kapilarne pojave. Površinska napetost

Površinski sloj tekućine ima posebna svojstva. Molekule tekućine u ovom sloju su u neposrednoj blizini druge faze - plina. Molekula koja se nalazi blizu sučelja tekućina-plin ima najbliže susjede samo s jedne strane, tako da zbroj svih sila koje djeluju na ovu molekulu daje rezultantu usmjerenu unutar tekućine. Stoga svaka molekula tekućine koja se nalazi blizu slobodne površine ima višak potencijalne energije u usporedbi s molekulama unutar.

Da bi se molekula prenijela iz mase tekućine na površinu, mora se obaviti rad. Kada se površina određenog volumena tekućine poveća, unutarnja energija tekućine raste. Ova komponenta unutarnje energije proporcionalna je površini tekućine i naziva se površinska energija. Vrijednost površinske energije ovisi o silama molekularne interakcije i broju najbližih susjednih molekula. Za različite tvari površinska energija poprima različite vrijednosti. Energija površinskog sloja tekućine proporcionalna je njenoj površini: E= σ S

Veličina sile F koja djeluje po jedinici duljine granice površine određuje površinsku napetost tekućine: σ = F/ L; σ- koeficijent površinske napetosti tekućine, N/m.

Najlakši način za hvatanje prirode sila površinske napetosti je promatranje stvaranja kapi kod slabo zatvorene slavine. Pažljivo pogledajte kako kap postupno raste, formira se suženje - vrat i kap se skida. Površinski sloj vode ponaša se poput rastegnutog elastičnog filma.

Možete pažljivo staviti iglu za šivanje na površinu vode. Površinski film će se saviti i spriječiti potonuće igle.

Iz istog razloga, lagani insekti - vodoskoci mogu brzo kliziti po površini vode. Otklon filma ne dopušta da se voda izlije, pažljivo izlivena u prilično često sito.Tkanina je isto sito formirano isprepletenim nitima. Površinska napetost jako otežava prodiranje vode, pa se tkanina ne smoči odmah. Zbog sila površinske napetosti nastaje pjena.

Promjena površinske napetosti

Kada tekućina dođe u dodir s krutinom, pojavavlaženje ili nekvašenje. Ako su sile interakcije između molekula tekućine i krutine veće nego između molekula tekućine, tada se tekućina širi po površini krutine, t.j. vlaži i obrnuto, ako su sile interakcije između molekula tekućine veće nego između molekula tekućine i krutine, tada se tekućina skuplja u kap i ne vlaži površinu tekućine.

kapilarne pojave.

U prirodi često postoje tijela koja imaju poroznu strukturu (prožeta mnogo malih kanala). Tu strukturu imaju papir, koža, drvo, zemlja i mnogi građevinski materijali. Voda ili druga tekućina, koja padne na takvo čvrsto tijelo, može se apsorbirati u njega, uzdižući se do velike visine. Tako se vlaga diže u stabljikama biljaka, petrolej se diže kroz fitilj, a tkanina upija vlagu. Takve se pojave nazivaju kapilare.

U uskoj cilindričnoj cijevi tekućina za vlaženje diže se prema gore zbog sila molekularne interakcije, poprimajući konkavni oblik. Ispod konkavne površine pojavljuje se dodatni pritisak prema gore, pa je stoga razina tekućine u kapilari viša od razine slobodne površine. Tekućina koja ne vlaže poprima konveksnu površinu. Ispod konveksne površine tekućine nastaje obrnuti dodatni pritisak prema dolje, tako da je razina tekućine s konveksnim meniskusom niža od razine slobodne površine.

Vrijednost dodatnog tlaka jednaka je p= 2 σ / R

Tekućina u kapilari raste do takve visine da tlak stupca tekućine uravnotežuje višak tlaka. Visina uspona tekućine u kapilari je: h = 2 σ / ρgr

Adsorpcija - pojava slična vlaženju, opaža se kada čvrsta i plinovita faza dođu u kontakt. Ako su sile interakcije između molekula krutine i plina velike, tada je tijelo prekriveno slojem molekula plina. Porozne tvari imaju veliki kapacitet adsorpcije. Svojstvo aktivnog ugljena da adsorbira veliku količinu plina koristi se u plinskim maskama, u kemijskoj industriji i medicini.

