Pri zmáčaní dochádza k zakriveniu povrchu, čím sa menia vlastnosti povrchovej vrstvy. Existencia prebytku voľnej energie v blízkosti zakriveného povrchu vedie k takzvaným kapilárnym javom - veľmi zvláštnym a dôležitým.

Najprv urobme kvalitatívnu úvahu na príklade mydlovej bubliny. Ak v procese vyfukovania bubliny otvoríme koniec trubice, uvidíme, že bublina umiestnená na jej konci sa zmenší a vtiahne sa do trubice. Pretože vzduch z otvoreného konca komunikoval s atmosférou, aby sa udržal rovnovážny stav mydlovej bubliny, je potrebné, aby tlak vo vnútri bol väčší ako vonkajší. Ak je súčasne trubica pripojená k monometru, potom sa na nej zaznamená určitý rozdiel hladiny - pretlak DP v objemovej fáze plynu z konkávnej strany povrchu bubliny.

Stanovme kvantitatívny vzťah medzi DP a polomerom zakrivenia povrchu 1/r medzi dvoma objemovými fázami, ktoré sú v rovnováhe a sú oddelené guľovým povrchom. (napríklad bublina plynu v kvapaline alebo kvapka kvapaliny v plynnej fáze). Použijeme na to všeobecný termodynamický výraz pre voľnú energiu za podmienky T = konštanta a neprítomnosti prenosu hmoty z jednej fázy do druhej dn i = 0. V rovnovážnom stave sú možné variácie v povrchovom ds a objeme dV . Nech sa V zväčší o dV as o ds. potom:

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

V rovnovážnom stave dF = 0. Ak vezmeme do úvahy skutočnosť, že dV 1 = dV 2, zistíme:

P 1 - P 2 \u003d s ds / dV.

Teda P1 > P2. Vzhľadom na to, že V 1 = 4/3 p r 3 , kde r je polomer zakrivenia, dostaneme:

Substitúcia dáva Laplaceovu rovnicu:

P 1 - P 2 \u003d 2 s / r. (1)

Všeobecnejšie, pre rotačný elipsoid s hlavnými polomermi zakrivenia r 1 a r 2 je Laplaceov zákon formulovaný:

P1 - P2 \u003d s / (1 / R1 - 1 / R2).

Pre r 1 = r 2 dostaneme (1), pre r 1 = r 2 = ¥ (rovina) P 1 = P 2 .

Rozdiel DP sa nazýva kapilárny tlak. Uvažujme o fyzikálnom význame a dôsledkoch Laplaceovho zákona, ktorý je základom teórií kapilárnych javov.Rovnica ukazuje, že tlakový rozdiel v objemových fázach sa zväčšuje s rastúcim s a so zmenšujúcim sa polomerom zakrivenia. Čím vyššia je disperzia, tým väčší je vnútorný tlak kvapaliny s guľovým povrchom. Napríklad pre kvapku vody v parnej fáze pri r = 10-5 cm je DP = 2. 73. 10 5 dynov / cm 2 "15 at. Tlak vo vnútri kvapky je teda v porovnaní s parou o 15 atm vyšší ako v plynnej fáze. Treba mať na pamäti, že bez ohľadu na stav agregácie fáz je v rovnovážnom stave tlak na konkávnej strane povrchu vždy väčší ako na konvexnej Rovnica poskytuje základ pre experimentálne meranie s metódou najvyššieho tlaku bublín. Jedným z najdôležitejších dôsledkov existencie kapilárneho tlaku je vzostup kvapaliny v kapiláre.

Kapilárne javy sú pozorované v tekutinách

V úzkych nádobách, v ktorých je vzdialenosť medzi stenami úmerná polomeru zakrivenia povrchu kvapaliny. Zakrivenie je výsledkom interakcie tekutiny so stenami nádoby. Špecifickosť správania sa kvapaliny v kapilárnych cievkach závisí od toho, či kvapalina zmáča alebo nezmáča steny nádobky, presnejšie od hodnoty kontaktného uhla zmáčania.

