Tensiunea superficială descrie capacitatea unui lichid de a rezista gravitației. De exemplu, apa de pe suprafața unei mese formează picături, deoarece moleculele de apă sunt atrase unele de altele, ceea ce contracarează forța gravitațională. Datorită tensiunii superficiale, obiectele mai grele, cum ar fi insectele, pot fi ținute pe suprafața apei. Tensiunea superficială se măsoară în forță (N) împărțită la unitatea de lungime (m) sau la cantitatea de energie pe unitatea de suprafață. Forța cu care interacționează moleculele de apă (forța de coeziune) provoacă tensiune, ducând la formarea de picături de apă (sau alte lichide). Tensiunea de suprafață poate fi măsurată folosind câteva elemente simple găsite în aproape fiecare casă și un calculator.

Pași

Folosind un balansoar

Scrieți ecuația pentru tensiunea superficială.În acest experiment, ecuația pentru determinarea tensiunii superficiale este următoarea: F = 2Sd, Unde F- forta in newtoni (N), S- tensiunea superficială în newtoni pe metru (N/m), d- lungimea acului folosit în experiment. Să exprimăm tensiunea superficială din această ecuație: S = F/2d.

• Forța va fi calculată la sfârșitul experimentului.
• Înainte de a începe experimentul, utilizați o riglă pentru a măsura lungimea acului în metri.

1. Construiți un culbutor mic.În acest experiment, un balansoar și un mic ac care plutește pe suprafața apei sunt folosite pentru a determina tensiunea superficială. Este necesar să luați în considerare cu atenție construcția balansoarului, deoarece precizia rezultatului depinde de aceasta. Puteți folosi diverse materiale, principalul lucru este să faceți o bară transversală orizontală din ceva dur: lemn, plastic sau carton gros.

   • Localizați centrul tijei (cum ar fi o riglă de paie sau de plastic) pe care intenționați să îl utilizați ca bară transversală și găuriți sau faceți o gaură în acea locație; acesta va fi punctul de sprijin al barei transversale pe care se va roti liber. Dacă utilizați un pai de plastic, pur și simplu împingeți-l cu un ac sau un cui.
   • Găuriți sau faceți găuri la capetele barei transversale, astfel încât acestea să fie la aceeași distanță de centru. Treceți fire prin găuri pentru a atârna paharul și acul.
   • Dacă este necesar, sprijiniți culbutorul cu cărți sau alte obiecte suficient de dure pentru a menține bara transversală orizontală. Este necesar ca bara transversală să se rotească liber în jurul unui cui sau tijă introdusă în mijlocul acesteia.

2. Luați o bucată de folie de aluminiu și rulați-o în formă de cutie sau farfurie. Nu este deloc necesar ca această farfurie să aibă forma corectă pătrată sau rotundă. Îl vei umple cu apă sau cu altă greutate, așa că asigură-te că poate suporta greutatea.

   • Atârnă o cutie de folie sau o farfurie de la un capăt al barului. Faceți găuri mici de-a lungul marginilor farfurii și treceți un fir prin ele, astfel încât farfuria să atârne de bara transversală.

3. Agățați un ac sau o agrafă de celălalt capăt al barei, astfel încât să fie orizontală. Legați un ac sau o agrafă orizontal de firul care atârnă de celălalt capăt al barei transversale. Pentru ca experimentul să aibă succes, este necesar să poziționați acul sau agrafa exact pe orizontală.

4. Puneți ceva, cum ar fi aluatul, pe bară pentru a echilibra recipientul din folie de aluminiu. Înainte de a începe experimentul, este necesar să vă asigurați că bara transversală este orizontală. Farfuria de folie este mai grea decât acul, așa că pe partea ei bara transversală va coborî. Atașați suficientă plastilină pe partea opusă a barei transversale, astfel încât să fie orizontală.

   • Aceasta se numește echilibrare.

5. Puneți un ac sau o agrafă de hârtie atârnată de un fir într-un recipient cu apă. Acest pas va necesita un efort suplimentar pentru a poziționa acul pe suprafața apei. Asigurați-vă că acul nu se scufundă în apă. Umpleți un recipient cu apă (sau alt lichid cu o tensiune superficială necunoscută) și puneți-l sub acul suspendat, astfel încât acul să fie direct pe suprafața lichidului.

   • Asigurați-vă că frânghia care ține acul rămâne pe loc și este suficient de întinsă.

