Povrchové napätie opisuje schopnosť kvapaliny odolávať gravitácii. Napríklad voda na povrchu stola tvorí kvapôčky, pretože molekuly vody sa navzájom priťahujú, čo pôsobí proti gravitačnej sile. Práve vďaka povrchovému napätiu sa na vodnej hladine udržia ťažšie predmety, ako napríklad hmyz. Povrchové napätie sa meria v sile (N) vydelenej jednotkou dĺžky (m) alebo množstvom energie na jednotku plochy. Sila, s ktorou molekuly vody interagujú (kohézna sila), spôsobuje napätie, čo vedie k tvorbe kvapiek vody (alebo iných kvapalín). Povrchové napätie je možné merať pomocou niekoľkých jednoduchých položiek, ktoré nájdete takmer v každej domácnosti, a pomocou kalkulačky.

Kroky

Pomocou vahadla

Napíšte rovnicu pre povrchové napätie. V tomto experimente je rovnica na určenie povrchového napätia nasledovná: F = 2Sd, Kde F- sila v newtonoch (N), S- povrchové napätie v newtonoch na meter (N/m), d- dĺžka ihly použitej v experimente. Vyjadrime povrchové napätie z tejto rovnice: S = F/2d.

• Sila sa vypočíta na konci experimentu.
• Pred začatím experimentu zmerajte pomocou pravítka dĺžku ihly v metroch.

1. Zostrojte malé vahadlo. V tomto experimente sa na určenie povrchového napätia používa vahadlo a malá ihla, ktorá pláva na hladine vody. Je potrebné starostlivo zvážiť konštrukciu vahadla, pretože od toho závisí presnosť výsledku. Môžete použiť rôzne materiály, hlavnou vecou je vytvoriť vodorovnú priečku z niečoho tvrdého: dreva, plastu alebo hrubej lepenky.

   • Nájdite stred tyče (napríklad slamku alebo plastové pravítko), ktorý chcete použiť ako priečku, a na tomto mieste vyvŕtajte alebo vyvŕtajte otvor; toto bude oporný bod priečnika, na ktorom sa bude voľne otáčať. Ak používate plastovú slamku, jednoducho ju prepichnite špendlíkom alebo klincom.
   • Vyvŕtajte alebo vypichnite otvory na koncoch priečnika tak, aby boli v rovnakej vzdialenosti od stredu. Prevlečte nite cez otvory na zavesenie závažia a ihly.
   • V prípade potreby podoprite vahadlo knihami alebo inými dostatočne tvrdými predmetmi, aby bola hrazda vodorovne. Je potrebné, aby sa priečka voľne otáčala okolo klinca alebo tyče vloženej do jej stredu.

2. Vezmite kúsok hliníkovej fólie a zrolujte ju do tvaru škatule alebo taniera. Vôbec nie je potrebné, aby táto podšálka mala správny štvorcový alebo okrúhly tvar. Naplníte ho vodou alebo inou záťažou, takže sa uistite, že unesie váhu.

   • Na jeden koniec tyče zaveste fóliovú škatuľu alebo tanierik. Po okrajoch tanierika urobte malé otvory a prevlečte cez ne niť tak, aby tanierik visel na priečke.

3. Zaveste ihlu alebo kancelársku sponku z druhého konca tyče tak, aby bola vodorovne. Vodorovne priviažte ihlu alebo kancelársku sponku k nite, ktorá visí na druhom konci priečnika. Aby bol experiment úspešný, je potrebné umiestniť ihlu alebo kancelársku sponku presne vodorovne.

4. Položte niečo, napríklad cesto na hranie, na tyč, aby ste vyvážili nádobu z hliníkovej fólie. Pred začatím experimentu je potrebné zabezpečiť, aby bola priečka vodorovná. Fóliová podšálka je ťažšia ako ihla, takže na jej strane pôjde priečnik dole. Na opačnú stranu priečnika pripevnite dostatok plastelínu tak, aby bol vodorovný.

   • Toto sa nazýva vyváženie.

5. Vložte ihlu alebo kancelársku sponku visiacu na nite do nádoby s vodou. Tento krok bude vyžadovať dodatočné úsilie na umiestnenie ihly na hladinu vody. Dbajte na to, aby sa ihla neponorila do vody. Naplňte nádobu vodou (alebo inou kvapalinou s neznámym povrchovým napätím) a umiestnite ju pod závesnú ihlu tak, aby bola ihla priamo na povrchu kvapaliny.

   • Uistite sa, že lano, ktoré drží ihlu, zostáva na mieste a je dostatočne napnuté.

6. Odvážte niekoľko špendlíkov alebo malé množstvo odmeraných kvapiek vody na malej váhe. Do hliníkovej podšálky na vahadle pridáte jeden špendlík alebo kvapku vody. V tomto prípade je potrebné poznať presnú hmotnosť, pri ktorej sa ihla odlepí od hladiny vody.