Uvažujme polohu hladín kvapalín v dvoch kapilárach, z ktorých jedna má lyofilný povrch, a preto sú jej steny zmáčané, zatiaľ čo druhá má lyofilizovaný povrch a nie je zmáčaná. V prvej kapiláre má povrch negatívne zakrivenie. Dodatočný Laplaceov tlak má tendenciu napínať kvapalinu. (tlak smeruje do stredu zakrivenia). Tlak pod povrchom je nižší ako tlak na rovnom povrchu. V dôsledku toho vzniká vztlaková sila, ktorá dvíha kvapalinu v kapiláre, kým hmotnosť stĺpca nevyrovná pôsobiacu silu.V druhej kapiláre je zakrivenie povrchu kladné, dodatočný tlak smeruje do kvapaliny, v dôsledku toho, kvapalina v kapiláre klesá.

V rovnováhe sa Laplaciov tlak rovná hydrostatickému tlaku stĺpca kvapaliny s výškou h:

DP \u003d ± 2s / r \u003d (r - r o) gh, kde r, r o sú hustoty kvapalnej a plynnej fázy, g je gravitačné zrýchlenie, r je polomer menisku.

Aby sme vztiahli výšku kapilárneho vzostupu k charakteristike zmáčania, vyjadríme polomer menisku pomocou uhla zmáčania Q a polomeru kapiláry r 0. Je zrejmé, že r 0 = r cosQ, výška kapilárne stúpanie je vyjadrené ako (Jurinov vzorec):

h \u003d 2scosQ / r 0 (r - r 0) g

Pri absencii zvlhčovania 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.

Množstvo dobre známych javov a procesov sa vysvetľuje kapilárnym vzlínaním kvapalín: impregnácia papiera a látok je spôsobená kapilárnym vzlínaním kvapaliny v póroch. Vodeodolnosť tkanín je zabezpečená ich hydrofóbnosťou - dôsledkom negatívneho kapilárneho vzlínania. Vzlínanie vody z pôdy nastáva vďaka štruktúre pôdy a zabezpečuje existenciu vegetačného krytu Zeme, stúpanie vody z pôdy pozdĺž kmeňov rastlín nastáva vďaka vláknitej štruktúre dreva, proces krvného obehu v cievach, vzlínanie vlhkosti v stenách budovy (položená hydroizolácia) atď.

Termodynamická reaktivita (t.r.s.).

Charakterizuje schopnosť látky prejsť do nejakého iného stavu, napríklad do inej fázy, vstúpiť do chemickej reakcie. Označuje vzdialenosť daného systému od rovnovážneho stavu za daných podmienok. T.r.s. je určená chemickou afinitou, ktorá môže byť vyjadrená ako zmena Gibbsovej energie alebo rozdiel v chemických potenciáloch.

R.s závisí od stupňa disperzie látky. Zmena stupňa disperzie môže viesť k posunu fázy alebo chemickej rovnováhy.

Zodpovedajúci nárast Gibbsovej energie dG d (v dôsledku zmeny disperzie) možno znázorniť ako kombinovanú rovnicu prvého a druhého zákona termodynamiky: dG d = -S dT + V dp

Pre jednotlivú látku V = V mol a pri T = konst máme: dG d = V mol dp alebo DG d = V mol Dp

Dosadením Laplaceovho vzťahu do tejto rovnice dostaneme dG d = s V mol ds/dV

pre sférické zakrivenie: dG d \u003d ± 2 s V mol / r (3)

Rovnice ukazujú, že zvýšenie reaktivity v dôsledku zmeny disperzie je úmerné zakriveniu povrchu alebo disperzii.

Ak vezmeme do úvahy prechod látky z kondenzovanej fázy do plynnej fázy, potom Gibbsovu energiu možno vyjadriť ako tlak pary, čo považujeme za ideálne. Potom ďalšia zmena v Gibbsovej energii spojená so zmenou disperzie je:

dG d \u003d RT ln (p d / p s) (4), kde p d a ps sú tlak nasýtených pár na zakrivených a rovných povrchoch.

