fenómenos capilares. Tensión superficial

La capa superficial del líquido tiene propiedades especiales. Las moléculas líquidas en esta capa están muy cerca de otra fase: el gas. Una molécula ubicada cerca de la interfaz líquido-gas tiene vecinos más cercanos en un solo lado, por lo que la suma de todas las fuerzas que actúan sobre esta molécula da la resultante dirigida hacia el interior del líquido. Por lo tanto, cualquier molécula líquida ubicada cerca de la superficie libre tiene un exceso de energía potencial en comparación con las moléculas del interior.

Para transferir una molécula de la mayor parte del líquido a la superficie, se debe realizar un trabajo. Cuando aumenta la superficie de cierto volumen de líquido, aumenta la energía interna del líquido. Esta componente de la energía interna es proporcional al área superficial del líquido y se denomina energía superficial. El valor de la energía superficial depende de las fuerzas de interacción molecular y del número de moléculas vecinas más cercanas. Para diferentes sustancias, la energía superficial toma diferentes valores. La energía de la capa superficial de un líquido es proporcional a su área: mi = σ S

La magnitud de la fuerza F que actúa por unidad de longitud del límite superficial determina la tensión superficial del líquido: σ = F/ L; σ- coeficiente de tensión superficial del líquido, N/m.

La forma más sencilla de captar la naturaleza de las fuerzas de tensión superficial es observar la formación de una gota en un grifo cerrado sin apretar. Mire cuidadosamente cómo crece gradualmente la gota, se forma un estrechamiento: el cuello y la gota se desprenden. La capa superficial de agua se comporta como una película elástica estirada.

Puede colocar con cuidado la aguja de coser en la superficie del agua. La película de la superficie se doblará y evitará que la aguja se hunda.

Por la misma razón, los insectos ligeros: los zancudos de agua pueden deslizarse rápidamente sobre la superficie del agua. La desviación de la película no permite que el agua se derrame, se vierte cuidadosamente en un tamiz bastante frecuente.Una tela es el mismo tamiz formado por hilos entrelazados. La tensión superficial hace que sea muy difícil que el agua se filtre y, por lo tanto, la tela no se moja instantáneamente. Debido a las fuerzas de tensión superficial, se forma espuma.

Cambio en la tensión superficial

Cuando un líquido entra en contacto con un sólido, el fenómenomojar o no humectante. Si las fuerzas de interacción entre las moléculas del líquido y el sólido son mayores que entre las moléculas del líquido, entonces el líquido se extiende sobre la superficie del sólido, es decir moja y viceversa, si las fuerzas de interacción entre las moléculas del líquido son mayores que entre las moléculas del líquido y el sólido, entonces el líquido se acumula en una gota y no moja la superficie del líquido.

fenómenos capilares.

En la naturaleza, a menudo hay cuerpos que tienen una estructura porosa (penetrada con muchos pequeños canales). El papel, el cuero, la madera, la tierra y muchos materiales de construcción tienen esta estructura. El agua u otro líquido, que cae sobre un cuerpo sólido de este tipo, puede ser absorbido por él, elevándose hasta una gran altura. Así es como sube la humedad en los tallos de las plantas, el queroseno sube a través de la mecha y la tela absorbe la humedad. Tales fenómenos se llaman capilares.

En un tubo cilíndrico estrecho, el líquido humectante se eleva debido a las fuerzas de interacción molecular, tomando una forma cóncava. Aparece una presión ascendente adicional debajo de la superficie cóncava y, por lo tanto, el nivel de líquido en el capilar es más alto que el nivel de la superficie libre. Un líquido no humectante adquiere una superficie convexa. Debajo de la superficie convexa del líquido, surge una presión inversa adicional hacia abajo, de modo que el nivel del líquido con un menisco convexo es más bajo que el nivel de la superficie libre.

El valor de la presión adicional es igual a p= 2 σ / R

El líquido en el capilar sube a tal altura que la presión de la columna de líquido equilibra el exceso de presión. La altura de subida del líquido en el capilar es: h = 2 σ / ρgr

Adsorción - un fenómeno similar a la humectación, se observa cuando las fases sólida y gaseosa entran en contacto. Si las fuerzas de interacción entre las moléculas de un sólido y un gas son grandes, entonces el cuerpo está cubierto con una capa de moléculas de gas. Las sustancias porosas tienen una gran capacidad de adsorción. La propiedad del carbón activado para adsorber una gran cantidad de gas se usa en máscaras de gas, en la industria química y en medicina.

El valor de la tensión superficial.

