по неговата генератор. След това, очевидно, R 1 = R и

R 2 → ∞ (фиг. 7). Ето защо, допълнителен натиск ще

Накрая, в случай на плоска повърхност, R 1 = R 2 = ∞ и

Когато голяма повърхност кривина, което се случва, например,

за много малки капчици, допълнителен натиск може да бъде

доста значителен. Тъй като водата капчици радиус R = 0,001 мм

От повърхностното напрежение на течността е силно засегната

примеси, които се съдържат в него. Например, сапун, разтворен във вода,

намалява неговата повърхностното напрежение с 0, 075 N / m до 0, 045 N / m.

Веществото, което отслабва напрежението на течността повърхност, наречена

повърхностно - активни. Отнесено към повърхността на водата -

Те са активни масло, алкохол, етер, сапун и много други течности

и твърди вещества.

От гледна точка на теорията на молекулно повърхност въздействие на -

активни вещества, се обяснява по следния начин. Силите на привличане

между молекулите на самата течност повече сили на привличане между

молекули на течността и на повърхността - активно онечистване. следователно

течни молекули, намиращи се в повърхностния слой са привлечени

във вътрешността на течността по-силна от молекулата на примеси. В резултат, молекулите

оставяйки течност от повърхностния слой в течността, и молекулата

повърхностно - активни вещества, се изместват към повърхността.

Някои вещества увеличават повърхностното напрежение

течност се дължи на факта, че техните молекули взаимодействат с молекули

течност силен от течните молекули заедно. Очевидно е, че

молекули такива примеси ще бъдат изготвени в течността и

повърхностният слой ще предпочитане течни молекули.

Един пример на такива примеси може да служи като захар и сол.

Така повърхността ще се състои от вода и сапун

сапун предимно от молекули на повърхността на воден разтвор на алкохол

на молекулите на алкохол и повърхността на воден захарен разтвор се състои

главно от водни молекули.

Връщайки се сега към формула (1), може да се каже, че намаляването на

свободната енергия на течността повърхност (или повърхностна енергия) E

Това може да се извърши по два начина: първо, намаляване на

течната повърхност и от друга страна, коефициентът на затихване

повърхностното напрежение се използва повърхностно активно вещество - активни вещества.

В тази статия ние предлагаме да промените стойностите

Лаплас налягане определяне на стойността на коефициента

течност тест повърхностно напрежение.

2. Експерименталната част от работата

Схема на лаборатория настройка е показана на Фиг. 8.

Инсталацията се състои от тръба 1 с изготвен върха (капилярен

K). Тръбата 1 се вмъква в гумената запушалка обхващаща съда 2

течност тест. Така върха на капиляра трябва K

контакт с повърхността на течността. Горният край на капиляра на

отвори и отива в околната среда. Tee 3 свързва въздуха

пространство на съда 2, аспиратора 4 и U - образна вода манометър 5.

С манометър за измерване на разликата в атмосферно налягане и

Налягане на въздуха в съда 2.

Редът на изпълнение

4 1. аспиратор излее вода към горното ниво.

2. съда 2 и аспиратора 4 плътно с гумени тапи.

3. отваряне на клапана 4 аспиратора, така че водата се излива от него

бавно капене в чашата за източване. В този случай, на кораба 2 се създава

вакуум. По разликата в налягането? P в проучваните

течност издухан въздух балон, който в определен

величината на тази разлика се откачи от капиляра К.

4. По време на балона за разделяне U - образна вода манометър

за измерване на разликата? P на налягане в милиметри воден стълб. това

разликата в налягането? P е равна на Лаплас 2α налягане / R.

5. Чрез измерване на разликата в налягането? P. съгласно формула

АР = 2α / R за изчисляване на коефициента на повърхностно напрежение алфа на. Принадлежи към тази формула R радиуса на въздушен балон в първо приближение, което можем

приема за равен на радиуса на капиляра К.

6. Опитът да се повтаря най-малко 5 пъти. Цифровата стойност на радиуса на капилярна

посочено в лабораторни условия.

7. Резултатите от измерване и изчисляване записани в таблица № 1.

8. За да се оцени точността на измерванията и да сравнявате експериментален

получената средна стойност на коефициента на повърхностното напрежение

за дадена течност с таблична стойност (проучване

течността е вода).

9. Сключването на работата.