Dosadením (4) do (3) dostaneme: ln (p d / p s) = ±2 s V mol /RT r

Pomer sa nazýva Kelvinova-Thomsonova rovnica. Z tejto rovnice vyplýva, že pri kladnom zakrivení bude tlak nasýtených pár nad zakriveným povrchom tým väčší, čím väčšie bude zakrivenie, t.j. menší polomer kvapiek. Napríklad pre kvapku vody s polomerom r = 10 -5 cm (s = 73, V mol = 18) p d / p s = 0,01, t.j. 1 %. Tento dôsledok Kelvinovho-Thomsonovho zákona umožňuje predpovedať jav izotremickej destilácie, ktorý spočíva vo vyparovaní najmenších kvapiek a kondenzácii pár na väčších kvapkách a na rovnom povrchu.

Pri negatívnom zakrivení, ktoré sa vyskytuje v kapilárach počas zvlhčovania, sa získa inverzný vzťah: tlak nasýtených pár nad zakriveným povrchom (nad kvapkou) klesá so zvyšujúcim sa zakrivením (so zmenšujúcim sa polomerom kapiláry). Ak teda kvapalina zmáča kapiláru, potom ku kondenzácii pár v kapiláre dochádza pri nižšom tlaku ako na rovnom povrchu. To je dôvod, prečo sa Kelvinove rovnice často označujú ako rovnica kapilárnej kondenzácie.

Uvažujme o vplyve disperzie častíc na ich rozpustnosť. Ak vezmeme do úvahy, že zmena Gibbsovej energie je vyjadrená prostredníctvom rozpustnosti látky v inom disperznom stave, podobne ako vo vzťahu (4), dostaneme pre neelektrolyty:

ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r kde c d a c a sú rozpustnosť látky v jemne rozptýlenom stave a rozpustnosť v rovnováhe s veľkými časticami tejto látky.

Pre elektrolyt, ktorý sa v roztoku disociuje na n iónov, môžeme napísať (zanedbajúc koeficienty aktivity):

ln(a d /a s) \u003d n ln (c d /c s) \u003d ±2 s V mol /RT r, kde a d a s sú aktivity elektrolytov v roztokoch nasýtených vzhľadom na vo vysoko disperznom y a hrubo dispergovanom stave. Z rovníc vyplýva, že so zvyšujúcou sa disperziou sa zvyšuje rozpustnosť, alebo chemický potenciál častíc disperzného systému je väčší ako u veľkej častice o 2 s V mol/r. Rozpustnosť zároveň závisí od znamienka zakrivenia povrchu, čo znamená, že ak častice pevnej látky majú nepravidelný tvar s pozitívnym a negatívnym zakrivením a sú v nasýtenom roztoku, potom sa oblasti s pozitívnym zakrivením rozpustia a tie s negatívnym zakrivením budú rásť. V dôsledku toho častice rozpustenej látky nakoniec získajú presne definovaný tvar zodpovedajúci rovnovážnemu stavu.

Stupeň disperzie môže tiež ovplyvniť rovnováhu chemickej reakcie: - DG 0 d \u003d RT ln (K d / K), kde DG 0 d je prírastok chemickej afinity v dôsledku disperzie, Kd a K sú rovnováha konštanty reakcií s rozptýlenými a nedispergovanými látkami .

So zvyšujúcou sa disperziou sa zvyšuje aktivita zložiek a v súlade s tým sa chemická rovnovážna konštanta mení jedným alebo druhým smerom v závislosti od stupňa disperzie východiskových látok a reakčných produktov. Napríklad pre rozkladnú reakciu uhličitanu vápenatého: CaC03" CaO + CO2

zvýšenie disperzity počiatočného uhličitanu vápenatého posúva rovnováhu doprava a tlak oxidu uhličitého nad systémom sa zvyšuje. Zvýšenie disperzie oxidu vápenatého vedie k opačnému výsledku.

Z rovnakého dôvodu sa pri zvyšovaní disperzie oslabuje väzba kryštalizačnej vody s látkou. Takže makrokryštál Al 2 O 3. 3 H 2 O dáva vodu pri 473 K, kým v zrazenine častíc koloidnej veľkosti sa kryštalický hydrát rozkladá pri 373 K. Zlato neinteraguje s kyselinou chlorovodíkovou a koloidné zlato sa v ňom rozpúšťa. Hrubá síra významne neinteraguje so soľami striebra a koloidná síra tvorí sulfid strieborný.