El concepto de tensión superficial fue introducido por primera vez por J. Segner (1752). En la 1ª mitad del siglo XIX. sobre la base del concepto de tensión superficial, se desarrolló una teoría matemática de los fenómenos capilares (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). En la 2ª mitad del siglo XIX. J. Gibbs desarrolló la teoría termodinámica de los fenómenos superficiales, en la que la tensión superficial juega un papel decisivo. Entre los problemas de actualidad actual se encuentra el desarrollo de la teoría molecular de la tensión superficial de diversos líquidos, incluidos los metales fundidos. Las fuerzas de tensión superficial juegan un papel importante en los fenómenos naturales, la biología, la medicina, varias tecnologías modernas, la impresión, la ingeniería y la fisiología de nuestro cuerpo. Sin estos poderes, no podríamos escribir con tinta. Una pluma ordinaria no sacaría tinta de un tintero, pero una automática haría inmediatamente una gran mancha, vaciando todo su depósito. Sería imposible enjabonarse las manos: la espuma no se formaría. El régimen hídrico del suelo se vería alterado, lo que sería desastroso para las plantas. Importantes funciones de nuestro cuerpo sufrirían. Las manifestaciones de las fuerzas de tensión superficial son tan diversas que ni siquiera es posible enumerarlas todas.

En medicina se mide la tensión superficial dinámica y de equilibrio del suero sanguíneo venoso, que puede utilizarse para diagnosticar una enfermedad y controlar el tratamiento que se está realizando. Se ha encontrado que el agua con baja tensión superficial es biológicamente más accesible. Entra en interacciones moleculares más fácilmente, entonces las células no tendrán que gastar energía para superar la tensión superficial.

El volumen de impresión en películas de polímero está en constante crecimiento debido al rápido desarrollo de la industria del embalaje, la gran demanda de bienes de consumo en coloridos envases de polímero. Una condición importante para la implementación competente de tales tecnologías es la definición precisa de las condiciones para su uso en los procesos de impresión. En la impresión, es necesario procesar el plástico antes de imprimir para que la pintura caiga sobre el material. La razón es la tensión superficial del material. El resultado está determinado por cómo el líquido humedece la superficie del producto. La humectación se considera óptima cuando queda una gota de líquido donde se aplicó. En otros casos, el líquido puede rodar en una gota o, por el contrario, esparcirse. Ambos casos conducen igualmente a resultados negativos durante la transferencia de tinta.

Algunas conclusiones:

FENÓMENOS CAPILARES

FENÓMENOS CAPILARES

física fenómenos causados ​​por la tensión superficial en la interfaz de medios inmiscibles. A K. I. Suelen incluir fenómenos en medios líquidos provocados por la curvatura de su superficie, que limita con otro líquido, gas o su propio vapor.

La curvatura de la superficie provoca la aparición de aditivos en el líquido. presión capilar Ar, cuyo valor está asociado con cf. curvatura r de la superficie por la ecuación de Laplace:

El movimiento de fluido en los capilares puede ser causado por la diferencia de presión capilar resultante de la expansión. curvatura de la superficie del líquido. El flujo de líquido se dirige hacia una presión más baja: para líquidos humectantes, hacia el menisco con un radio de curvatura más pequeño (Fig. 2a).

Reducida, de acuerdo con la ecuación de Kelvin, la presión de vapor sobre el menisco humectante yavl. provocar la condensación capilar de líquidos en poros finos.

La presión capilar negativa ejerce un efecto de constricción en las paredes que restringen el líquido (Fig. 2b).

Arroz. 2. a - líquidos en un capilar bajo la acción de una diferencia de presiones capilares (r1>r2); b - el efecto de contracción de la presión capilar (por ejemplo, en un capilar con paredes elásticas).

Esto puede conducir al significado. deformación volumétrica de sistemas altamente dispersos y cuerpos porosos - contracción capilar. Así, por ejemplo, el crecimiento continuo de la presión capilar durante el secado conduce a un aumento significativo contracción de los materiales.

Muchas propiedades de los sistemas dispersos (permeabilidad, resistencia, absorción de líquidos) significan. En cierta medida son causadas por K. Ya., ya que en los poros delgados de estos cuerpos se realizan altas presiones capilares.

K. i. Fueron descubiertos y estudiados por primera vez por Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (siglo XVII) y J. Zhuren (Dzhurin, siglo XVIII) en experimentos con tubos capilares. Teoría K. I. desarrollado en los trabajos de P. Laplace (1806), T. Young (Young, 1805), J. W. Gibbs (1875) e I. S. Gromeka (1879, 1886).

Diccionario enciclopédico físico. - M.: Enciclopedia soviética. . 1983 .