   • Spočítajte počet špendlíkov alebo kvapiek vody a odvážte ich.
   • Určte hmotnosť jedného špendlíka alebo kvapky vody. Za týmto účelom vydeľte celkovú hmotnosť počtom kolíkov alebo kvapiek.
   • Povedzme, že 30 kolíkov váži 15 gramov, potom 15/30 = 0,5, to znamená, že jeden kolík váži 0,5 gramu.

7. Pridajte špendlíky alebo kvapky vody, jeden po druhom, do taniera z hliníkovej fólie, kým sa špendlík nezdvihne z povrchu vody. Postupne pridávajte po jednom špendlíku alebo kvapke vody. Pozorne sledujte ihlu, aby ste nepremeškali moment, keď po ďalšom zvýšení záťaže zíde z vody. Keď ihla opustí povrch kvapaliny, prestaňte pridávať špendlíky alebo kvapky vody.

   • Spočítajte počet špendlíkov alebo kvapiek vody predtým, ako sa ihla na opačnom konci tyče odtrhne od hladiny vody.
   • Zapíšte výsledok.
   • Opakujte experiment niekoľkokrát (5 alebo 6) krát, aby ste získali presnejšie výsledky.
   • Vypočítajte priemer zo získaných výsledkov. Ak to chcete urobiť, spočítajte počet špendlíkov alebo kvapiek vo všetkých pokusoch a vydeľte súčet počtom pokusov.

8. Preveďte počet kolíkov na silu. Na tento účel vynásobte počet gramov číslom 0,00981 N/g. Na výpočet povrchového napätia potrebujete poznať silu, ktorá bola potrebná na zdvihnutie ihly z hladiny vody. Keďže ste v predchádzajúcom kroku vypočítali hmotnosť kolíkov, na určenie sily jednoducho vynásobte túto hmotnosť koeficientom 0,00981 N/g.

   • Vynásobte počet kolíkov umiestnených v tanieriku hmotnosťou jedného kolíka. Napríklad, ak vložíte 5 špendlíkov s hmotnosťou 0,5 gramu, ich celková hmotnosť bude 0,5 g/špendlík = 5 x 0,5 = 2,5 gramu.
   • Vynásobte počet gramov koeficientom 0,00981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

9. Dosaďte výsledné hodnoty do rovnice a nájdite požadovanú hodnotu. Pomocou výsledkov získaných počas experimentu je možné určiť povrchové napätie. Jednoducho vložte nájdené hodnoty a vypočítajte výsledok.

   • Povedzme, že vo vyššie uvedenom príklade je dĺžka ihly 0,025 metra. Hodnoty dosadíme do rovnice a dostaneme: S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Povrchové napätie kvapaliny je teda 0,05 N/m.

DEFINÍCIA

Koeficient povrchového napätia je fyzikálna veličina, ktorá sa číselne rovná sile povrchového napätia, ktorá pôsobí na lomovú čiaru jednotkovej dĺžky. Ide o takzvaný dynamický význam koeficientu povrchového napätia. Koeficient povrchového napätia je označený písmenom . Potom zapíšeme dynamické určenie koeficientu povrchového napätia ako vzorec:

kde je modul sily povrchového napätia, ktorá pôsobí na čiaru diskontinuity povrchu. Smeruje tangenciálne k rozhraniu medzi dvoma fázami v smere zmenšovania povrchovej plochy a kolmo na čiaru diskontinuity. — dĺžka čiary zlomu povrchu.

Existuje ďalšia definícia koeficientu povrchového napätia - energie. Vychádza zo skutočnosti, že ak sa povrch kvapaliny zväčší, určitý počet molekúl z jej objemu stúpa na povrchovú vrstvu. Za týmto účelom vykonávajú vonkajšie sily prácu () proti kohéznym silám molekúl. Veľkosť tejto práce bude úmerná zmene plochy povrchu kvapaliny ():

kde koeficient úmernosti je koeficient povrchového napätia.

Potom možno koeficient povrchového napätia definovať ako fyzikálne množstvo rovnajúce sa práci, ktorá je potrebná na zväčšenie plochy povrchu kvapaliny počas izotermického procesu, nie ako jednota:

Koeficient povrchového napätia je kladná fyzikálna veličina ( title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="45" style="vertical-align: 0px;">).!}

Molekuly povrchovej vrstvy kvapaliny majú prebytok potenciálnej energie v porovnaní s molekulami vnútorných vrstiev. Potenciálnu energiu povrchovej vrstvy možno vypočítať ako:

kde S je plocha povrchu kvapaliny.

Vlastnosti koeficientu povrchového napätia

V prípade čistých kvapalín so zvyšujúcou sa teplotou koeficient povrchového napätia klesá.