Nechajte kvapalinu byť v akejkoľvek nádobe. Ak sú vzdialenosti medzi povrchmi ohraničujúcimi kvapalinu porovnateľné s polomerom zakrivenia povrchu kvapaliny, potom sa takéto nádoby nazývajú kapiláry . Javy, ktoré sa vyskytujú v kapilárach, sa nazývajú kapilárne javy . Kapiláry sú kapilárny vzostup kvapaliny a kapilárna adhézia medzi navlhčenými povrchmi.

Najjednoduchšie a najčastejšie používané kapiláry sú valcové kapiláry (obr. 10.10). Povrch kvapaliny v takýchto kapilárach je sférický. Nech r je polomer zakrivenia povrchu kvapaliny, R je polomer kapiláry, θ kontaktný uhol. V prípade čiastočného zvlhčenia bude kvapalina stúpať cez kapiláru pôsobením Laplaceovho tlaku, kým nie je kompenzovaná hydraulickým tlakom kvapaliny:

kde ρ je hustota kvapaliny, g je gravitačné zrýchlenie, h je výška kapilárneho vzostupu. Polomer zakrivenia povrchu kvapaliny sa vhodne vyjadruje polomerom kapiláry, ktorý možno ľahko zmerať: . Nahradením Laplaceovho tlaku za vyjadrenie sférickej plochy (10-12) dostaneme:

V prípade úplného navlhčenia θ \u003d 0 o, cos θ \u003d 1, r = R a vzorec pre výšku kapilárneho vzostupu je:

S úplným navlhčením θ = 180 o, cos θ = - 1, a výška kapilárneho vzostupu bude záporná, to znamená, že povrch kvapaliny o určitú hodnotu klesne h(obr. 10.11).

Je zaujímavé poznamenať, že v komunikujúcich kapilárach nie je výška hladiny kvapaliny rovnaká. Najväčší kapilárny vzostup je pozorovaný v najužšej kapiláre a najmenší - v najširšej kapiláre (obr. 10.12).

na úplné zmáčanie. Kapilárne javy sa pozorujú, keď voda stúpa na povrch pôdy, pri použití pijavého papiera, handry, keď petrolej stúpa v knôtoch atď.

So zvyšujúcou sa teplotou koeficient povrchového napätia kvapalín klesá a pri kritickej teplote je rovný nule. Koeficient povrchového napätia kvapalín závisí aj od hustoty a molárnej hmotnosti kvapaliny. Navyše, závislosť koeficientu povrchového napätia od teploty je vyjadrená tým silnejšie, čím je hustota kvapaliny väčšia a čím je jej molárna hmotnosť nižšia. Na určenie koeficientu povrchového napätia môžete použiť semiempirický vzorec:

Tu B je konštantný koeficient, takmer rovnaký pre všetky kvapaliny, Tc je kritická teplota, ρ je hustota kvapaliny, μ je jej molárna hmotnosť, τ je malý teplotný rozmer. Vzorec (10-14) nie je použiteľný v blízkosti kritickej teploty. Koeficient povrchového napätia vodných roztokov závisí od typu rozpustenej látky. Niektoré látky, ako napríklad alkohol, mydlo, pracie prášky, rozpustené vo vode, ktoré majú hustotu nižšiu ako voda, vedú k zníženiu koeficientu povrchového napätia a sú tzv. povrchovo aktívne látky . Povrchovo aktívne látky sa používajú ako zmáčadlá, flotačné činidlá, penotvorné činidlá, dispergátory tvrdosti, zmäkčovadlá, modifikátory kryštalizácie atď. Zvýšenie koncentrácie takýchto látok vedie k zníženiu koeficientu povrchového napätia. Ostatné látky rozpustené vo vode, ako cukor, soľ, vedú k zvýšeniu hustoty roztoku a zvýšeniu koeficientu povrchového napätia. Zvýšenie koncentrácie takýchto látok vedie k zvýšeniu koeficientu povrchového napätia. Na experimentálne stanovenie koeficientov povrchového napätia sa používa niekoľko metód merania: Rehbinderova metóda, metóda kapilárnych vĺn, kvapková a bublinková metóda atď.

Para) v prítomnosti zakrivenia povrchu. Špeciálny prípad povrchových javov.