FENÓMENOS CAPILARES

- un conjunto de fenómenos causados ​​por la acción de la tensión superficial interfacial en la interfaz de medios inmiscibles; a K. i. Suelen incluir fenómenos en los líquidos provocados por la curvatura de su superficie, lindando con otro líquido, gas o propio. transportar. K. Ya. es un caso especial de fenómenos superficiales. la fuerza de gravedad Así, por ejemplo, al triturar un líquido en un gas (o un gas en un líquido), se forman gotitas (burbujas) esféricas. formularios Las propiedades de los sistemas que contienen una gran cantidad de gotas o burbujas (emulsiones, aerosoles líquidos, espumas) y las condiciones para su formación están determinadas en gran medida por la curvatura de la superficie de estas formaciones, es decir, K. I. El gran papel de K. I. También intervienen en la nucleación durante la condensación de vapor, la ebullición de líquidos y la cristalización. humectación líquida de esta superficie. Si tiene lugar, es decir, los líquidos 1 (Fig. 1) interactúan más fuertemente con la superficie de un cuerpo sólido 3 , que con moléculas de otro líquido (o gas) 2 , luego, bajo la influencia de la diferencia en las fuerzas de interacción intermolecular, el líquido sube a lo largo de la pared del recipiente y la sección de la superficie del líquido adyacente al cuerpo sólido se curvará. Hidrostático la presión provocada por el aumento del nivel del líquido se equilibra presión capilar - diferencia de presión por encima y por debajo de una superficie curva, cuyo valor está relacionado con la curvatura local de la superficie del líquido.
donde r 1 y r 2 son las densidades del líquido 1 y del gas 2, s 12 es la tensión interfacial, gramo- aceleración gravitacional, r es el radio de la curvatura promedio de la superficie del menisco (1 / r \u003d 1 / R 1 +1 / R 2, donde R 1 y R 2 son los radios de curvatura del menisco en dos secciones mutuamente perpendiculares aviones). Para mojar líquido r<0 и h 0 >0. Un líquido no humectante forma un menisco convexo, la presión capilar debajo de Crimea es positiva, lo que conduce a la disminución del líquido en el capilar por debajo del nivel de la superficie libre del líquido (h 0<0). Радиус кривизны rсвязан с радиусом капилляра r к соотношением r=-r к /cosq, где q - краевой угол, образуемый поверхностью жидкости со стенками капилляра. а - величину, характеризующую размеры системы L<а, при к-рых становятся существенными К. я.: Para agua a una temperatura de 20 ° C, a \u003d 0.38, vea los procesos de condensación capilar, evaporación y disolución en presencia de una superficie curva. Para la absorción capilar, una característica importante es su v, determinado por el valor de la presión capilar y la resistencia viscosa al flujo de fluido en el capilar. Velocidad v cambia con el tiempo de absorción yo, y para un capilar vertical

donde h(t)- posición del menisco en el momento t(Fig. 1), h - coeficiente. viscosidad del fluido. Cuando se absorbe en un capilar horizontal

En v>10 -3 cm/s, se debe tener en cuenta la posible dependencia del ángulo de contacto q con v y, en algunos casos, la resistencia viscosa del gas (u otro líquido) desplazado del capilar.La tasa de absorción capilar juega un papel en el suministro de agua de las plantas, el movimiento de fluidos en los suelos y otros cuerpos porosos. La impregnación capilar es uno de los procesos químicos más comunes. tecnología. las fluctuaciones en el espesor de las capas delgadas de líquido (chorro, película) - es la causa de su inestabilidad en relación con el estado de las gotas o del condensado capilar.

Para líquidos humectantes, el flujo de fluido se dirige hacia el menisco con un radio de curvatura más pequeño (es decir, hacia una presión más baja). La razón del movimiento capilar puede ser no solo el gradiente de curvatura, sino también el gradiente de tensión superficial del líquido.Así, el gradiente de temperatura conduce a una diferencia en la tensión superficial y, en consecuencia, a una diferencia en la presión capilar en el líquido (flujo termocapilar). Esto también explica las gotas de líquido y las burbujas de gas en un medio calentado de manera desigual: bajo la influencia del gradiente de tensión superficial, la superficie de las burbujas o gotas comienza a moverse. También se observa un efecto similar cuando s 12 cambia durante la adsorción tensioactivos(SAW): SAW reduce s 12 y el líquido se mueve en la dirección donde el tensioactivo en la superficie del líquido es menor (efecto Marangoni-Gibbs). La curvatura de la interfaz de fase conduce a un cambio en el valor de la presión de vapor de equilibrio. R por encima de ella o la solubilidad de los sólidos. Así, por ejemplo, sobre gotas de líquido R superior a la presión de saturación. par PD sobre una superficie líquida plana a la misma temperatura t Respectivamente desde partículas finas en el medio ambiente es mayor que la solubilidad cs superficie plana de la misma sustancia. Estos cambios se describen ecuación de Kelvin, obtenido de la condición de igualdad de la química. potenciales en fases adyacentes en el estado de termodinámica. equilibrio:

donde V- volumen molar de un líquido o sólido. Para partículas esféricas g en abs. mayor que su radio. Descenso o ascenso R Y desde depende, de acuerdo con (4), del signo de r (r>0 para convexo, y r<0 для вогнутых поверхностей). Так, в отличие от рассмотренного выше случая давление пара в пузырьке или над поверхностью вогнутого мениска понижено: p

La ecuación (4) determina la dirección de la materia (a partir de valores grandes R Y desde a menor) en el proceso de transición del sistema al estado de termodinámica. equilibrio. Esto conduce, en particular, al hecho de que las gotas grandes (o partículas) crecen debido a la evaporación (disolución) de las más pequeñas, y las superficies irregulares (en condiciones de tensión interfacial constante) se alisan debido a la evaporación (disolución) de protuberancias y relleno de depresiones. Las diferencias significativas en la presión y la solubilidad tienen lugar solo en r suficientemente pequeño (para el agua, por ejemplo, en |r|)