6. Cântăriți câțiva ace sau o cantitate mică de picături măsurate de apă la scară mică. Veți adăuga un ac sau o picătură de apă în farfuria de aluminiu de pe culbutorul. În acest caz, este necesar să se cunoască greutatea exactă la care acul se va desprinde de pe suprafața apei.

   • Numărați numărul de ace sau picături de apă și cântăriți-le.
   • Determinați greutatea unui știft sau a unei picături de apă. Pentru a face acest lucru, împărțiți greutatea totală la numărul de ace sau picături.
   • Să presupunem că 30 de ace cântăresc 15 grame, apoi 15/30 = 0,5, adică un ace cântărește 0,5 grame.

7. Adăugați ace sau picături de apă, pe rând, în farfuria din folie de aluminiu până când știftul se ridică de pe suprafața apei. Adăugați treptat câte un ac sau picătură de apă la un moment dat. Urmăriți acul cu atenție pentru a nu rata momentul în care, după următoarea creștere a încărcăturii, acesta iese din apă. Odată ce acul părăsește suprafața lichidului, nu mai adăugați ace sau picături de apă.

   • Numărați numărul de ace sau picături de apă înainte ca acul de la capătul opus al barei să se desprindă de suprafața apei.
   • Notează rezultatul.
   • Repetați experimentul de câteva (5 sau 6) ori pentru a obține rezultate mai precise.
   • Calculați media rezultatelor obținute. Pentru a face acest lucru, adunați numărul de pini sau picături din toate experimentele și împărțiți suma la numărul de experimente.

8. Convertiți numărul de pini în putere. Pentru a face acest lucru, înmulțiți numărul de grame cu 0,00981 N/g. Pentru a calcula tensiunea superficială, trebuie să cunoașteți forța care a fost necesară pentru a ridica acul de la suprafața apei. Deoarece ați calculat greutatea știfturilor în pasul anterior, pentru a determina forța, pur și simplu înmulțiți greutatea respectivă cu 0,00981 N/g.

   • Înmulțiți numărul de ace introduse în farfurie cu greutatea unui știft. De exemplu, dacă puneți 5 ace care cântăresc 0,5 grame, greutatea lor totală va fi de 0,5 g/pin = 5 x 0,5 = 2,5 grame.
   • Înmulțiți numărul de grame cu factorul de 0,00981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

9. Înlocuiți valorile rezultate în ecuație și găsiți valoarea dorită. Folosind rezultatele obținute în timpul experimentului, se poate determina tensiunea superficială. Pur și simplu introduceți valorile găsite și calculați rezultatul.

   • Să presupunem că în exemplul de mai sus, lungimea acului este de 0,025 metri. Inlocuim valorile in ecuatie si obtinem: S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Astfel, tensiunea superficială a lichidului este de 0,05 N/m.

DEFINIȚIE

Coeficientul de tensiune superficială este o mărime fizică egală numeric cu forța de tensiune superficială care acționează asupra unei linii de rupere de unitate de lungime. Acesta este așa-numitul sens dinamic al coeficientului de tensiune superficială. Coeficientul de tensiune superficială este desemnat cu litera . Apoi scriem determinarea dinamică a coeficientului de tensiune superficială sub formă de formulă:

unde este modulul forței de tensiune superficială care acționează asupra liniei de discontinuitate a suprafeței. Este îndreptată tangenţial la interfaţa dintre cele două faze în direcţia de reducere a suprafeţei şi normal la linia de discontinuitate. — lungimea liniei de rupere a suprafeței.

Există o altă definiție a coeficientului de tensiune superficială - energia. Se pornește de la faptul că, dacă suprafața unui lichid crește, atunci un anumit număr de molecule din volumul său se ridică la stratul de suprafață. În acest scop, forțele externe efectuează lucru () împotriva forțelor de coeziune ale moleculelor. Mărimea acestei lucrări va fi proporțională cu modificarea suprafeței lichidului ():

unde coeficientul de proporționalitate este coeficientul de tensiune superficială.

Apoi, coeficientul de tensiune superficială poate fi definit ca o mărime fizică egală cu munca necesară pentru a crește suprafața lichidului în timpul unui proces izoterm, nu unitate:

Coeficientul de tensiune superficială este o mărime fizică pozitivă ( title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="45" style="vertical-align: 0px;">).!}

Moleculele stratului de suprafață al unui lichid au energie potențială în exces în comparație cu moleculele straturilor interioare. Energia potențială a stratului de suprafață poate fi calculată ca:

unde S este aria suprafeței lichidului.

Proprietățile coeficientului de tensiune de suprafață

Pentru lichidele pure, pe măsură ce temperatura crește, coeficientul de tensiune superficială scade.

