Drėkinant atsiranda paviršiaus kreivumas, keičiasi paviršiaus sluoksnio savybės. Laisvos energijos perteklius ties lenktu paviršiumi sukelia vadinamuosius kapiliarinius reiškinius – labai unikalius ir svarbius.

Pirmiausia atlikime kokybinį tyrimą muilo burbulo pavyzdžiu. Jei burbulo pūtimo metu atidarysime vamzdžio galą, pamatysime, kad jo gale esantis burbulas sumažės ir bus įtrauktas į vamzdelį. Kadangi oras iš atviro galo susisiekė su atmosfera, norint išlaikyti pusiausvyros muilo burbulo būseną, reikėjo, kad slėgis viduje būtų didesnis nei išorėje. Jei vamzdelį prijungiate prie monometro, ant jo užfiksuojamas tam tikras lygio skirtumas - perteklinis slėgis DP tūrinėje dujų fazėje įgaubtoje burbulo paviršiaus pusėje.

Nustatykime kiekybinį ryšį tarp DP ir paviršiaus kreivio spindulio 1/r tarp dviejų tūrinių fazių, kurios yra pusiausvyros būsenoje ir yra atskirtos sferiniu paviršiumi. (pavyzdžiui, dujų burbulas skystyje arba skysčio lašas garų fazėje). Norėdami tai padaryti, naudojame bendrąją termodinaminę išraišką laisvajai energijai esant sąlygai T = const ir kai medžiaga neperkeliama iš vienos fazės į kitą dn i = 0. Pusiausvyros būsenoje paviršiaus ds ir tūrio dV kitimai. yra galimi. Tegul V padidėja dV, o s – ds. Tada:

dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.

Esant pusiausvyrai, dF = 0. Atsižvelgdami į tai, kad dV 1 = dV 2, gauname:

P 1 - P 2 = s ds/dV.

Taigi P 1 > P 2 . Atsižvelgiant į tai, kad V 1 = 4/3 p r 3, kur r yra kreivio spindulys, gauname:

Pakeitimas suteikia Laplaso lygtį:

P 1 - P 2 = 2s/r. (1)

Bendresniu atveju apsisukimo elipsoidui, kurio pagrindiniai kreivio spinduliai r 1 ir r 2, suformuluotas Laplaso dėsnis:

P 1 – P 2 = s/(1/R1 – 1/R 2).

Jei r 1 = r 2 gauname (1), r 1 = r 2 = ¥ (plokštuma) P 1 = P 2 .

Skirtumas DP vadinamas kapiliariniu slėgiu. Panagrinėkime Laplaso dėsnio, kuris yra kapiliarinių reiškinių teorijų pagrindas, fizikinę prasmę ir pasekmes. Iš lygties matyti, kad slėgių skirtumas tūrinėse fazėse didėja didėjant s ir mažėjant kreivio spinduliui. Taigi, kuo didesnė dispersija, tuo didesnis sferinio paviršiaus skysčio vidinis slėgis. Pavyzdžiui, vandens lašui garų fazėje, kai r = 10 -5 cm, DP = 2. 73. 10 5 dynes/cm 2 » 15 at. Taigi slėgis lašo viduje, palyginti su garu, yra 15 atm didesnis nei garo fazėje. Reikia atsiminti, kad nepriklausomai nuo fazių agregacijos būsenos, esant pusiausvyros būsenai, slėgis įgaubtoje paviršiaus pusėje visada yra didesnis nei išgaubtoje. Uranas yra pagrindas eksperimentiniam s matavimui. naudojant didžiausio burbulo slėgio metodą. Viena iš svarbiausių kapiliarinio slėgio egzistavimo pasekmių yra skysčio padidėjimas kapiliare.

Kapiliariniai reiškiniai stebimi esant skysčiams

Siauruose induose, kuriuose atstumas tarp sienų yra proporcingas skysčio paviršiaus kreivio spinduliui. Kreivumas atsiranda dėl skysčio sąveikos su indo sienelėmis. Konkretus skysčio elgesys kapiliariniuose induose priklauso nuo to, ar skystis sušlapina ar nesušlapina indo sienelių, tiksliau nuo kontaktinio kampo reikšmės.