Veľkosť koeficientu súvisí so silami medzimolekulovej interakcie. Môže nadobudnúť rôzne významy. Prchavé (ľahko sa odparujúce) kvapaliny majú menej ako neprchavé kvapaliny.

Koeficient povrchového napätia vody závisí od koncentrácie nečistôt v nej. Keď sa teda do vody pridávajú biologicky aktívne látky (pasta, mydlo), povrchové napätie vody klesá.

Koeficient povrchového napätia možno zistiť pomocou kapilár. Za týmto účelom sa kapilára spustí do nádoby s vodou a meria sa výška stúpania kvapaliny (h). V tomto prípade sa koeficient nájde pomocou vzorca:

kde je hustota kvapaliny, je polomer kapiláry, je kontaktný uhol a je gravitačné zrýchlenie.

Všeobecne povedané, povrchové napätie existuje na rozhraní medzi pevnými látkami, kvapalinami a plynmi. Častejšie však zvažujú povrchové napätie na rozhraní plyn-kvapalina.

Koeficient povrchového napätia je zahrnutý v známom Laplaceovom vzorci, ktorý určuje dodatočný tlak (), ktorý spôsobuje zakrivenie povrchu kvapaliny:

kde a sú polomery zakrivenia dvoch na seba kolmých rezov hladiny kvapaliny.

Jednotky

Základná jednotka SI pre koeficient povrchového napätia je:

N/m = J/m2

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

Cvičenie	Aký je rozdiel v hladinách kvapaliny v dvoch prepojených kapilárach s úplným nezmáčaním, ak sú vnútorné priemery kapilár rovnaké a ?
Riešenie	Výšku kvapaliny stúpajúcej v kapiláre možno vypočítať pomocou vzorca: Podľa podmienok úlohy máme úplné nezmáčanie, preto kontaktný uhol považujeme za rovný . Potom sa výška, do ktorej kvapalina stúpa v prvej kapiláre, rovná: v druhej kapiláre: Rozdiel hladín kvapaliny v kapilárach sa rovná:
Odpoveď

Hlavná časť.

Aby sme pochopili základné vlastnosti a vzorce kvapalného stavu látky, je potrebné zvážiť nasledujúce aspekty:

Štruktúra kvapaliny. Pohyb molekúl kvapaliny.

Kvapalina je niečo, čo môže prúdiť.

V usporiadaní kvapalných častíc sa pozoruje takzvaný rád krátkeho dosahu. To znamená, že vzhľadom na akúkoľvek časticu je usporiadaná poloha jej najbližších susedov.

Ako sa však od danej častice vzďaľujete, usporiadanie ostatných častíc voči nej je čoraz menej usporiadané a celkom rýchlo poradie v usporiadaní častíc úplne zmizne.

Kvapalné molekuly sa pohybujú oveľa voľnejšie ako pevné molekuly, aj keď nie tak voľne ako molekuly plynu.

Každá molekula kvapaliny sa nejaký čas pohybuje sem a tam, bez toho, aby sa vzdialila od svojich susedov. Z času na čas sa však molekula kvapaliny vymaní zo svojho prostredia a presunie sa na iné miesto a skončí v novom prostredí, kde opäť nejaký čas vykonáva pohyby podobné vibráciám. Významné úspechy vo vývoji množstva problémov v teórii kvapalného skupenstva patria sovietskemu vedcovi Ya. I. Frenkelovi.

Tepelný pohyb v kvapalinách má podľa Frenkela nasledujúci charakter. Každá molekula nejaký čas osciluje okolo určitej rovnovážnej polohy. Z času na čas molekula zmení svoje rovnovážne miesto a náhle sa presunie do novej polohy, oddelenej od predchádzajúcej o vzdialenosť rádovo veľkosti samotných molekúl. To znamená, že molekuly sa vo vnútri kvapaliny pohybujú len pomaly a časť času sa zdržujú v blízkosti určitých miest. Pohyb molekúl kvapaliny je teda niečo ako zmes pohybov v pevnej látke a v plyne: oscilačný pohyb na jednom mieste je nahradený voľným prechodom z jedného miesta na druhé.

Tlak tekutiny

Každodenná skúsenosť nás učí, že kvapaliny pôsobia na povrch pevných telies, ktoré sú s nimi v kontakte, známymi silami. Tieto sily sa nazývajú tlakové sily tekutiny.

Keď prstom zakryjeme otvor otvoreného vodovodného kohútika, cítime tlak tekutiny na prste. Bolesť ucha, ktorú pociťuje plavec, ktorý sa ponoril do veľkej hĺbky, je spôsobená silami tlaku vody na ušný bubienok. Teplomery na meranie teploty v hlbokom mori musia byť veľmi odolné, aby ich tlak vody nemohol rozdrviť.