Mărimea coeficientului este legată de forțele interacțiunii intermoleculare. Poate căpăta înțelesuri diferite. Lichidele volatile (se evaporă ușor) au mai puține lichide decât cele nevolatile.

Coeficientul de tensiune superficială al apei depinde de concentrația de impurități din aceasta. Astfel, atunci când în apă se adaugă substanțe biologic active (pastă, săpun), tensiunea superficială a apei scade.

Coeficientul de tensiune superficială poate fi găsit folosind capilare. Pentru a face acest lucru, capilarul este coborât într-un vas cu apă și se măsoară înălțimea creșterii lichidului (h). În acest caz, coeficientul se găsește folosind formula:

unde este densitatea lichidului, este raza capilarului, este unghiul de contact și este accelerația gravitației.

În general, tensiunea superficială există la interfața dintre solide, lichide și gaze. Dar mai des iau în considerare tensiunea de suprafață la interfața gaz-lichid.

Coeficientul de tensiune superficială este inclus în binecunoscuta formulă Laplace, care determină presiunea suplimentară () care provoacă curbura suprafeței lichidului:

unde și sunt razele de curbură a două secțiuni reciproc perpendiculare ale suprafeței lichidului.

Unități

Unitatea de măsură SI de bază pentru coeficientul de tensiune superficială este:

N/m = J/m2

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu	Care este diferența de niveluri de lichid în două capilare comunicante cu neumezire completă, dacă diametrele interne ale capilarelor sunt egale și?
Soluţie	Înălțimea lichidului care se ridică în capilar poate fi calculată folosind formula: În funcție de condițiile problemei, avem neumezire completă; prin urmare, considerăm unghiul de contact egal cu . Apoi, înălțimea la care se ridică lichidul în primul capilar este egală cu: în al doilea capilar: Diferența de niveluri de lichid în capilare este egală cu:
Răspuns

Parte principală.

Pentru a înțelege proprietățile și modelele de bază ale stării lichide a unei substanțe, este necesar să se ia în considerare următoarele aspecte:

Structura lichidului. Mișcarea moleculelor lichide.

Un lichid este ceva care poate curge.

Așa-numita ordin de rază scurtă este observată în aranjamentul particulelor lichide. Aceasta înseamnă că, în ceea ce privește orice particulă, locația celor mai apropiați vecini este ordonată.

Cu toate acestea, pe măsură ce te îndepărtezi de o anumită particulă, aranjarea altor particule în raport cu aceasta devine din ce în ce mai puțin ordonată și destul de repede ordinea în aranjamentul particulelor dispare complet.

Moleculele lichide se mișcă mult mai liber decât moleculele solide, deși nu la fel de liber ca moleculele de gaz.

Fiecare moleculă de lichid se mișcă ici și colo o vreme, fără să se îndepărteze, totuși, de vecinii săi. Dar, din când în când, o moleculă lichidă iese din mediul său și se mută în alt loc, ajungând într-un mediu nou, unde din nou de ceva timp efectuează mișcări similare cu vibrația. Realizări semnificative în dezvoltarea unui număr de probleme în teoria stării lichide aparțin savantului sovietic Ya. I. Frenkel.

Potrivit lui Frenkel, mișcarea termică în lichide are următorul caracter. Fiecare moleculă oscilează în jurul unei anumite poziții de echilibru pentru un timp. Din când în când, o moleculă își schimbă locul de echilibru, deplasându-se brusc într-o nouă poziție, separată de cea anterioară printr-o distanță de ordinul mărimii moleculelor înseși. Adică, moleculele se mișcă lent în interiorul lichidului, rămânând o parte din timp în apropierea unor locuri.Astfel, mișcarea moleculelor lichide este ceva ca un amestec de mișcări într-un solid și într-un gaz: mișcarea oscilativă într-un loc este înlocuită. printr-o trecere liberă dintr-un loc în altul.

Presiunea fluidului

Experiența de zi cu zi ne învață că lichidele acționează cu forțe cunoscute pe suprafața corpurilor solide în contact cu acestea. Aceste forțe se numesc forțe de presiune a fluidului.

Când acoperim cu degetul deschiderea unui robinet de apă deschis, simțim presiunea lichidului pe degetul nostru. Durerea de ureche resimțită de un înotător care s-a scufundat la adâncimi mari este cauzată de forțele presiunii apei asupra timpanului. Termometrele pentru măsurarea temperaturii în mare adâncime trebuie să fie foarte rezistente, astfel încât presiunea apei să nu le zdrobească.