Panagrinėkime skysčių lygių padėtį dviejuose kapiliaruose, kurių vienas turi liofilinį paviršių, todėl jo sienelės yra sudrėkintos, o kitas turi liofobinį paviršių ir nėra sudrėkintas. Pirmajame kapiliare paviršius turi neigiamą kreivumą. Papildomas Laplaso slėgis linkęs ištempti skystį. (slėgis nukreiptas link kreivumo centro). Slėgis po paviršiumi yra mažesnis nei slėgis plokščiame paviršiuje. Dėl to atsiranda plūduriuojanti jėga, pakelianti skystį kapiliare, kol kolonėlės svoris subalansuoja veikiančią jėgą.Antrame kapiliare paviršiaus kreivumas yra teigiamas, į skystį nukreipiamas papildomas slėgis, ko pasekoje , kapiliare esantis skystis leidžiasi žemyn.

Esant pusiausvyrai, Laplaso slėgis yra lygus h aukščio skysčio kolonėlės hidrostatiniam slėgiui:

DP = ± 2s/r = (r - r o) gh, kur r, r o – skysčio ir dujų fazės tankiai, g – gravitacijos pagreitis, r – menisko spindulys.

Norint susieti kapiliarinio pakilimo aukštį su drėkinimo charakteristika, menisko spindulys bus išreiškiamas drėkinimo kampu Q ir kapiliaro spinduliu r 0. Akivaizdu, kad r 0 = r cosQ, aukštis kapiliarinis pakilimas bus išreikštas forma (Jurino formulė):

h = 2sсosQ / r 0 (r - r 0)g

Nesant drėkinimo Q>90 0, сosQ< 0, уровень жидкости опускается на величину h. При полном смачивании Q = 0, сosQ = 1, в этом случае радиус мениска равен радиусу капилляра. Измерение высоты капиллярного поднятия лежит в основе одного из наиболее точных методов определения поверхностного натяжения жидкостей.

Kapiliarinis skysčių kilimas paaiškina daugybę gerai žinomų reiškinių ir procesų: popieriaus ir audinių impregnavimą lemia kapiliarinis skysčio kilimas porose. Audinių atsparumą vandeniui užtikrina jų hidrofobiškumas – neigiamo kapiliarinio pakilimo pasekmė. Vandens kilimas iš dirvožemio vyksta dėl dirvožemio struktūros ir užtikrina Žemės augalijos egzistavimą, vandens kilimas iš dirvožemio išilgai augalų kamienų vyksta dėl pluoštinės medienos struktūros, kraujotakos proceso. kraujagyslėse, drėgmės kilimas pastato sienose (klojama hidroizoliacija) ir kt.

Termodinaminis reaktyvumas (t.r.s.).

Apibūdina medžiagos gebėjimą virsti kita būsena, pavyzdžiui, į kitą fazę, arba pradėti cheminę reakciją. Tai rodo tam tikros sistemos atstumą nuo pusiausvyros būsenos tam tikromis sąlygomis. T.r.s. yra nulemtas cheminio giminingumo, kuris gali būti išreikštas Gibso energijos pokyčiu arba cheminių potencialų skirtumu.

R.s priklauso nuo medžiagos sklaidos laipsnio. Pasikeitus dispersijos laipsniui, gali pasikeisti fazė arba cheminė pusiausvyra.

Atitinkamą Gibso energijos dG d prieaugį (dėl dispersijos pokyčio) galima pavaizduoti kaip kombinuotą pirmojo ir antrojo termodinamikos dėsnių lygtį: dG d = -S dT + V dp

Atskirai medžiagai V = V mol ir T = const turime: dG d = V mol dp arba DG d = V mol Dp

Pakeitę Laplaso ryšį į šią lygtį, gauname dG d = s V mol ds/dV

sferiniam kreivumui: dG d = ± 2 s V mol /r (3)

Lygtys rodo, kad reaktyvumo padidėjimas dėl dispersijos pasikeitimo yra proporcingas paviršiaus kreivumui arba dispersijai.

Jei atsižvelgiama į medžiagos perėjimą iš kondensuotos fazės į dujinę, tada Gibso energiją galima išreikšti garų slėgiu, laikant jį idealia. Tada papildomas Gibso energijos pokytis, susijęs su dispersijos pokyčiu, yra:

dG d = RT ln (p d / p s) (4), kur p d ir p s yra sočiųjų garų slėgis ant lenktų ir plokščių paviršių.