V neprítomnosti gravitácie má kvapalina obmedzenej hmotnosti pod vplyvom povrchového napätia tendenciu zaberať objem s minimálnym povrchom, t.j. má tvar gule. Pôsobením gravitácie získa nie príliš viskózna kvapalina dostatočnej hmotnosti tvar nádoby, do ktorej sa naleje, a jej voľný povrch s relatívne veľkou plochou (smerom od stien nádoby) sa stáva plochým, pretože úloha povrchové napätie je menej významné ako gravitačné napätie. Pri interakcii s povrchom inej kvapaliny alebo pevnej látky (napríklad so stenami nádoby) je povrch uvažovanej kvapaliny zakrivený v závislosti od prítomnosti alebo neprítomnosti zvlhčovania. Ak dôjde k zmáčaniu, t.j. molekuly kvapaliny 1 (obr. 1) silnejšie interagujú s povrchovými molekulami 3 ako s molekulami inej kvapaliny (alebo plynu) 2, potom vplyvom rozdielu medzimolekulových interakčných síl kvapalina 1 stúpa pozdĺž steny cievy - sekcia tekutiny susediaca so stenou je ohnutá. Tlak spôsobený stúpaním kvapaliny je vyvážený kapilárnym tlakom ∆p - tlakovým rozdielom nad a pod zakriveným rozhraním. Hodnota kapilárneho tlaku závisí od priemerného polomeru r zakrivenia povrchu a je určená Laplaceovým vzorcom: ∆р = 2σ/r, kde σ je povrchové napätie. Ak je fázové rozhranie ploché (r = ∞), potom za podmienok mechanickej rovnováhy systému sú tlaky na oboch stranách rozhrania rovnaké a ∆p = 0. V prípade konkávneho povrchu kvapaliny (r< 0) давление в жидкости ниже, чем давление в граничащей с ней фазе и ∆р < 0; для выпуклой поверхности (r >0) ∆p > 0.

Ak sa steny nádoby priblížia k sebe, zóny zakrivenia povrchu kvapaliny vytvoria meniskus - úplne zakrivený povrch. Výsledný systém sa nazýva kapilára; v ňom sa za podmienok zvlhčovania zníži tlak pod meniskom a kvapalina v kapiláre stúpa (nad hladinu voľného povrchu kvapaliny v nádobe); hmotnosť stĺpca kvapaliny s výškou h vyrovnáva kapilárny tlak ∆p. Nezmáčavá kvapalina v kapiláre tvorí konvexný meniskus, nad ktorým je tlak vyšší a kvapalina v nej klesá pod úroveň voľného povrchu mimo kapiláry. Výška stúpania (spodu) kvapaliny v kapiláre vzhľadom na voľný povrch (kde r = ∞ a ∆р = 0) je určená vzťahom: h = 2σcosθ/∆pgr, kde θ je kontaktný uhol ( uhol medzi dotyčnicou k povrchu menisku a stenou kapiláry), ∆ p je rozdiel hustoty medzi kvapalinou 1 v kapiláre a prostredím 2, g je zrýchlenie voľného pádu.

Zakrivenie povrchu ovplyvňuje rovnovážne podmienky medzi kvapalinou a jej nasýtenou parou: podľa Kelvinovej rovnice sa tlak pary nad kvapkou kvapaliny zvyšuje so zmenšovaním jej polomeru, čo vysvetľuje napríklad rast veľkých kvapiek v oblakoch v dôsledku malých.

Medzi charakteristické kapilárne javy patrí kapilárna absorpcia, vznik a šírenie kapilárnych vĺn, kapilárny pohyb kvapaliny, kapilárna kondenzácia, vyparovanie a procesy rozpúšťania v prítomnosti zakriveného povrchu. Kapilárna absorpcia je charakterizovaná rýchlosťou, ktorá závisí od kapilárneho tlaku a viskozity kvapaliny. Hrá zásadnú úlohu pri zásobovaní rastlín vodou, pohybe vody v pôde a ďalších procesoch spojených s pohybom kvapalín v poréznych médiách. Kapilárna impregnácia je jedným z bežných procesov v chemickej technológii. V systémoch s nerovnobežnými stenami (alebo kapilárami kužeľového prierezu) závisí zakrivenie menisku od umiestnenia hraničných plôch kvapaliny v nich a kvapka zmáčacej kvapaliny sa v nich začína pohybovať smerom k menisku. menším polomerom (obr. 2), t.j. v smere, kde je tlak nižší. Dôvodom kapilárneho pohybu kvapaliny môže byť aj rozdiel v silách povrchového napätia v meniscoch, napríklad v prítomnosti teplotného gradientu alebo v adsorpcii povrchovo aktívnych látok, ktoré znižujú povrchové napätie.