Presiunea într-un lichid este cauzată de o modificare a volumului său - compresie. Lichidele sunt elastice în raport cu modificările de volum. Forțele elastice într-un lichid sunt forțe de presiune. Astfel, dacă un lichid acţionează cu forţe de presiune asupra corpurilor în contact cu el, aceasta înseamnă că este comprimat. Deoarece densitatea unei substanțe crește în timpul compresiei, putem spune că lichidele au elasticitate în raport cu modificările densității.

Presiunea dintr-un lichid este perpendiculară pe orice suprafață plasată în lichid. Presiunea din lichid la adâncimea h este egală cu suma presiunii de la suprafață și o valoare proporțională cu adâncimea:

Datorita faptului ca lichidele pot transmite presiune statica, aproape nu mai mica decat densitatea lor, ele pot fi folosite in aparate care ofera un avantaj ca rezistenta: o presa hidraulica.

Legea lui Arhimede

Forțele de presiune acționează pe suprafața unui corp solid scufundat într-un lichid. Deoarece presiunea crește odată cu adâncimea de scufundare, forțele de presiune care acționează asupra părții inferioare a lichidului și îndreptate în sus sunt mai mari decât forțele care acționează asupra părții superioare și îndreptate în jos și ne putem aștepta ca rezultanta forțelor de presiune să fie direcționată. în sus. Rezultanta forțelor de presiune asupra unui corp scufundat într-un lichid se numește forța de susținere a lichidului.

Dacă un corp scufundat într-un lichid este lăsat singur, se va scufunda, rămâne în echilibru sau pluti la suprafața lichidului, în funcție de faptul că forța de susținere este mai mică, egală sau mai mare decât forța de gravitația care acționează asupra corpului.

Legea lui Arhimede spune că un corp într-un lichid este supus unei forțe de flotare în sus egală cu greutatea lichidului deplasat. Un corp scufundat într-un lichid este supus unei forțe de plutire (numită forță Arhimede)

unde ρ este densitatea lichidului (gazului), este accelerația căderii libere și V- volumul corpului scufundat (sau partea din volum a corpului situată sub suprafață).

Dacă un corp scufundat într-un lichid este suspendat de o cântar, atunci cântarul arată diferența dintre greutatea corpului în aer și greutatea lichidului deplasat. Prin urmare, legii lui Arhimede i se dă uneori următoarea formulare: un corp scufundat într-un lichid pierde în greutate la fel de mult ca și greutatea lichidului deplasat de acesta.

Este interesant de observat un astfel de fapt experimental că, aflându-se în interiorul unui alt lichid cu greutate specifică mai mare, lichidul, conform legii lui Arhimede, își „pierde” din greutate și capătă forma sa naturală, sferică.

Evaporare

In stratul superficial si in apropierea suprafetei lichidului actioneaza forte care asigura existenta suprafetei si nu permit ca moleculele sa paraseasca din volumul lichidului. Datorită mișcării termice, unele dintre molecule au viteze suficient de mari pentru a depăși forțele care țin moleculele în lichid și a părăsi lichidul. Acest fenomen se numește evaporare. Se observă la orice temperatură, dar intensitatea sa crește odată cu creșterea temperaturii.

Dacă moleculele care au părăsit lichidul sunt îndepărtate din spațiul de lângă suprafața lichidului, atunci în cele din urmă tot lichidul se va evapora. Dacă moleculele care au lăsat lichidul nu sunt îndepărtate, ele formează abur. Moleculele de vapori care intră în zona din apropierea suprafeței lichidului sunt atrase în lichid de forțele atractive. Acest proces se numește condensare.

Astfel, dacă moleculele nu sunt îndepărtate, viteza de evaporare scade cu timpul. Cu o creștere suplimentară a densității vaporilor, se ajunge la o situație în care numărul de molecule care părăsesc lichidul într-un anumit timp va fi egal cu numărul de molecule care se întorc în lichid în același timp. Are loc o stare de echilibru dinamic. Vaporii în stare de echilibru dinamic cu lichidul se numesc saturati.

Odată cu creșterea temperaturii, densitatea și presiunea vaporilor saturați cresc. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât mai multe molecule lichide au suficientă energie pentru a se evapora și cu atât densitatea vaporilor trebuie să fie mai mare pentru ca condensarea să egaleze evaporarea.

