Tanulmány a függőség felületi feszültség hőmérséklet - Dokumentum - oldal
Felületi feszültség TANULMÁNY a hőmérséklettől
II. Röviden Theory of Operation
Folyadékok és szilárd anyagok, szemben a gázokat kondenzáljuk egy állam, ahol atomok vagy molekulák az anyag összekapcsolt. Az átlagos energia a termikus mozgás nem elegendő a spontán törés a kapcsolat, így a kondenzált test megtartja a térfogata. Azonban, ellentétben a kristályos szilárd anyagok, folyékony az intézkedés alapján a külső erők könnyen változtatni az alakját, és azok térfogata még gyakorlatilag nem változott.
A közötti arány átlagos kinetikus energiája molekulák (), amely intézkedés az intenzitása véletlenszerű mozgás és potenciális energiája közötti kölcsönhatás molekulák (), meghatározzuk a lehetséges sorrendjét térbeli elrendezésben, döntő fontosságú a kialakulását a halmazállapot az anyag.
A szilárd formák, feltéve, hogy (domináns sorrendben). A gáz halmazállapotú, ahol uralkodik káosz. Abban az esetben, ha a folyadék a két hozzájárulás összehasonlítható - van egy nagyon nehéz helyzet. Ez általában feltételezzük, hogy a folyadék egy bizonyos szabályosságot a közvetlen környezet a molekulák (az úgynevezett rövid hatótávolságú érdekében), annak hiányában a hosszú távú rendezettséget.
A jellemző valamennyi szerv a kondenzált állapotban, hogy van szabad felületeket mennyiség korlátozására. Így a folyadék térfogata az edénybe, és az edényt mindig korlátozott a falak a gázban (rendszerint a folyadék felszíne feletti telített vízgőzzel, valamint gáznemű levegő).
A felületek a folyadék molekulák körülmények eltérnek a feltételeket belül a folyadék térfogata. Ez a különbség annak köszönhető, hogy különböző sűrűségű a gáz és a folyadék (vagy szilárd). Például, a légköri nyomás és a hőmérséklet 100 ° C egyenlő a víz sűrűsége, és a vízgőz, azaz a 1600-szer kevesebb. Ez azt jelenti, hogy egységnyi térfogatú víz és 1600-szor több molekula, mint az egységnyi térfogatú vízgőz (sűrűség a termék molekula tömeg a molekulák koncentrációja). Ha figyelembe vesszük, hogy a térfogata arányos a kocka a lineáris méretei, közötti távolság egy pár molekulák (1600) 1/3 12-szer nagyobb, mint a távolság a vízmolekulák azonos körülmények között.
Hasonló eredményt kapunk is más anyagok. Kiderült, hogy a távolság a molekulák a folyadék és szilárd állapotok alig különböznek (csak néhány százalék), míg a távolság a gáz (a nem túl magas nyomás) egy nagyságrenddel nagyobb.
Intermolekuláris silyvzaimodeystviya meghatározó szerepet játszanak a kialakulásában és tulajdonságait a kondenzált anyagok. Ami a felszíni jelenségek, fontos számukra a különbség a molekuláris erők a környező környezetben: gáz / folyadék. gáz / szilárd anyag formájában. folyadék / gáz.
Molekuláris erők számos érdekes funkciók. Először is, a rövid hatótávolságú erők nyilvánul csak távolságok a sorrendben a hatékony méretei a molekulák maguk. Kiindulva egy bizonyos távolságot (amely az úgynevezett molekuláris hatósugár), úgy, hogy a molekulák el lehet hanyagolni. Radius molekuláris kereset a nagyságrendileg 10 -9 m, ami nem haladja meg több átmérői a molekula. A gázok, ahol a távolságok közötti molekulák körülbelül tízszer több, mint a folyadékok vagy szilárd anyagok, a molekuláris erők elhanyagolhatóak a legtöbb esetben.
A vonzóerők (), amelyek megmutatkoznak a molekuláris hatósugara, további molekulák megközelíteni távolság a rend helyébe visszataszító erők a lineáris méretek maguknak a molekuláknak (), amelyek csökkentik a távolság sokkal gyorsabb, mint a vonzó-. Általában úgy vélik, hogy a gravitációs erő - a taszító erő - úgy, hogy az eredő erő adja meg:
ahol a jellemző állandók adatok molekula (ábra. 1).