Tlak v kvapaline je spôsobený zmenou jej objemu – kompresiou. Kvapaliny sú elastické vo vzťahu k zmenám objemu. Elastické sily v kvapaline sú tlakové sily. Ak teda kvapalina pôsobí tlakovými silami na telesá, ktoré sú s ňou v kontakte, znamená to, že je stlačená. Keďže hustota látky sa počas stláčania zvyšuje, môžeme povedať, že kvapaliny majú elasticitu vzhľadom na zmeny hustoty.

Tlak v kvapaline je kolmý na akýkoľvek povrch umiestnený v kvapaline. Tlak v kvapaline v hĺbke h sa rovná súčtu tlaku na povrchu a hodnote úmernej hĺbke:

Vzhľadom na skutočnosť, že kvapaliny môžu prenášať statický tlak, takmer nie menší ako ich hustota, môžu byť použité v zariadeniach, ktoré poskytujú výhodu v pevnosti: hydraulický lis.

Archimedov zákon

Na povrch pevného telesa ponoreného do kvapaliny pôsobia tlakové sily. Pretože tlak rastie s hĺbkou ponorenia, tlakové sily pôsobiace na spodnú časť kvapaliny a smerujúce nahor sú väčšie ako sily pôsobiace na hornú časť a smerujúce nadol a môžeme očakávať, že výslednica tlakových síl bude smerovať nahor. Výslednica tlakových síl na teleso ponorené do kvapaliny sa nazýva nosná sila kvapaliny.

Ak je teleso ponorené v kvapaline ponechané samo sebe, potopí sa, zostane v rovnováhe alebo vypláva na povrch kvapaliny, v závislosti od toho, či je podporná sila menšia, rovná alebo väčšia ako sila gravitácia pôsobiaca na telo.

Archimedov zákon hovorí, že teleso v kvapaline je vystavené vztlakovej sile, ktorá sa rovná hmotnosti vytlačenej kvapaliny. Teleso ponorené do kvapaliny je vystavené vztlakovej sile (nazývanej Archimedova sila)

kde ρ je hustota kvapaliny (plynu), je zrýchlenie voľného pádu a V- objem ponoreného telesa (alebo časť objemu telesa nachádzajúca sa pod hladinou).

Ak je na váhe zavesené teleso ponorené do kvapaliny, potom váha ukazuje rozdiel medzi hmotnosťou telesa vo vzduchu a hmotnosťou vytlačenej kvapaliny. Preto sa niekedy Archimedov zákon udáva nasledujúca formulácia: teleso ponorené do kvapaliny stráca na svojej hmotnosti toľko, koľko je hmotnosť ním vytlačenej kvapaliny.

Je zaujímavé všimnúť si taký experimentálny fakt, že keď je vo vnútri inej kvapaliny s väčšou špecifickou hmotnosťou, kvapalina podľa Archimedovho zákona „stratí“ svoju hmotnosť a nadobudne svoj prirodzený guľovitý tvar.

Odparovanie

V povrchovej vrstve a v blízkosti povrchu kvapaliny pôsobia sily, ktoré zabezpečujú existenciu povrchu a nedovoľujú molekulám opustiť objem kvapaliny. V dôsledku tepelného pohybu majú niektoré molekuly dostatočne vysoké rýchlosti na to, aby prekonali sily držiace molekuly v kvapaline a opustili kvapalinu. Tento jav sa nazýva vyparovanie. Pozoruje sa pri akejkoľvek teplote, ale jeho intenzita sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.

Ak sa molekuly, ktoré opustili kvapalinu, odstránia z priestoru blízko povrchu kvapaliny, nakoniec sa všetka kvapalina odparí. Ak sa molekuly, ktoré opustili kvapalinu, neodstránia, tvoria paru. Molekuly pár, ktoré vstupujú do oblasti blízko povrchu kvapaliny, sú vťahované do kvapaliny príťažlivými silami. Tento proces sa nazýva kondenzácia.

Ak teda molekuly nie sú odstránené, rýchlosť odparovania sa časom znižuje. Pri ďalšom zvyšovaní hustoty pary sa dosiahne stav, kedy sa počet molekúl opúšťajúcich kvapalinu za určitý čas bude rovnať počtu molekúl, ktoré sa za rovnaký čas do kvapaliny vrátia. Nastáva stav dynamickej rovnováhy. Para v stave dynamickej rovnováhy s kvapalinou sa nazýva nasýtená.

So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje hustota a tlak nasýtených pár. Čím vyššia je teplota, tým viac molekúl kvapaliny má dostatok energie na odparenie a tým väčšia musí byť hustota pary, aby sa kondenzácia rovnala vyparovaniu.