Fierbere

Când, la încălzirea unui lichid, se atinge o temperatură la care presiunea vaporilor saturați este egală cu presiunea exterioară, se stabilește echilibrul între lichid și vaporii saturați. Când o cantitate suplimentară de căldură este transmisă lichidului, masa corespunzătoare de lichid se transformă imediat în abur. Acest proces se numește fierbere.

Fierberea este evaporarea intensă a unui lichid, care are loc nu numai de la suprafață, ci în întregul său volum, în interiorul bulelor de vapori rezultate. Pentru a trece de la lichid la vapori, moleculele trebuie să dobândească energia necesară pentru a depăși forțele atractive care le țin în lichid. De exemplu, pentru a evapora 1 g de apă la o temperatură de 100 ° C și o presiune corespunzătoare presiunii atmosferice la nivelul mării, este necesar să se cheltuiască 2258 J, dintre care 1880 sunt folosiți pentru a separa moleculele de lichid, iar restul sunt folosite pentru a crește volumul ocupat de sistem, împotriva forțelor presiunii atmosferice (1 g de vapori de apă la 100 ° C și presiune normală ocupă un volum de 1,673 cm 3, în timp ce 1 g de apă în aceleași condiții - doar 1,04 cm 3).

Punctul de fierbere este temperatura la care presiunea vaporilor saturați devine egală cu presiunea exterioară. Pe măsură ce presiunea crește, punctul de fierbere crește, iar pe măsură ce presiunea scade, aceasta scade.

Datorită modificării presiunii în lichid cu înălțimea coloanei sale, fierberea la diferite niveluri în lichid are loc, strict vorbind, la diferite temperaturi. Doar aburul saturat deasupra suprafeței unui lichid care fierbe are o anumită temperatură. Temperatura sa este determinată numai de presiunea externă. Aceasta este temperatura la care se înțelege atunci când vorbim despre punctul de fierbere.

Punctele de fierbere ale diferitelor lichide diferă foarte mult unele de altele, iar acest lucru este utilizat pe scară largă în tehnologie, de exemplu, în distilarea produselor petroliere.

Cantitatea de căldură care trebuie furnizată pentru a transforma izoterm o anumită cantitate de lichid în vapori, la o presiune externă egală cu presiunea vaporilor săi saturati, se numește căldură latentă de vaporizare. Această valoare este de obicei denumită un gram sau o molă. Cantitatea de căldură necesară pentru evaporarea izotermă a unui mol de lichid se numește căldură latentă molară de vaporizare. Dacă această valoare este împărțită la greutatea moleculară, se obține căldura latentă specifică de vaporizare.

Tensiunea superficială a unui lichid

Proprietatea unui lichid de a-și reduce suprafața la minim se numește tensiune superficială. Tensiunea superficială este un fenomen de presiune moleculară asupra unui lichid, cauzat de atracția moleculelor din stratul de suprafață către moleculele din interiorul lichidului. Pe suprafața unui lichid, moleculele experimentează forțe care nu sunt simetrice. În medie, o moleculă situată în interiorul unui lichid este supusă unei forțe de atracție și aderență a vecinilor săi uniform pe toate părțile. Dacă suprafața lichidului crește, moleculele se vor mișca împotriva forțelor de reținere. Astfel, forța care tinde să contracteze suprafața lichidului acționează în direcția opusă forței exterioare care întinde suprafața. Această forță se numește tensiune superficială și se calculează prin formula:

Coeficient de tensiune superficială ()

Lungimea limitei suprafeței lichide

Vă rugăm să rețineți că lichidele care se evaporă ușor (eter, alcool) au o tensiune superficială mai mică decât lichidele nevolatile (mercur). Tensiunea superficială a hidrogenului lichid și, în special, a heliului lichid este foarte scăzută. În metalele lichide, tensiunea superficială, dimpotrivă, este foarte mare. Diferența de tensiune superficială a lichidelor se explică prin diferența dintre forțele de adeziv ale diferitelor molecule.

Măsurătorile tensiunii superficiale a unui lichid arată că tensiunea superficială depinde nu numai de natura lichidului, ci și de temperatura acestuia: odată cu creșterea temperaturii, diferența de densități lichidului scade și, prin urmare, coeficientul de tensiune superficială - scade.

Datorită tensiunii superficiale, orice volum de lichid tinde să-și reducă suprafața, reducându-și astfel energia potențială. Tensiunea superficială este una dintre forțele elastice responsabile de mișcarea ondulațiilor în apă. În umflături, gravitația de suprafață și tensiunea superficială trag particulele de apă în jos, încercând să facă suprafața netedă din nou.