1. ábra. A függőség a vonzó- (), taszítás ()
és az eredő erő () közötti távolság molekulák
Molekuláris erők villamos eredetű, a fő szerepet származik a kölcsönhatás a dipólus molekulák. Sok molekulák (beleértve a vízmolekulák) mutatnak villamos dipólusnyomatékuk hiányában egy elektromos mező. Ez az úgynevezett poláris molekulák, amelyek az aszimmetrikus szerkezet. A szimmetrikus molekulákat forrás intermolekuláris vonzás instant dipól kölcsönhatás (a természete ennek a hatás - kvantummechanikai).
A fázisok közötti határfelületen (folyadék / gőz) egy átmeneti réteget, amelyben a sűrűség változik a sűrűség a folyadék a gőz sűrűség. Normál hőmérsékleten ez a réteg vékony (vastagsága mérjük néhány molekula átmérője), mivel a hőmérséklet emelkedik átmenetet réteg növekszik.
A molekulák a felületi réteg használata feltételektől eltérő feltételek belül a folyadék: folyadék belsejében ezek körül minden oldalról azonos molekulák, és a felület közelében azonosak a szomszédok csak az egyik oldalon (2. ábra).
2. ábra. Molekulák a felszín közelében, és belsejében a folyadék
Tekintettel a negatív potenciális energiája kölcsönhatás a molekulák a molekulák a felületi rétegben kell egy magasabb energia, mint a molekulák a folyadék.
Így, a felületi réteg van feleslegben az energia miatt a különbség a intermolekuláris kölcsönhatások mindkét fázisban. A különbség az energia a molekulák (mindkettő média) közelében, a felület és az energia, hogy ezek a molekulák volna, ha voltak, amelyek a folyékony, az úgynevezett felületi energiával.
Nyilvánvaló, hogy a felületi energia arányos a terület a felszín alatt S:
Együttható úgynevezett felületi feszültség (vagy a felületi feszültséget).
Köztudott, hogy minden rendszer inkább olyan állapot a legalacsonyabb potenciális energia. Ezért a folyékony cseppek (vagy gázbuborékok) hajlamosak arra, hogy egy gömb alakú, amelyben a felület minimális. Bizonyos értelemben, egy vékony felületi réteg úgy működik, mint egy gumi hüvelyt a folyadék térfogata. Merül fel ez a réteg felületi erők irányította a felület mentén. Mindig arra törekszünk, hogy csökkentse a felületen. Azonban, ellentétben a rugalmas film, a feszültség, amely fokozódik, ha a film nyújtása, a folyadék mennyiségét felületi feszültség nem változik, ha a felület.
Együtt a „energia” meghatározás is be „erő” meghatározása a felületi feszültség. A fizikai jelentése „power” definíció a következő: amikor a folyadék felszíne korlátozva van egy vonal vagy hurok hossza L (nedvesített kerület), akkor ez a hurok, erre merőleges, az erő a felületi feszültség (F), amely abban rejlik, egy érintő sík felületén folyadék. és irányul csökkentését az területen. Koeffitsientompoverhnostnogo szakító szilárdsága a hosszának aránya az áramkör:
Annak illusztrálására, a fenti, akkor tekintsük az alábbi egyszerű példát. Képzeljünk el folyadékfilm feszítve egy drótváz, amelynek egyik oldalán (az L hosszúság) szabadon mozoghat (ábra. 3).
Ábra. 3. A folyékony film feszített a keret.
Mivel a tendencia, hogy csökken a felület, a huzal tapasztal erő, amely a mozgatható része a keret közvetlenül meg lehet mérni. Ez az erő határozza meg származéka potenciális energia-koordináta irányú erő:
Mivel a felület egyik oldalán a film ezután (vö képletű (2)). Ez az erő működteti a szegmens keret l, ami annak köszönhető, hogy a felületi feszültség az egyik oldalon a film (mint a film két oldala van, az egyetlen szegmens L dupla erő hat). A mínusz jel arra utal, hogy az erő irányítjuk a felszínen a film.