Pakeitę (4) į (3), gauname: ln (p d / p s) = ±2 s V mol /RT r

Ryšys vadinamas Kelvino-Thomsono lygtimi. Iš šios lygties išplaukia, kad esant teigiamam kreivumui, sočiųjų garų slėgis lenktame paviršiuje bus didesnis, tuo didesnis kreivumas, t.y. mažesnis kritimo spindulys. Pavyzdžiui, vandens lašui, kurio spindulys r = 10 -5 cm (s = 73, V mol = 18) p d / p s = 0,01, t.y 1%. Ši Kelvino-Tomsono dėsnio pasekmė leidžia numatyti izotreminės distiliacijos reiškinį, kuris susideda iš mažiausių lašų išgaravimo ir garų kondensacijos ant didesnių lašų ir ant plokščio paviršiaus.

Esant neigiamam kreivumui, kuris atsiranda kapiliaruose drėkinimo metu, gaunamas atvirkštinis ryšys: sočiųjų garų slėgis virš lenkto paviršiaus (virš lašo) mažėja didėjant kreivumui (mažėjant kapiliarų spinduliui). Taigi, jei skystis sudrėkina kapiliarą, tada garų kondensacija kapiliare vyksta esant mažesniam slėgiui nei ant plokščio paviršiaus. Štai kodėl Kelvino lygtys dažnai vadinamos kapiliarinės kondensacijos lygtimi.

Panagrinėkime dalelių dispersijos įtaką jų tirpumui. Atsižvelgiant į tai, kad Gibso energijos pokytis išreiškiamas per medžiagos tirpumą skirtingose ​​išsklaidytose būsenose, panašiai kaip (4), gauname neelektrolitų atveju:

ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r čia c d ir c a yra labai išsisklaidžiusios medžiagos tirpumas ir tirpumas esant pusiausvyrai su didelėmis šios medžiagos dalelėmis

Elektrolitui, kuris tirpale disocijuoja į n jonus, galime parašyti (neatsižvelgiant į aktyvumo koeficientus):

ln(a d /a s) = n ln (c d /c s) = ±2 s V mol /RT r, čia a d ir a s – elektrolito aktyvumas sočiųjų tirpalų labai dispersinės ir stambiai dispersinės būsenos atžvilgiu. Iš lygčių matyti, kad didėjant dispersijai tirpumas didėja arba dispersinės sistemos dalelių cheminis potencialas yra didesnis nei stambios dalelės 2 s V mol/r. Tuo pačiu metu tirpumas priklauso nuo paviršiaus kreivumo ženklo, o tai reiškia, kad jei kietosios medžiagos dalelės yra netaisyklingos formos su teigiamu ir neigiamu kreivumu ir yra sočiame tirpale, tada teigiamo kreivumo sritys ištirps, o sritys su neigiamu kreivumu augs. Dėl to tirpios medžiagos dalelės laikui bėgant įgauna visiškai apibrėžtą formą, atitinkančią pusiausvyros būseną.

Dispersijos laipsnis taip pat gali turėti įtakos cheminės reakcijos pusiausvyrai: - DG 0 d = RT ln (K d / K), kur DG 0 d yra cheminio giminingumo padidėjimas dėl dispersijos, K d ir K yra pusiausvyros konstantos. reakcijų, kuriose dalyvauja dispersinės ir nedispersinės medžiagos .

Didėjant dispersijai, komponentų aktyvumas didėja, ir pagal tai cheminės pusiausvyros konstanta kinta viena ar kita kryptimi, priklausomai nuo pradinių medžiagų ir reakcijos produktų dispersijos laipsnio. Pavyzdžiui, kalcio karbonato skilimo reakcijai: CaCO 3 « CaO + CO 2

Padidėjus pradinio kalcio karbonato dispersijai, pusiausvyra pasislenka į dešinę, o anglies dioksido slėgis virš sistemos didėja. Padidinus kalcio oksido dispersiją, gaunamas priešingas rezultatas.

Dėl tos pačios priežasties, didėjant dispersijai, susilpnėja ryšys tarp kristalizacijos vandens ir medžiagos. Taigi Al 2 O 3 makrokristalas. 3 H 2 O atiduoda vandenį esant 473 K, o koloidinių dydžių dalelių nuosėdose kristalinis hidratas suyra esant 373 K. Auksas nesąveikauja su druskos rūgštimi, o koloidinis auksas jame ištirpsta. Stambiai išsklaidyta siera su sidabro druskomis nereaguoja pastebimai, o koloidinė siera sudaro sidabro sulfidą.