Vriaci

Keď sa pri zahrievaní kvapaliny dosiahne teplota, pri ktorej sa tlak nasýtenej pary rovná vonkajšiemu tlaku, nastane rovnováha medzi kvapalinou a jej nasýtenou parou. Keď sa kvapaline dodá dodatočné množstvo tepla, zodpovedajúca masa kvapaliny sa okamžite premení na paru. Tento proces sa nazýva varenie.

Var je intenzívne vyparovanie kvapaliny, ku ktorému dochádza nielen z povrchu, ale v celom jej objeme vo vnútri vznikajúcich bublín pary. Aby sa molekuly zmenili z kvapaliny na paru, musia získať energiu potrebnú na prekonanie príťažlivých síl, ktoré ich držia v kvapaline. Napríklad na odparenie 1 g vody pri teplote 100 ° C a tlaku zodpovedajúcom atmosférickému tlaku na hladine mora je potrebné minúť 2 258 J, z ktorých 1 880 sa použije na oddelenie molekúl od kvapaliny a zvyšok sa používajú na zväčšenie objemu, ktorý zaberá systém, proti silám atmosférického tlaku (1 g vodnej pary pri 100°C a normálnom tlaku zaberá objem 1,673 cm 3 , pričom 1 g vody za rovnakých podmienok - len 1,04 cm 3).

Bod varu je teplota, pri ktorej sa tlak nasýtených pár rovná vonkajšiemu tlaku. So zvyšujúcim sa tlakom sa bod varu zvyšuje a so znižovaním tlaku klesá.

V dôsledku zmeny tlaku v kvapaline s výškou jej stĺpca dochádza k varu na rôznych úrovniach v kvapaline, prísne povedané, pri rôznych teplotách. Iba nasýtená para nad povrchom vriacej kvapaliny má určitú teplotu. Jeho teplota je určená iba vonkajším tlakom. Toto je teplota, ktorá sa myslí, keď hovoríme o bode varu.

Teploty varu rôznych kvapalín sa navzájom veľmi líšia, čo sa široko používa v technológii, napríklad pri destilácii ropných produktov.

Množstvo tepla, ktoré sa musí dodať, aby sa určité množstvo kvapaliny izotermicky premenilo na paru, pri vonkajšom tlaku, ktorý sa rovná tlaku jej nasýtenej pary, sa nazýva latentné teplo vyparovania. Táto hodnota sa zvyčajne označuje ako jeden gram alebo jeden mol. Množstvo tepla potrebné na izotermické odparenie mólu kvapaliny sa nazýva molárne latentné teplo vyparovania. Ak sa táto hodnota vydelí molekulovou hmotnosťou, získa sa špecifické latentné teplo vyparovania.

Povrchové napätie kvapaliny

Vlastnosť kvapaliny zmenšiť jej povrch na minimum sa nazýva povrchové napätie. Povrchové napätie je jav molekulárneho tlaku na kvapalinu spôsobený priťahovaním molekúl v povrchovej vrstve k molekulám vo vnútri kvapaliny. Na povrchu kvapaliny pôsobia molekuly silami, ktoré nie sú symetrické. V priemere je molekula umiestnená vo vnútri kvapaliny vystavená príťažlivej sile a priľnavosti od svojich susedov rovnomerne na všetkých stranách. Ak sa povrch kvapaliny zväčší, molekuly sa budú pohybovať proti prídržným silám. Sila, ktorá má tendenciu sťahovať povrch kvapaliny, teda pôsobí v opačnom smere ako vonkajšia sila napínajúca povrch. Táto sila sa nazýva povrchové napätie a vypočíta sa podľa vzorca:

Koeficient povrchového napätia ()

Dĺžka hranice povrchu kvapaliny

Upozorňujeme, že ľahko sa odparujúce kvapaliny (éter, alkohol) majú menšie povrchové napätie ako neprchavé kvapaliny (ortuť). Povrchové napätie kvapalného vodíka a najmä kvapalného hélia je veľmi nízke. V tekutých kovoch je povrchové napätie naopak veľmi vysoké. Rozdiel v povrchovom napätí kvapalín sa vysvetľuje rozdielom v adhéznych silách rôznych molekúl.

Merania povrchového napätia kvapaliny ukazujú, že povrchové napätie nezávisí len od charakteru kvapaliny, ale aj od jej teploty: so zvyšujúcou sa teplotou sa zmenšuje rozdiel hustôt kvapalín, a teda koeficient povrchového napätia - klesá.

V dôsledku povrchového napätia má akýkoľvek objem kvapaliny tendenciu zmenšovať svoj povrch, čím sa znižuje jej potenciálna energia. Povrchové napätie je jednou z elastických síl zodpovedných za pohyb vlniek vo vode. Vo vypuklinách povrchová gravitácia a povrchové napätie ťahajú častice vody nadol a snažia sa povrch opäť vyhladiť.