Kapilárna kondenzácia je proces kondenzácie pary v kapilárach a mikrotrhlinách poréznych telies, ako aj v priestoroch medzi blízkymi pevnými časticami alebo telesami. Nevyhnutnou podmienkou kapilárnej kondenzácie je prítomnosť zmáčania povrchu telies (častíc) kondenzačnou kvapalinou. Procesu kapilárnej kondenzácie predchádza adsorpcia molekúl pary povrchom telies a tvorba tekutých meniskov. V podmienkach zvlhčovania je tvar meniskov konkávny a tlak p nasýtenej pary nad nimi je nižší ako tlak nasýtenej pary p 0 za rovnakých podmienok na rovnom povrchu. To znamená, že ku kapilárnej kondenzácii dochádza pri tlakoch nižších ako p 0 .

Zakrivenie povrchu kvapaliny môže výrazne ovplyvniť procesy vyparovania, varu, rozpúšťania, nukleácie pri kondenzácii pár a kryštalizácii. Vlastnosti systémov obsahujúcich veľké množstvo kvapiek alebo bublín plynu (emulzie, aerosóly, peny) a ich tvorba sú teda do značnej miery determinované kapilárnymi javmi. Sú tiež základom mnohých technologických procesov: flotácia, spekanie prášku, vytláčanie ropy z nádrží vodnými roztokmi povrchovo aktívnych látok, adsorpčná separácia a čistenie plynných a kvapalných zmesí atď.

Kapilárne javy prvýkrát študoval Leonardo da Vinci. Systematické pozorovanie a popis kapilárnych javov v tenkých trubičkách a medzi plochými, tesne umiestnenými sklenenými platňami vykonal v roku 1709 F. Hawkesby, demonštrátor Kráľovskej spoločnosti v Londýne. Základy teórie kapilárnych javov položili v prácach T. Young, P. Laplace a ich termodynamickú úvahu uskutočnil J. Gibbs (1876).

Lit.: Adamson A. Fyzikálna chémia povrchov. M., 1979; Rawlinson J., Widom B. Molekulárna teória kapilarity. M., 1986.

A. M. Emelianenko, N.V. Churajev.

KAPILÁRNE JAVY- súbor javov spôsobených pôsobením medzipovrchového napätia na rozhraní nemiešateľných médií; do K. i. zvyčajne zahŕňajú javy v kvapalinách spôsobené zakrivením ich povrchu, hraničiace s inou kvapalinou, plynom alebo vlastným. trajekt. K. Ya je špeciálny prípad povrchových javov. Pri absencii kvapaliny je povrch vždy zakrivený. Pod vplyvom má obmedzený objem kvapaliny tendenciu mať tvar gule, t.j. zaberať objem s min. povrch. Gravitačné sily výrazne menia obraz. Kvapalina s relatívne nízkou viskozitou rýchlo získa formu nádoby, do ktorej sa naleje, a jej voľný povrch (nesusediaci so stenami nádoby) v prípade dostatočne veľkých hmôt kvapaliny a veľkej plochy voľný povrch je prakticky rovný. Keď sa však hmotnosť kvapaliny znižuje, úloha povrchového napätia sa stáva významnejšou ako gravitačná sila. Takže napríklad pri drvení kvapaliny v plyne (alebo plynu v kvapaline) sa vytvárajú guľovité kvapôčky (bubliny). formulárov. Vlastnosti systémov obsahujúcich veľké množstvo kvapiek alebo bublín (emulzie, kvapalné aerosóly, peny) a podmienky ich tvorby sú do značnej miery určené zakrivením povrchu týchto útvarov, teda K. I. Veľkú úlohu K. I. Tiež sa podieľajú na nukleácii počas kondenzácie pár, varu kvapaliny a kryštalizácie. Zakrivenie povrchu kvapaliny môže nastať aj v dôsledku jej interakcie s povrchom inej kvapaliny alebo pevnej látky. V tomto prípade prítomnosť alebo neprítomnosť zmáčanie kvapalina na tomto povrchu. Ak k nemu dôjde, t.j. molekuly kvapaliny 1 (obr. 1) silnejšie interagujú s povrchom tuhého telesa 3 ako s molekulami inej kvapaliny (alebo plynu) 2, potom vplyvom rozdielu v sily medzimolekulovej interakcie, kvapalina stúpa pozdĺž steny nádoby a v blízkosti pevného telesa, časť povrchu kvapaliny bude zakrivená. Hydrostatický tlak spôsobený zvýšením hladiny kvapaliny je vyrovnaný kapilárny tlak- tlakový rozdiel nad a pod zakriveným povrchom, ktorého hodnota súvisí s lokálnym zakrivením povrchu kvapaliny. Ak priblížite ploché steny nádoby ku kvapaline, potom sa zóny zakrivenia prekryjú a vytvorí sa meniskus - úplne zakrivený povrch. V takejto kapiláre sa za podmienok zvlhčovania pod konkávnym meniskom zníži tlak, kvapalina stúpa; hmotnosť stĺpca kvapaliny. h 0 vyrovnáva kapilárny tlak Dр. V rovnováhe