Tegul skystis būna kokiame nors inde. Jei atstumai tarp paviršių, ribojančių skystį, yra lyginami su skysčio paviršiaus kreivio spinduliu, tai tokie indai vadinami kapiliarai . Kapiliaruose vykstantys reiškiniai vadinami kapiliariniai reiškiniai . Kapiliariniai reiškiniai apima kapiliarinis pakilimas skysčių ir kapiliarų sukibimas tarp sudrėkintų paviršių.

Paprasčiausi ir dažniausiai naudojami cilindriniai kapiliarai (10.10 pav.). Skysčio paviršius tokiuose kapiliaruose yra sferinis. Tegu r yra skysčio paviršiaus kreivio spindulys, R – kapiliaro spindulys, θ – kontaktinis kampas. Dalinio drėkinimo atveju skystis kils per kapiliarą, veikiamas Laplaso slėgio, kol jį kompensuos hidraulinis skysčio slėgis:

kur ρ yra skysčio tankis, g- gravitacijos pagreitis, h– kapiliarinio pakilimo aukštis. Skysčio paviršiaus kreivumo spindulį patogu išreikšti kapiliaro spinduliu, kurį galima nesunkiai išmatuoti: . Laplaso slėgį sferiniame paviršiuje pakeitę išraiška (10-12), gauname:

Visiško sušlapimo atveju θ =0 о, cos θ =1, r = R o kapiliarinio pakilimo aukščio formulė yra tokia:

Su visišku nedrėkinimu θ = 180 о, cos θ = - 1, o kapiliarinio pakilimo aukštis bus neigiamas, tai yra, skysčio paviršius nukris tokiu kiekiu h(10.11 pav.).

Įdomu pastebėti, kad susisiekiančiuose kapiliaruose skysčio lygio aukštis nėra vienodas. Didžiausias kapiliarų pakilimas stebimas siauriausiame kapiliare, o mažiausias – plačiausiame kapiliare (10.12 pav.).

Visiškam drėkinimui. Kapiliariniai reiškiniai stebimi vandeniui pakylant į dirvos paviršių, naudojant blotinginį popierių, skudurą, kai žibalas pakyla dagtyse ir kt.

Kylant temperatūrai, skysčių paviršiaus įtempimo koeficientas mažėja, o esant kritinei temperatūrai lygus nuliui. Skysčių paviršiaus įtempimo koeficientas taip pat priklauso nuo skysčio tankio ir molinės masės. Be to, paviršiaus įtempimo koeficiento priklausomybė nuo temperatūros yra ryškesnė, tuo didesnis skysčio tankis ir mažesnė jo molinė masė. Norėdami nustatyti paviršiaus įtempimo koeficientą, galite naudoti pusiau empirinę formulę:

Čia B yra pastovus koeficientas, beveik vienodas visiems skysčiams, Tc – kritinė temperatūra, ρ – skysčio tankis, μ – jo molinė masė, τ – maža temperatūros matmens reikšmė. Formulė (10-14) netaikoma šalia kritinės temperatūros. Vandeninių tirpalų paviršiaus įtempimo koeficientas priklauso nuo tirpios medžiagos tipo. Kai kurios medžiagos, pvz., alkoholis, muilas, skalbimo milteliai, ištirpinti vandenyje, kurių tankis mažesnis nei vandens, sumažina paviršiaus įtempimo koeficientą ir yra vadinami. aktyviosios paviršiaus medžiagos . Paviršinio aktyvumo medžiagos naudojamos kaip drėkikliai, flotacijos reagentai, putojančios medžiagos, dispergentai, kietumo mažinimo priemonės, plastifikavimo priedai, kristalizacijos modifikatoriai ir kt. Padidėjus tokių medžiagų koncentracijai, sumažėja paviršiaus įtempimo koeficientas. Kitos vandenyje ištirpusios medžiagos, pavyzdžiui, cukrus, druska, padidina tirpalo tankį ir padidina paviršiaus įtempimo koeficientą. Padidėjus tokių medžiagų koncentracijai, padidėja paviršiaus įtempimo koeficientas. Paviršiaus įtempimo koeficientams eksperimentiškai nustatyti naudojami keli matavimo metodai: Rebinderio metodas, kapiliarinės bangos metodas, lašo ir burbulo metodas ir kt.

Garai) esant paviršiaus kreivumui. Ypatingas paviršiaus reiškinių atvejis.