Tekuté filmy

Každý vie, aké ľahké je získať penu z mydlovej vody. Pena je súbor vzduchových bublín ohraničených tenkým filmom kvapaliny. Samostatnú fóliu možno ľahko získať z kvapaliny tvoriacej penu.

Tieto filmy sú veľmi zaujímavé. Môžu byť extrémne tenké: v najtenších častiach ich hrúbka nepresahuje stotisícinu milimetra. Napriek svojej tenkosti sú niekedy veľmi odolné. Mydlový film sa môže natiahnuť a zdeformovať a prúd vody môže tiecť cez mydlový film bez toho, aby ho zničil.

Ako môžeme vysvetliť stabilitu filmov? Nevyhnutnou podmienkou pre vytvorenie filmu je pridanie látok v ňom rozpustených do čistej kvapaliny, navyše takých, ktoré výrazne znižujú povrchové napätie

V prírode a technike sa väčšinou stretávame nie s jednotlivými filmami, ale so zbierkou filmov – penou. V potokoch, kde malé potôčiky padajú do pokojnej vody, často vidieť bohatú tvorbu peny. V tomto prípade je schopnosť vody peniť spojená s prítomnosťou špeciálnej organickej látky vo vode, ktorá sa uvoľňuje z koreňov rastlín. Stavebné zariadenia používajú materiály, ktoré majú bunkovú štruktúru, ako je pena. Takéto materiály sú lacné, ľahké, vedú teplo a zvuk zle a sú dosť odolné. Na ich výrobu sa do roztokov, z ktorých vznikajú stavebné materiály, pridávajú látky podporujúce penenie.

Zmáčanie

Malé kvapky ortuti umiestnené na sklenenej platni nadobúdajú guľovitý tvar. Je to výsledok molekulárnych síl, ktoré majú tendenciu zmenšovať povrch kvapaliny. Ortuť umiestnená na povrchu pevnej látky netvorí vždy okrúhle kvapôčky. Rozprestiera sa po zinkovej doske a celkový povrch kvapôčky sa nepochybne zväčší.

Kvapka anilínu má tiež guľovitý tvar len vtedy, keď sa nedotýka steny sklenenej nádoby. Akonáhle sa dotkne steny, okamžite sa prilepí na sklo, natiahne sa po ňom a získa veľkú celkovú plochu.

Vysvetľuje to skutočnosť, že v prípade kontaktu s pevným telesom začínajú hrať významnú úlohu adhézne sily medzi molekulami kvapaliny a molekulami pevnej látky. Správanie kvapaliny bude závisieť od toho, čo je väčšie: súdržnosť medzi molekulami kvapaliny alebo súdržnosť molekuly kvapaliny s molekulou pevnej látky. V prípade ortuti a skla sú adhézne sily medzi molekulami ortuti a skla malé v porovnaní s adhéznymi silami medzi molekulami ortuti a ortuť sa zhromažďuje do kvapky.

Táto kvapalina sa nazýva nezmáčavosť pevný. V prípade ortuti a zinku kohézne sily medzi molekulami kvapaliny a tuhej látky prevyšujú kohézne sily pôsobiace medzi molekulami kvapaliny a kvapalina sa šíri cez pevnú látku. V tomto prípade je kvapalina tzv zmáčanie pevný.

Z toho vyplýva, že ak hovoríme o povrchu kvapaliny, musíme mať na mysli nielen povrch, kde kvapalina hraničí so vzduchom, ale aj povrch hraničiaci s inými kvapalinami alebo pevným telesom.

V závislosti od toho, či kvapalina zmáča steny nádoby alebo nie, má tvar povrchu kvapaliny v mieste kontaktu s pevnou stenou a plynom jednu alebo druhú formu. V prípade nezmáčavosti je tvar povrchu kvapaliny na okraji okrúhly a konvexný. Po namočení nadobudne kvapalina na okraji konkávny tvar.

Kapilárne javy

V živote sa často stretávame s telami preniknutými mnohými malými kanálmi (papier, priadza, koža, rôzne stavebné materiály, pôda, drevo). Keď sa takéto telá dostanú do kontaktu s vodou alebo inými tekutinami, často ich absorbujú. To je základ pre pôsobenie uteráka pri sušení rúk, pôsobenie knôtu v petrolejke a pod. Podobné javy možno pozorovať aj v úzkych sklenených trubiciach. Úzke rúrky sa nazývajú kapilárne alebo vlasové rúrky.

Keď sa takáto trubica na jednom konci ponorí do širokej nádoby v širokej nádobe, stane sa toto: ak kvapalina zmáča steny trubice, potom vystúpi nad hladinu kvapaliny v nádobe a navyše vyššie, tým užšia trubica; ak kvapalina nezmáča steny, potom je naopak hladina kvapaliny v trubici nastavená nižšie ako v širokej nádobe. Zmena výšky hladiny kvapaliny v úzkych rúrach alebo medzerách sa nazýva vzlínavosť. V širšom zmysle sa pod kapilárnymi javmi rozumejú všetky javy spôsobené existenciou povrchového napätia.