Povrchové napätie je pomerne ľahké určiť experimentálne. Na určenie povrchového napätia existujú rôzne metódy, ktoré sa delia na statické, semistatické a dynamické. Statické metódy sú založené na kapilárnych javoch spojených so zakrivením rozhrania.

S objavením sa povrchového zakrivenia medzi fázami sa vnútorný tlak tela mení a vzniká dodatočný (kapilárny) Laplaceov tlak R, ktorý môže zvýšiť alebo znížiť charakteristiku vnútorného tlaku plochého povrchu. Tento dodatočný tlak môže byť reprezentovaný ako výsledok síl povrchového napätia smerujúcich do stredu zakrivenia kolmo na povrch. Zakrivenie môže byť pozitívne alebo negatívne (obr. 2.2).

Ryža. 2.2. Schéma vytvárania dodatočného tlaku pre povrch s kladným (a) a záporným (b) zakrivenie

K zmene objemu kvapaliny dochádza v dôsledku samovoľného poklesu povrchovej energie a jej premeny na mechanickú energiu zmeny objemu telesa. V tomto prípade v rovnici (2.2) pre Helmholtzovu energiu pri konštantách T, n, q je potrebné zvážiť iba dva pojmy. dF=-pdV+ods. V rovnováhe dF = 0, teda pdv=ods. V tomto výraze p = P- prídavný tlak (Laplaceov tlak), ktorý sa rovná tlakovému rozdielu medzi tlakom telesa s rovným a zakriveným povrchom (AR):

Pomer sa nazýva zakrivenie povrchu.

Pre sférický povrch. Nahradením tohto výrazu

do rovnice pre dodatočný tlak dostaneme Laplaceovu rovnicu:

v ktorom G- polomer zakrivenia; - zakrivenie alebo disperzia (obr. 2.3).

Ak má povrch nepravidelný tvar, použije sa koncept stredného zakrivenia a použije sa Laplaceova rovnica

kde Gr / * 2 - hlavné polomery zakrivenia.

Ryža. 2.3. Kapilárne stúpanie kvapaliny počas zvlhčovania (a) a nezmáčania (O) kapilárne steny

Pre povrchové napätie je možné Laplaceovu rovnicu prepísať do tvaru zobrazujúceho proporcionalitu povrchu

polomer napätia kapiláry G a tlak R, pri ktorom z kapiláry ponorenej do kvapaliny uniká bublina plynu. Práve na tejto proporcionalite je založená metóda experimentálneho stanovenia povrchového napätia Rehbindera.

Rehbinderova metóda meria tlak, pri ktorom plynová bublina uniká z kapiláry, ktorá je znížená kvapalinou. V okamihu, keď bublina preskočí, nameraný tlak sa bude rovnať kapilárnemu tlaku, polomeru zakrivenia povrchu - polomeru kapiláry. V experimente je prakticky nemožné zmerať polomer kapiláry, preto sa vykonávajú relatívne merania: tlak sa určuje v plynovej bubline, ktorá preskakuje kvapalinou so známym povrchovým napätím (táto kvapalina sa nazýva štandardná) a potom tlak R v plynovej bubline, ktorá preskakuje kvapalinou s určeným povrchovým napätím. Ako štandardná kvapalina sa zvyčajne používa destilovaná voda a na presné merania sa používa bidestilát.