Filme lichide

Toată lumea știe cât de ușor este să obții spumă din apa cu săpun. Spuma este un set de bule de aer delimitate de o peliculă subțire de lichid. Un film separat poate fi obținut cu ușurință dintr-un lichid care formează spumă.

Aceste filme sunt foarte interesante. Pot fi extrem de subțiri: în părțile cele mai subțiri grosimea lor nu depășește o sută de miimi de milimetru. În ciuda subțirii lor, sunt uneori foarte rezistente. Filmul de săpun poate fi întins și deformat, iar un curent de apă poate curge prin pelicula de săpun fără a o distruge.

Cum putem explica stabilitatea filmelor? O condiție indispensabilă pentru formarea unui film este adăugarea de substanțe care se dizolvă în el într-un lichid curat, în plus, cele care reduc foarte mult tensiunea superficială.

În natură și tehnologie, de obicei întâlnim nu filme individuale, ci o colecție de filme - spumă. Puteți vedea adesea în pâraie, unde pâraiele mici cad în apă calmă, formarea abundentă de spumă. În acest caz, capacitatea apei de a spuma este asociată cu prezența unei substanțe organice speciale în apă, eliberată din rădăcinile plantelor. Echipamentele de construcții folosesc materiale care au o structură celulară, cum ar fi spuma. Astfel de materiale sunt ieftine, ușoare, nu conduc căldura și sunetul bine și sunt destul de durabile. Pentru a le realiza, la soluțiile din care se formează materialele de construcție se adaugă substanțe care favorizează spumarea.

Udarea

Picături mici de mercur așezate pe o placă de sticlă capătă o formă sferică. Acesta este rezultatul forțelor moleculare care tind să reducă suprafața lichidului. Mercurul plasat pe suprafața unui solid nu formează întotdeauna picături rotunde. Se întinde pe placa de zinc, iar suprafața totală a picăturii va crește fără îndoială.

O picătură de anilină are și o formă sferică numai atunci când nu atinge peretele vasului de sticlă. De îndată ce atinge peretele, se lipește imediat de sticlă, întinzându-se peste el și dobândind o suprafață totală mare.

Acest lucru se explică prin faptul că, în cazul contactului cu un corp solid, forțele de aderență dintre moleculele lichide și moleculele solide încep să joace un rol semnificativ. Comportamentul unui lichid va depinde de care este mai mare: coeziunea dintre moleculele lichide sau coeziunea unei molecule lichide cu o moleculă solidă. În cazul mercurului și sticlei, forțele adezive dintre mercur și moleculele de sticlă sunt mici în comparație cu forțele adezive dintre moleculele de mercur, iar mercurul se adună într-o picătură.

Acest lichid se numește neumezitoare solid. În cazul mercurului și zincului, forțele de coeziune dintre moleculele lichidului și solidului depășesc forțele de coeziune care acționează între moleculele lichidului, iar lichidul se răspândește peste solid. În acest caz lichidul se numește umezire solid.

Rezultă că atunci când vorbim despre suprafața unui lichid, trebuie să ne referim nu numai la suprafața unde lichidul se învecinează cu aerul, ci și la suprafața care mărginește alte lichide sau un corp solid.

În funcție de faptul că lichidul udă sau nu pereții vasului, forma suprafeței lichidului în punctul de contact cu peretele solid și gazul are o formă sau alta. În cazul neumezirii, forma suprafeței lichidului de la margine este rotundă și convexă. Când este umezit, lichidul de la margine capătă o formă concavă.

Fenomene capilare

În viață, avem de-a face adesea cu corpuri pătrunse de multe canale mici (hârtie, fire, piele, diverse materiale de construcție, pământ, lemn). Atunci când astfel de corpuri intră în contact cu apa sau alte lichide, ele le absorb adesea. Aceasta este baza pentru acțiunea unui prosop la uscarea mâinilor, acțiunea unui fitil într-o lampă cu kerosen etc. Fenomene similare pot fi observate și în tuburile înguste de sticlă. Tuburile înguste se numesc tuburi capilare sau capilare.

Când un astfel de tub este scufundat la un capăt într-un vas larg într-un vas larg, se întâmplă următoarele: dacă lichidul udă pereții tubului, atunci se va ridica peste nivelul lichidului din vas și, în plus, cu cât tubul este mai îngust; dacă lichidul nu udă pereții, atunci, dimpotrivă, nivelul lichidului din tub este setat mai jos decât într-un vas larg. Se numește modificarea înălțimii nivelului lichidului în tuburi înguste sau goluri capilaritate.În sens larg, fenomene capilare înseamnă toate fenomenele cauzate de existența tensiunii superficiale.