Nesant gravitacijos, ribotos masės skystis, veikiamas paviršiaus įtempimo, yra linkęs užimti tūrį, kurio paviršiaus plotas yra minimalus, t.y. jis įgauna rutulio formą. Veikiant gravitacijai, pakankamai klampus, pakankamai masės skystis įgauna indo, į kurį jis pilamas, formą, o jo laisvas paviršius, kurio gana didelis plotas (toli nuo indo sienelių), tampa plokščias, nes Paviršiaus įtempis yra mažiau reikšmingas nei gravitacijos jėga. Sąveikaujant su kito skysčio ar kietos medžiagos paviršiumi (pavyzdžiui, su indo sienelėmis), atitinkamo skysčio paviršius yra išlenktas, priklausomai nuo to, ar yra ar nėra drėkinimo. Jei vyksta drėkinimas, t.y. skysčio 1 molekulės (1 pav.) sąveikauja su paviršiaus 3 molekulėmis stipriau nei su kito skysčio (arba dujų) 2 molekulėmis, tai veikiamos jėgų skirtumo. tarpmolekulinės sąveikos skystis 1 kyla išilgai indo sienelės - sekcija skystis, esantis greta sienelės, yra sulenktas. Slėgis, kurį sukelia skysčio kilimas, yra subalansuotas kapiliariniu slėgiu ∆р – slėgio skirtumu virš ir žemiau lenktos sąsajos. Kapiliarinio slėgio dydis priklauso nuo vidutinio paviršiaus kreivio spindulio r ir nustatomas pagal Laplaso formulę: ∆р = 2σ/r, kur σ yra paviršiaus įtempis. Jei fazės sąsaja plokščia (r = ∞), tai esant sistemos mechaninei pusiausvyrai, slėgis abiejose sąsajos pusėse yra lygus ir ∆р = 0. Esant įgaubtam skysčio paviršiui (r< 0) давление в жидкости ниже, чем давление в граничащей с ней фазе и ∆р < 0; для выпуклой поверхности (r >0) ∆р > 0.

Jei indo sienelės priartinamos viena prie kitos, skysčio paviršiaus kreivumo zonose susidaro meniskas – visiškai išlenktas paviršius. Gauta sistema vadinama kapiliaru; jame drėkinimo sąlygomis sumažėja slėgis po menisku ir kapiliare esantis skystis pakyla (virš laisvo skysčio paviršiaus inde); h aukščio skysčio stulpelio svoris subalansuoja kapiliarinį slėgį ∆р. Nedrėkęs skystis kapiliare suformuoja išgaubtą meniską, virš kurio esantis slėgis yra didesnis, o jame esantis skystis nukrenta žemiau laisvo paviršiaus už kapiliaro ribų. Skysčio pakilimo (kritimo) aukštis kapiliare laisvojo paviršiaus atžvilgiu (kur r = ∞ ir ∆р = 0) nustatomas pagal ryšį: h = 2σcosθ/∆pgr, kur θ yra kontaktinis kampas ( kampas tarp menisko paviršiaus liestinės ir kapiliaro sienelės), ∆ p – skysčio 1 tankių skirtumas kapiliare ir išorinėje aplinkoje 2, g – laisvojo kritimo pagreitis.

Paviršiaus kreivumas turi įtakos pusiausvyros tarp skysčio ir jo sočiųjų garų sąlygoms: pagal Kelvino lygtį garų slėgis virš skysčio lašo didėja mažėjant jo spinduliui, o tai paaiškina, pavyzdžiui, didelių krinta debesyse mažų sąskaita.

Būdingi kapiliariniai reiškiniai yra kapiliarų absorbcija, kapiliarinių bangų atsiradimas ir sklidimas, skysčio judėjimas kapiliaruose, kapiliarų kondensacija, garavimo ir tirpimo procesai esant lenktam paviršiui. Kapiliarinė absorbcija pasižymi greičiu, kuris priklauso nuo kapiliarinio slėgio ir skysčio klampumo. Jis vaidina svarbų vaidmenį aprūpinant augalus vandeniu, vandens judėjimu dirvožemyje ir kituose procesuose, susijusiuose su skysčių judėjimu poringoje terpėje. Kapiliarinis impregnavimas yra vienas iš labiausiai paplitusių cheminių technologijų procesų. Sistemose su nelygiagrečiomis sienelėmis (arba kūginio skerspjūvio kapiliarais) meniskų kreivumas priklauso nuo juose esančių skysčio ribinių paviršių išsidėstymo, o juose esantis drėkinančio skysčio lašas pradeda judėti menisko link. mažesniu spinduliu (2 pav.), t.y. ta kryptimi, kur slėgis mažesnis. Skysčio kapiliarinio judėjimo priežastis taip pat gali būti paviršiaus įtempimo jėgų skirtumai menizuose, pavyzdžiui, esant temperatūros gradientui arba adsorbuojant paviršinio aktyvumo medžiagas, mažinančias paviršiaus įtempimą.