Felületi feszültség természetétől függ a kapcsolatot a média és az állapotát. Összehasonlításképpen, az alábbiakban azok az értékek a felületi feszültség a folyadék / gőz különböző anyagok (20 ° C-on):
Hangsúlyozzuk ismét, hogy a felületi feszültség jellemzi a különbség molekuláris kölcsönhatások a két fázis keletkezik a felületen. Ezért, szükséges és elégséges feltétele, hogy létezik a felület (és következésképpen, felületi feszültség), először is, a jelenléte a molekuláris vonzó-, ami a kondenzációs, és, másodszor, a különbség nagysága ezen erők a szomszédos fázisokban.
A felületi feszültség nagyban változhat beadva folyékony szennyeződések. Van egy osztály úgynevezett felületaktív vegyületek (felületaktív anyagok). lehet adszorbeálva a felület, és ennek megfelelően csökken a felületi feszültség. A víz az ilyen anyagok, például a különböző szappanok.
Felületi feszültség az olaj / víz határfelületen annak érdekében, átlagos (N / m). Annak érdekében, hogy növelje olajkitermelés gyakran szükség van arra csökkentik a feszültséget. Egy hatékony módszer egy olyan módszer, vízáramoltatási oldatok rétegek felületaktív anyagot vagy injekció formájában a kialakulását lúgos víz, amelyek hozzájárulnak a kialakulásához nátrium-szappanok, közel a felület a víz / olaj és ezáltal csökkenti a felületi feszültséget a felület az olaj és a víz.
Bevezetés a széndioxid képződés CO2 (vízben oldjuk, vagy egy folyékony formában), hogy van egy közös oldódási szén-dioxid a szénhidrogén olajok, folyékony CO2. is vezet, hogy csökken a határfelületi feszültséget.
Most tekintsük a függőség felületi feszültség hőmérséklet. Növekvő hőmérséklettel, a csökkenés a felületi feszültség a folyadék / gőz. Ez azért van, mert a hőmérséklet fölé emelkedik, a folyadék-gőz sűrűsége nő (a megnövekedett párolgás), és a sűrűsége a folyadékban csökken (bár nem olyan jelentősen, mint a gőz). Ennek eredményeként, a különbség a sűrűség csökken, és ezáltal csökkenti a különbséget a molekuláris kölcsönhatások a szomszédos fázisokban.
Ha kis gáz sűrűség (szemben a folyadék sűrűsége) lehet elhanyagolható reagáltatásával felületi réteg gőzmolekulák molekulákkal (lásd. 2. ábra), ma már egyre több észrevehető kölcsönhatást. Végül a kritikus hőmérséklet. ha összehasonlítjuk sűrűség a folyadék és a gáz fázis, a különbséget a folyékony és gőz eltűnik. Ez kiküszöböli a fázishatáron, és a felületi feszültség nulla lesz.
Ha a felület felület nem sík, akkor mindkét oldalán a görbült felület létezik egy nyomáskülönbség által okozott felületi feszültség. Ez a járulékos nyomást nevezzük felszíni vagy kapilláris nyomás ().
A nagysága a túlnyomás függ a felület görbülete, és határozza meg a Laplace képlet:
Itt - a fő görbületi sugár a felület. A különféle felületekre, van:
Egy sima felületre folyékony felületi feszültség erők irányította a felület mentén nem hoznak létre további nyomást: a nyomást a folyadék egyenlő a külső nyomás. Egy konvex felülete (például, a folyékony cseppek a levegőben) felszíni vágy, hogy csökkentse vezet összehúzódása a csepp és a folyadék belsejében uralkodó nyomás nagyobb, mint a környezeti nyomás. Abban az esetben, a konkáv folyadék felszínén (gázbuborék a folyadék) kisebb, mint a nyomás a folyadék, mint a gáz a buborék belsejében (ebben az esetben ábrán mutatjuk be. 4). Általában, mindig van egy túlnyomás egyik két szomszédos médiumok, amelyben az oldalsó felülete homorú szakasza.