Výška stúpania kvapaliny v kapilárach závisí od polomeru kanála v trubici, povrchového napätia a hustoty kvapaliny. Medzi kvapalinou v kapiláre a v širokej nádobe sa vytvorí taký výškový rozdiel h, aby hydrostatický tlak rgh vyrovnával kapilárny tlak:

kde s je povrchové napätie kvapaliny

R je polomer kapiláry.

Výška kvapaliny stúpajúcej v kapiláre je úmerná jej povrchovému napätiu a nepriamo úmerná polomeru kapilárneho kanálika a hustote kvapaliny (Jurinov zákon)

Kvapkať, kvapkať... Ďalšia kvapka nazbieraná na výlevke kohútika sa nafúkla a spadla. Tento obrázok pozná každý. Alebo teplý letný dážď zalieva pôdu túžiacu po vlahe – a opäť sú tu kvapky. Prečo kvapky? Aký je tu dôvod? Je to veľmi jednoduché: dôvodom je povrchové napätie vody.

Toto je jedna z vlastností vody alebo všeobecnejšie všetkých kvapalín. Ako viete, plyn vyplní celý objem, do ktorého vstupuje, ale kvapalina to nedokáže. Molekuly nachádzajúce sa vo vnútri objemu vody sú zo všetkých strán obklopené rovnakými molekulami. Ale tie na povrchu, na hranici kvapaliny a plynu, nie sú ovplyvnené zo všetkých strán, ale iba z tých molekúl, ktoré sa nachádzajú vo vnútri objemu, nie sú ovplyvnené plynom.

V tomto prípade bude na povrch kvapaliny pôsobiť sila smerujúca pozdĺž nej kolmo na časť povrchu, na ktorú pôsobí. V dôsledku tejto sily vzniká povrchové napätie vody. Jeho vonkajším prejavom bude vytvorenie niečoho ako neviditeľný, elastický film na rozhraní. Vplyvom povrchového napätia nadobudne kvapka vody tvar gule ako telesa, ktoré má pre daný objem najmenšiu plochu.

Teraz môžeme definovať, že povrchové napätie je práca vykonaná na zmenu povrchu kvapaliny. Na druhej strane ju možno definovať ako energiu potrebnú na rozbitie jednotky povrchu. Povrchové napätie je možné na rozhraní medzi kvapalinou a plynom. Je určená silou pôsobiacou medzi molekulami, a preto je zodpovedná za prchavosť (vyparovanie). Čím je povrchové napätie nižšie, tým je kvapalina prchavejšia.

Môžete určiť, čomu sa rovná Vzorec na jej výpočet zahŕňa plochu povrchu a Ako už bolo spomenuté, koeficient nezávisí od tvaru a veľkosti povrchu, ale je určený silou medzimolekulovej interakcie, t.j. druh kvapaliny. Pre rôzne kvapaliny bude jeho hodnota iná.

Povrchové napätie vody je možné meniť. To sa dosiahne zahrievaním, pridávaním biologicky aktívnych látok - ako je mydlo, prášok, pasta. Jeho hodnota závisí od stupňa čistoty vody. Čím je voda čistejšia, tým je povrchové napätie väčšie a jej hodnota je na druhom mieste po ortuti.

Zvláštny efekt sa pozoruje, keď sa kvapalina dostane do kontaktu s pevnou látkou aj plynom. Ak na povrch parafínu nanesieme kvapku vody, získa tvar gule. Je to spôsobené tým, že sily pôsobiace medzi parafínom a kvapkou sú menšie ako vzájomné pôsobenie, v dôsledku čoho sa objaví guľa. Keď sú sily pôsobiace medzi povrchom a kvapkou väčšie ako sily medzimolekulovej interakcie, voda sa rozšíri rovnomerne po povrchu. Tento jav sa nazýva zmáčanie.

Efekt zmáčavosti môže do určitej miery charakterizovať stupeň čistoty povrchu. Na čistom povrchu sa kvapka rozprestiera rovnomerne a ak je povrch znečistený alebo pokrytý vodou nezmáčanou látkou, tá sa zhromažďuje do guľôčok.

Príkladom využitia povrchového napätia v priemysle je odlievanie guľových častí, ako sú brokové pelety. Kvapky roztaveného kovu jednoducho zamŕzajú a nadobúdajú guľovitý tvar.

Povrchové napätie vody, ako každej inej kvapaliny, je jedným z jej dôležitých parametrov. Určuje niektoré charakteristiky kvapaliny, ako je prchavosť (vyparovanie) a zmáčavosť. Jeho hodnota závisí len od parametrov medzimolekulovej interakcie.