Kapiliarinė kondensacija – tai garų kondensacijos procesas akytų kūnų kapiliaruose ir mikroplyšiuose, taip pat tarpuose tarp gretimų kietųjų dalelių ar kūnų. Būtina kapiliarinio kondensacijos sąlyga yra kūnų (dalelių) paviršiaus sudrėkinimas kondensuojančiu skysčiu. Prieš kapiliarų kondensacijos procesą kūnų paviršiuje adsorbuojasi garų molekulės ir susidaro skysti meniskiai. Drėkinimo sąlygomis meniskų forma yra įgaubta, o sočiųjų garų slėgis p virš jų yra mažesnis nei sočiųjų garų slėgis p 0 tomis pačiomis sąlygomis virš lygaus paviršiaus. Tai yra, kapiliarinė kondensacija vyksta esant mažesniam nei p0 slėgiui.

Skysčio paviršiaus kreivumas gali reikšmingai paveikti garavimo, virimo, tirpimo, branduolių susidarymo procesus garų kondensacijos ir kristalizacijos metu. Taigi sistemų, kuriose yra daug lašelių ar dujų burbuliukų (emulsijos, aerozoliai, putos), savybes ir jų susidarymą daugiausia lemia kapiliariniai reiškiniai. Jie taip pat yra daugelio technologinių procesų pagrindas: flotacija, miltelių sukepinimas, alyvos išstūmimas iš rezervuarų vandeniniais paviršinio aktyvumo medžiagų tirpalais, adsorbcinis atskyrimas ir dujų bei skystų mišinių valymas ir kt.

Pirmą kartą kapiliarinius reiškinius tyrė Leonardo da Vinci. Sistemingą kapiliarų reiškinių plonuose vamzdeliuose ir tarp plokščių, glaudžiai išdėstytų stiklo plokščių stebėjimą ir aprašymą 1709 m. atliko Londono karališkosios draugijos demonstrantas F. Hawkesby. Kapiliarinių reiškinių teorijos pagrindai padėti T. Youngo, P. Laplaso darbuose, o jų termodinaminį svarstymą atliko J. Gibbsas (1876).

Lit.: Adamson A. Fizikinė paviršių chemija. M., 1979; Rawlinson J., Widom B. Molekulinė kapiliarumo teorija. M., 1986 m.

A. M. Emelyanenko, N. V. Churajevas.

KAPILIARINIAI REIKŠINIAI- reiškinių, kuriuos sukelia sąsajos paviršiaus įtempimo sąveika tarp nesimaišančių terpių, visuma; pas K. I. paprastai reiškia reiškinius skysčiuose, kuriuos sukelia jų paviršiaus kreivumas, esantis šalia kito skysčio, dujų ar jo paties. keltas. K. I. yra ypatingas paviršiaus reiškinių atvejis. Jei jo nėra, skysčio paviršius visada yra išlenktas. Veikiamas ribotas skysčio tūris linkęs įgauti rutulio formą, t.y., užimti min. paviršius. Gravitacijos jėgos labai pakeičia vaizdą. Santykinai mažo klampumo skystis greitai įgauna indo, į kurį pilamas, formą, o laisvas jo paviršius (nesiribojantis su indo sienelėmis) esant pakankamai didelėms skysčio masėms ir dideliam laisvo paviršiaus plotui praktiškai būna butas. Tačiau, mažėjant skysčio masei, paviršiaus įtempimo vaidmuo tampa svarbesnis nei gravitacija. Taigi, pavyzdžiui, susmulkinant skystį dujose (arba dujas skystyje), susidaro sferiniai lašai (burbuliukai). formų. Sistemų, kuriose yra daug lašų ar burbuliukų (emulsijos, skysti aerozoliai, putos), savybes ir jų susidarymo sąlygas daugiausia lemia šių darinių paviršiaus kreivumas, tai yra kreivumas. Didelis vaidmuo K. I. Jie taip pat atlieka branduolio susidarymą garų kondensacijos, skysčių virimo ir kristalizacijos metu. Skysčio paviršiaus kreivumas taip pat gali atsirasti dėl jo sąveikos su kito skysčio ar kietos medžiagos paviršiumi. Šiuo atveju buvimas ar nebuvimas drėkinimasšio paviršiaus skystis. Jei taip atsitinka, tai yra, skysčio 1 molekulės (1 pav.) sąveikauja su kieto kūno paviršiumi 3 stipriau nei su kito skysčio (arba dujų) 2 molekulėmis, tai veikiant skirtumui tarpmolekulinės sąveikos jėgų, skystis kyla išilgai indo sienelės ir greta link kieto kūno, skysčio paviršiaus dalis bus išlenkta. Hidrostatinis slėgis, kurį sukelia kylančio skysčio lygis, yra subalansuotas kapiliarinis slėgis- slėgio skirtumas virš ir žemiau lenkto paviršiaus, kurio reikšmė yra susijusi su skysčio paviršiaus vietiniu kreivumu. Jei priartinsite plokščias indo su skysčiu sieneles, kreivumo zonos persidengs ir susidarys meniskas – visiškai išlenktas paviršius. Tokiame kapiliare, esant drėkinimui po įgaubtu menisku, slėgis sumažėja ir skystis pakyla; skysčio kolonėlės svoris yra didelis. h 0 subalansuoja kapiliarinį slėgį Dр. Esant pusiausvyrai