Înălțimea creșterii lichidului în tuburile capilare depinde de raza canalului din tub, de tensiunea superficială și de densitatea lichidului. Între lichidul din capilar și din vasul larg se stabilește o astfel de diferență de nivel h astfel încât presiunea hidrostatică rgh să echilibreze presiunea capilară:

unde s este tensiunea superficială a lichidului

R este raza capilarului.

Înălțimea lichidului care se ridică într-un capilar este proporțională cu tensiunea superficială a acestuia și invers proporțională cu raza canalului capilar și cu densitatea lichidului (legea lui Jurin)

Picurare, picurare... O altă picătură adunată pe gura robinetului, s-a umflat și a căzut. Această imagine este familiară tuturor. Sau o ploaie caldă de vară udă solul tânjind după umiditate - și din nou există picături. De ce picături? Care este motivul aici? Este foarte simplu: motivul pentru aceasta este tensiunea superficială a apei.

Aceasta este una dintre proprietățile apei sau, mai general, ale tuturor lichidelor. După cum știți, gazul umple întregul volum în care intră, dar lichidul nu poate face acest lucru. Moleculele situate în interiorul unui volum de apă sunt înconjurate de aceleași molecule pe toate părțile. Dar cele de la suprafață, la limita lichidului și gazului, nu sunt afectate din toate părțile, ci doar de acele molecule care se află în interiorul volumului; ele nu sunt afectate de gaz.

În acest caz, pe suprafața lichidului va acționa o forță, îndreptată de-a lungul acestuia perpendicular pe porțiunea de suprafață pe care acționează. Ca urmare a acestei forțe, apare tensiunea superficială a apei. Manifestarea sa externă va fi formarea a ceva ca o peliculă elastică invizibilă la interfață. Datorită influenței tensiunii superficiale, o picătură de apă va lua forma unei sfere ca un corp care are cea mai mică suprafață pentru un volum dat.

Acum putem defini că tensiunea superficială este munca efectuată pentru a schimba suprafața unui lichid. Pe de altă parte, poate fi definită ca energia necesară pentru a sparge o unitate de suprafață. Tensiunea superficială este posibilă la interfața dintre lichid și gaz. Este determinată de forța care acționează între molecule și, prin urmare, responsabilă de volatilitate (evaporare). Cu cât tensiunea superficială este mai mică, cu atât lichidul va fi mai volatil.

Puteți determina cu ce este egal.Formula de calcul include aria suprafeței și După cum am menționat mai devreme, coeficientul nu depinde de forma și dimensiunea suprafeței, ci este determinat de puterea interacțiunii intermoleculare, adică. tip de lichid. Pentru diferite lichide valoarea sa va fi diferită.

Tensiunea superficială a apei poate fi modificată. Acest lucru se realizează prin încălzire, adăugând substanțe biologic active - cum ar fi săpun, pulbere, pastă. Valoarea sa depinde de gradul de puritate al apei. Cu cât apa este mai pură, cu atât tensiunea superficială este mai mare, iar valoarea acesteia este a doua după mercur.

Un efect curios se observă atunci când un lichid intră în contact atât cu un solid, cât și cu un gaz. Dacă aplicăm o picătură de apă pe suprafața de parafină, aceasta va lua forma unei mingi. Acest lucru se datorează faptului că forțele care acționează între parafină și picătură sunt mai mici decât interacțiunea dintre ele, în urma căreia apare o minge. Când forțele care acționează între suprafață și picătură sunt mai mari decât forțele interacțiunii intermoleculare, apa se va răspândi uniform pe suprafață. Acest fenomen se numește umezire.

Efectul de umectare poate caracteriza într-o oarecare măsură gradul de curățenie a suprafeței. Pe o suprafață curată, picătura se întinde uniform, iar dacă suprafața este murdară sau acoperită cu o substanță care nu este umezită de apă, aceasta din urmă se adună în bile.

Un exemplu de utilizare a tensiunii superficiale în industrie este turnarea pieselor sferice, cum ar fi granulele de pușcă. Picăturile de metal topit pur și simplu îngheață din zbor, luând o formă sferică.

Tensiunea superficială a apei, ca orice alt lichid, este unul dintre parametrii săi importanți. Determină unele caracteristici ale lichidului, cum ar fi volatilitatea (evaporarea) și umectarea. Valoarea sa depinde numai de parametrii interacțiunii intermoleculare.