V § 7.1 Uvažovalo sa o experimentoch, ktoré naznačujú tendenciu povrchu kvapaliny ku kontrakcii. Táto kontrakcia je spôsobená povrchovým napätím.

Sila, ktorá pôsobí pozdĺž povrchu kvapaliny kolmo na čiaru ohraničujúcu tento povrch a má tendenciu ju znižovať na minimum, sa nazýva sila povrchového napätia.

Meranie povrchového napätia

Na meranie sily povrchového napätia urobme nasledujúci experiment. Vezmite obdĺžnikový drôtený rám, ktorého jedna strana AB dĺžka l sa môže pohybovať s nízkym trením vo vertikálnej rovine. Ponorením rámu do nádoby s mydlovým roztokom na ňom získame mydlový film (obr. 7.11, a). Akonáhle odstránime rám z mydlového roztoku, drôt AB sa okamžite začne pohybovať. Mydlový film zmenší svoj povrch. Preto na prokrastináciu AB existuje sila smerujúca kolmo na drôt smerom k filmu. Toto je sila povrchového napätia.

Aby ste zabránili pohybu drôtu, musíte naň vyvinúť určitú silu. Na vytvorenie tejto sily môžete na drôt pripevniť mäkkú pružinu pripevnenú k základni statívu (pozri obr. 7.11, o). Elastická sila pružiny spolu so silou gravitácie pôsobiacou na drôt sa sčítajú k výslednej sile Aby bol drôt vyvážený, je potrebné, aby bola rovnosť
, Kde - sila povrchového napätia pôsobiaca na drôt z jednej z plôch fólie (obr. 7.11, b).

Odtiaľ
.

Od čoho závisí sila povrchového napätia?

Ak je drôt posunutý nadol h, potom vonkajšia sila F 1 = 2 F urobí prácu

(7.4.1)

Podľa zákona zachovania energie sa táto práca rovná zmene energie (v tomto prípade povrchu) filmu. Počiatočná povrchová energia oblasti mydlového filmu S 1 rovná U P 1 = = 2σS 1 , pretože fólia má dva povrchy rovnakej plochy. Konečná povrchová energia

Kde S 2 - plocha fólie po posunutí drôtu na určitú vzdialenosť h. teda

(7.4.2)

Porovnaním pravých strán výrazov (7.4.1) a (7.4.2) dostaneme:

Preto sila povrchového napätia pôsobiaca na hranicu povrchovej vrstvy s dĺžkou l, rovná sa:

(7.4.3)

Sila povrchového napätia smeruje tangenciálne k povrchu kolmo na hranicu povrchovej vrstvy (kolmo na drôt AB v tomto prípade pozri obr. 7.11, a).

Meranie koeficientu povrchového napätia

Existuje mnoho spôsobov, ako merať povrchové napätie kvapalín. Napríklad povrchové napätie a možno určiť pomocou nastavenia znázorneného na obrázku 7.11. Zvážime inú metódu, ktorá si nenárokuje väčšiu presnosť výsledku merania.

Pripojme medený drôt k citlivému dynamometru, ohnutý tak, ako je znázornené na obrázku 7.12, a. Pod drôt umiestnite nádobu s vodou tak, aby sa drôt dotýkal hladiny vody (obr. 7.12, b) a „prilepil“ sa k nej. Teraz pomaly spustíme nádobu s vodou (alebo, čo je to isté, zdvihneme silomer s drôtom). Uvidíme, že film vody, ktorý ho obklopuje, stúpa spolu s drôtom a údaj na dynamometri sa postupne zvyšuje. Maximálnu hodnotu dosiahne v momente pretrhnutia vodného filmu a „oddelenia“ drôtu od vody. Ak odčítate jeho hmotnosť od údajov dynamometra v momente, keď sa drôt odpojí, získate silu F, rovná dvojnásobku sily povrchového napätia (vodný film má dva povrchy):

Kde l - dĺžka drôtu.

Pri dĺžke drôtu 1 = 5 cm a teplote 20 °C je sila rovná 7,3 10 -3 N. Potom

Výsledky meraní povrchových napätí niektorých kvapalín sú uvedené v tabuľke 4.

Tabuľka 4

Z tabuľky 4 je zrejmé, že ľahko sa odparujúce kvapaliny (éter, alkohol) majú menšie povrchové napätie ako neprchavé kvapaliny, ako je ortuť. Kvapalný vodík a najmä kvapalné hélium majú veľmi nízke povrchové napätie. V tekutých kovoch je povrchové napätie naopak veľmi vysoké.

Rozdiel v povrchovom napätí kvapalín sa vysvetľuje rozdielom v silách medzimolekulovej interakcie.