Paviršiaus įtempimą palyginti lengva nustatyti eksperimentiškai. Paviršiaus įtempimui nustatyti yra įvairių metodų, kurie skirstomi į statinius, pusiau statinius ir dinaminius. Statiniai metodai yra pagrįsti kapiliariniais reiškiniais, susijusiais su fazės sąsajos kreivumu.

Atsiradus paviršiaus kreivumui tarp fazių, pasikeičia vidinis kūno slėgis ir atsiranda papildomas (kapiliarinis) Laplaso slėgis. R, kurios gali padidinti arba sumažinti plokščiam paviršiui būdingą vidinį slėgį. Šis papildomas slėgis gali būti pavaizduotas kaip paviršiaus įtempimo jėgų, nukreiptų į kreivio centrą statmenai paviršiui, rezultatas. Kreivumas gali būti teigiamas ir neigiamas (2.2 pav.).

Ryžiai. 2.2. Papildomo slėgio susidarymo schema paviršiui su teigiamu (a) ir neigiamu b) kreivumas

Skysčio tūrio pokytis atsiranda dėl spontaniško paviršiaus energijos sumažėjimo ir pavertimo mechanine energija, pasikeitus kūno tūriui. Be to, (2.2) lygtyje Helmholco energijai esant pastoviai T,n,q reikėtų atsižvelgti tik į du terminus dF = -pdV + ods. Esant pusiausvyrai dF = 0, taigi pdV = ods. Šioje išraiškoje p = P- papildomas slėgis (Laplaso slėgis), lygus slėgio skirtumui tarp plokščių ir išlenktų paviršių kūno slėgio (AR):

Santykis vadinamas paviršiaus kreivumu.

Sferiniam paviršiui. Pakeičiant šią išraišką

Į papildomo slėgio lygtį gauname Laplaso lygtį:

kuriame G- kreivumo spindulys; - kreivumas arba dispersija (2.3 pav.).

Jei paviršius yra netaisyklingos formos, naudokite vidutinio kreivumo sąvoką, o Laplaso lygtis turi formą

kur Gr /*2 yra pagrindiniai kreivio spinduliai.

Ryžiai. 2.3. Kapiliarinis skysčio kilimas drėkinant (a) ir nedrėkinant (O) kapiliarų sienelės

Paviršiaus įtempimo atveju Laplaso lygtis gali būti perrašyta į formą, rodančią paviršiaus proporcingumą

įtempimas iki kapiliaro spindulio G ir spaudimas R, kurioje iš kapiliaro, panardinto į skystį, išeina dujų burbulas. Būtent šiuo proporcingumu remiasi Rebinderio eksperimentinio paviršiaus įtempimo nustatymo metodas.