Pomer povrchového napätia štandardnej kvapaliny k tlaku v bubline, ktorá cez ňu preskočí, sa nazýva konštanta

kapilárnej. So známou hodnotou povrchového napätia

(t 0 a namerané tlaky a R pre štandardnú a skúmanú kvapalinu je povrchové napätie tejto kvapaliny určené hlavným výpočtovým vzorcom tejto metódy:

Ak je hodnota známa s vysokou presnosťou, potom bude presná aj hodnota povrchového napätia určovanej kvapaliny. Rehbinderova metóda poskytuje presnosť určenia povrchového napätia do 0,01 mJ/m 2 .

Pri použití metódy zdvíhania sa meria výška stúpania (alebo poklesu) kvapaliny v kapiláre a cc sa porovnáva s výškou stúpania štandardnej kvapaliny, ktorej povrchové napätie je známe (obr. 2.4).

Ryža. 2.4.

Príčinou kapilárneho stúpania je, že kvapalina zmáčajúc steny kapiláry vytvára určité zakrivenie povrchu a výsledný kapilárny Laplaceov tlak dvíha kvapalinu v kapiláre, až kým hmotnosť stĺpca kvapaliny nevyrovná pôsobiacu silu. Stúpanie kvapaliny v kapiláre sa pozoruje, keď je zakrivenie povrchu kvapaliny záporné. Pri konkávnom menisku má Laplaceov tlak tendenciu naťahovať kvapalinu a dvíhať ju, takéto kapilárne stúpanie sa nazýva pozitívne, je typické pre kvapaliny, ktoré zmáčajú steny kapiláry (napríklad v systéme sklo-voda). Naopak, ak je zakrivenie povrchu pozitívne (konvexný meniskus), potom prídavný tlak má tendenciu stláčať kvapalinu a pozoruje sa jej pokles v kapiláre, čo sa nazýva záporný kapilárny vzostup. Podobný jav je typický pre prípady, keď steny kapiláry nie sú zmáčané kvapalinou (napríklad v systéme sklo-ortuť).

Súdiac podľa obr. 2.4. zmáčanie ovplyvňuje geometriu povrchu a ak r je polomer zakrivenia, potom polomer samotnej kapiláry R súvisí s ním vzťahom

Kde V- kontaktný uhol zmáčania (akútny, za predpokladu, že steny kapiláry sú zmáčané kvapalinou). Z posledného vzťahu vyplýva, že

Dosadením tohto vzťahu do rovnice (2.4) dostaneme

Ak vezmeme do úvahy, že tlak stĺpca kvapaliny v rovnici pdv=ods súvisí s jeho výškou mgh = V(p-p^)gh, môžete získať pomer a potom Jurinov vzorec:

Kde h- výška stúpania kvapaliny v kapiláre; R je hustota kvapaliny; ps je hustota jeho nasýtených pár; g- gravitačné zrýchlenie.

Za predpokladu, že hustota kvapaliny R a jeho hustota nasýtených pár ps neporovnateľné (R » p s) pre povrchové napätie môžeme písať

V zjednodušenom vzorci sa tiež predpokladá, že steny nádoby sú úplne zmáčané kvapalinou (cos V = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

Pri praktickom použití metódy sa výpočet povrchového napätia uskutočňuje podľa vzorca

kde a h- výška stúpania v kapiláre štandardnej a testovanej kvapaliny; p^u p- ich hustota.

Táto metóda môže byť použitá ako presná za predpokladu, že čo v - konšt, lepšie V= 0°, čo je prijateľné pre mnohé kvapaliny bez ďalších podmienok. V experimente je potrebné použiť tenké kapiláry, ktoré sú dobre zmáčané kvapalinou. Metóda kapilárneho vzostupu môže tiež poskytnúť vysokú presnosť pri určovaní povrchového napätia až do 0,01-0,1 mJ / m