În § 7.1 Au fost luate în considerare experimentele care indică tendința de contractare a suprafeței lichidului. Această contracție este cauzată de tensiunea superficială.

Forța care acționează de-a lungul suprafeței unui lichid perpendicular pe linia care limitează această suprafață și tinde să o reducă la minim se numește forța tensiunii superficiale.

Măsurarea tensiunii de suprafață

Pentru a măsura forța tensiunii superficiale, să facem următorul experiment. Luați un cadru de sârmă dreptunghiular, din care o parte AB lungime l se poate deplasa cu frecare redusă într-un plan vertical. Prin scufundarea cadrului într-un vas cu o soluție de săpun, obținem o peliculă de săpun pe el (Fig. 7.11, a). De îndată ce scoatem cadrul din soluția de săpun, firul AB va începe imediat să se miște. Filmul de săpun își va micșora suprafața. Prin urmare, pe amânare AB există o forță îndreptată perpendicular pe fir spre film. Aceasta este forța tensiunii superficiale.

Pentru a preveni mișcarea firului, trebuie să-i aplicați o anumită forță. Pentru a crea această forță, puteți atașa un arc moale la sârmă, atașat la baza trepiedului (vezi Fig. 7.11, o). Forța elastică a arcului împreună cu forța gravitațională care acționează asupra sârmei se vor adăuga la forța rezultantă Pentru ca firul să fie echilibrat, este necesar ca egalitatea
, Unde - forța de tensiune superficială care acționează asupra firului de pe una dintre suprafețele filmului (Fig. 7.11, b).

De aici
.

De ce depinde forța tensiunii superficiale?

Dacă firul este mutat în jos la o distanţă h, apoi forța externă F 1 = 2 F va face treaba

(7.4.1)

Conform legii conservării energiei, această muncă este egală cu modificarea energiei (în acest caz, suprafața) filmului. Energia de suprafață inițială a zonei filmului de săpun S 1 egal cu U P 1 = = 2σS 1 , întrucât filmul are două suprafeţe ale aceleiaşi zone. Energia finală de suprafață

Unde S 2 - zona filmului după mutarea firului la o distanță h. Prin urmare,

(7.4.2)

Echivalând părțile din dreapta ale expresiilor (7.4.1) și (7.4.2), obținem:

De aici forța de tensiune superficială care acționează asupra limitei stratului de suprafață cu o lungime l, este egal cu:

(7.4.3)

Forța de tensiune superficială este direcționată tangențial la suprafață perpendicular pe limita stratului de suprafață (perpendicular pe fir ABîn acest caz, vezi fig. 7.11, a).

Măsurarea coeficientului de tensiune de suprafață

Există multe moduri de a măsura tensiunea superficială a lichidelor. De exemplu, tensiunea superficială a poate fi determinată utilizând configurația prezentată în Figura 7.11. Vom lua în considerare o altă metodă care nu pretinde o precizie mai mare a rezultatului măsurării.

Să atașăm un fir de cupru la dinamometrul sensibil, îndoit așa cum se arată în Figura 7.12, a. Puneți un vas cu apă sub sârmă, astfel încât sârma să atingă suprafața apei (Fig. 7.12, b)și „lipsit” de ea. Vom coborî acum încet vasul cu apă (sau, ceea ce este la fel, ridicăm dinamometrul cu firul). Vom vedea că pelicula de apă care o învăluie se ridică odată cu firul, iar citirea dinamometrului crește treptat. Acesta atinge valoarea maximă în momentul ruperii peliculei de apă și „separarii” firului de apă. Dacă îi scadeți greutatea din citirile dinamometrului în momentul în care firul se desprinde, obțineți forța F, egal cu dublul forței de tensiune superficială (pelicula de apă are două suprafețe):

Unde l - lungimea firului.

Cu o lungime a firului 1 = 5 cm și o temperatură de 20 °C, forța este egală cu 7,3 10 -3 N. Atunci

Rezultatele măsurătorilor tensiunilor superficiale ale unor lichide sunt prezentate în Tabelul 4.

Tabelul 4

Din Tabelul 4 este clar că lichidele care se evaporă ușor (eter, alcool) au o tensiune superficială mai mică decât lichidele nevolatile, cum ar fi mercurul. Hidrogenul lichid și în special heliul lichid au tensiune superficială foarte scăzută. În metalele lichide, tensiunea superficială, dimpotrivă, este foarte mare.

Diferența de tensiune superficială a lichidelor se explică prin diferența dintre forțele interacțiunii intermoleculare.