Rehbinderio metodas matuoja slėgį, kuriam esant dujų burbulas išeina iš kapiliaro, panardinto į skystį. Tuo metu, kai burbulas praeina, išmatuotas slėgis bus lygus kapiliaro slėgiui, o paviršiaus kreivumo spindulys bus lygus kapiliaro spinduliui. Eksperimento metu išmatuoti kapiliaro spindulį beveik neįmanoma, todėl atliekami santykiniai matavimai: nustatomas slėgis dujų burbule, einantis per skystį, kurio paviršiaus įtempis yra žinomas (šis skystis vadinamas standartiniu), o tada slėgis. R dujų burbule, einančioje per skystį, kurio paviršiaus įtempis yra aptinkamas. Distiliuotas vanduo dažniausiai naudojamas kaip standartinis skystis, o tiksliems matavimams – dvigubas distiliatas.

Standartinio skysčio paviršiaus įtempimo ir slėgio per jį praeinančiame burbule santykis vadinamas konstanta

kapiliarinis Su žinomu paviršiaus įtempimu

(t 0 ir išmatuotas slėgis ir R standartinio ir bandomojo skysčio paviršiaus įtempis nustatomas pagal pagrindinę šio metodo skaičiavimo formulę:

Jei vertė žinoma labai tiksliai, tada nustatomas skysčio paviršiaus įtempis taip pat bus tikslus. Rebinderio metodas suteikia paviršiaus įtempimo nustatymo tikslumą iki 0,01 mJ/m 2.

Taikant kėlimo metodą, matuojamas skysčio pakilimo (arba kritimo) aukštis kapiliare ir lyginamas cc su standartinio skysčio, kurio paviršiaus įtempimas žinomas, pakilimo aukščiu (2.4 pav.).

Ryžiai. 2.4.

Kapiliarinio pakilimo priežastis yra ta, kad skystis, drėkindamas kapiliaro sieneles, suformuoja tam tikrą paviršiaus kreivumą, o atsiradęs Laplaso kapiliarinis slėgis pakelia skystį kapiliare tol, kol skysčio stulpelio svoris subalansuoja veikiančią jėgą. Skysčio pakilimas kapiliare stebimas, kai skysčio paviršiaus kreivumas yra neigiamas. Esant įgaubtam meniskui, Laplaso slėgis linkęs ištempti skystį ir jį pakelti, toks kapiliarų kilimas vadinamas teigiamu, būdingas skysčiams, kurie drėkina kapiliaro sieneles (pavyzdžiui, stiklinėje – vandens sistemoje). Priešingai, jei paviršiaus kreivumas yra teigiamas (išgaubtas meniskas), tada papildomas slėgis linkęs suspausti skystį ir stebimas jo nusileidimas kapiliare, kuris vadinamas neigiamu kapiliariniu pakilimu. Panašus reiškinys būdingas tais atvejais, kai kapiliarų sienelės nėra sudrėkintos skysčiu (pavyzdžiui, stiklo-gyvsidabrio sistemoje).

Sprendžiant pagal pav. 2.4. drėkinimas paveikia paviršiaus geometriją ir jei r yra kreivio spindulys, tai paties kapiliaro spindulys R su juo susijęs ryšys

Kur V- kontaktinis kampas (ūmus, kai kapiliarų sienelės yra sudrėkintos skysčiu). Iš paskutinio santykio matyti, kad

Pakeitę šį ryšį į (2.4) lygtį, gauname

Jei atsižvelgsime į tai, kad skysčio stulpelio slėgis lygtyje pdV = ods susijusi su jo aukščiu as mgh = V(p-p^)gh, galite gauti santykį ir tada Jurino formulė:

Kur h- skysčio pakilimo kapiliare aukštis; R- skysčio tankis; ps- jo sočiųjų garų tankis; g- gravitacijos pagreitis.

Su sąlyga, kad skysčio tankis R ir jo sočiųjų garų tankis ps nepalyginamas (R » p s) paviršiaus įtempimui galima parašyti

Supaprastinta formulė taip pat reiškia, kad indo sienelės visiškai sudrėkinamos skysčiu (cos V = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

Taikant metodą praktiškai, paviršiaus įtempis apskaičiuojamas pagal formulę

kur ir h- standartinių ir tiriamųjų skysčių kapiliaro pakilimo aukštis; r^i r- jų tankis.

Šis metodas gali būti naudojamas kaip tikslus metodas esant sąlygai cos in - konst, geriau V= 0°, o tai priimtina daugeliui skysčių be papildomų sąlygų. Eksperimente būtina naudoti plonus kapiliarus, gerai sudrėkintus skysčiu. Kapiliarinio kilimo metodas taip pat gali užtikrinti didelį paviršiaus įtempimo nustatymo tikslumą iki 0,01–0,1 mJ/m