Vrijednost površinske napetosti

Pojam površinske napetosti prvi je uveo J. Segner (1752). U 1. polovici 19.st. na temelju koncepta površinske napetosti razvijena je matematička teorija kapilarnih pojava (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). U 2. polovici 19.st. J. Gibbs je razvio termodinamičku teoriju površinskih pojava, u kojoj površinska napetost igra odlučujuću ulogu. Među aktualnim aktualnim problemima je razvoj molekularne teorije površinske napetosti različitih tekućina, uključujući rastaljene metale. Sile površinske napetosti imaju značajnu ulogu u prirodnim pojavama, biologiji, medicini, raznim suvremenim tehnologijama, tiskarstvu, inženjerstvu, te u fiziologiji našeg tijela. Bez ovih moći ne bismo mogli pisati tintom. Obična olovka ne bi hvatala tintu iz tintarnice, ali automatska bi odmah napravila veliku mrlju, ispraznivši cijeli svoj rezervoar. Bilo bi nemoguće sapuniti ruke: pjena se ne bi stvorila. Narušio bi se vodni režim tla, što bi bilo pogubno za biljke. Stradale bi važne funkcije našeg tijela. Manifestacije sila površinske napetosti toliko su raznolike da ih nije moguće sve ni nabrojati.

U medicini se mjeri dinamička i ravnotežna površinska napetost seruma venske krvi koja se može koristiti za dijagnosticiranje bolesti i kontrolu liječenja koje se provodi. Utvrđeno je da je voda niske površinske napetosti biološki pristupačnija. Lakše ulazi u molekularne interakcije, tada stanice neće morati trošiti energiju na prevladavanje površinske napetosti.

Obim tiska na polimernim folijama stalno raste zbog brzog razvoja ambalažne industrije, velike potražnje za robom široke potrošnje u šarenoj polimernoj ambalaži. Važan uvjet za kompetentnu implementaciju takvih tehnologija je precizno definiranje uvjeta za njihovu uporabu u procesima tiska. U tisku je neophodna obrada plastike prije tiska kako bi boja pala na materijal. Razlog je površinska napetost materijala. Rezultat je određen načinom na koji tekućina vlaži površinu proizvoda. Vlaženje se smatra optimalnim kada kap tekućine ostane tamo gdje je nanesena. U drugim slučajevima, tekućina se može kotrljati u kap ili, obrnuto, širiti se. Oba slučaja jednako dovode do negativnih rezultata tijekom prijenosa tinte.

Neki zaključci:

KAPILARNA FENOMENA

KAPILARNA FENOMENA

fiz. pojave uzrokovane površinskom napetošću na granici medija koji se ne miješaju. Za K. I. obično uključuju pojave u tekućim medijima uzrokovane zakrivljenošću njihove površine, koja graniči s drugom tekućinom, plinom ili vlastitom parom.

Zakrivljenost površine dovodi do pojave aditiva u tekućini. kapilarni tlak Ar, čija je vrijednost povezana s usp. zakrivljenost r površine Laplaceovom jednadžbom:

Kretanje tekućine u kapilarama može biti uzrokovano razlikom u kapilarnom tlaku koji je rezultat širenja. zakrivljenost površine tekućine. Protok tekućine usmjeren je prema nižem tlaku: za vlaženje tekućina prema meniskusu manjeg radijusa zakrivljenosti (slika 2a).

Smanjen, u skladu s Kelvinovom jednadžbom, tlak pare nad vlaženjem meniskusa yavl. uzrokuju kapilarnu kondenzaciju tekućina u tankim porama.

Negativni kapilarni tlak djeluje sužavajuće na stijenke koje ograničavaju tekućinu (slika 2b).

Riža. 2. a - tekućine u kapilari pod djelovanjem razlike kapilarnih tlakova (r1>r2); b - kontrakcijski učinak kapilarnog tlaka (npr. u kapilari s elastičnim stijenkama).

To može dovesti do smisla. volumetrijska deformacija visoko dispergiranih sustava i poroznih tijela – kontrakcija kapilara. Tako, na primjer, stalni rast kapilarnog tlaka tijekom sušenja dovodi do značajnog skupljanje materijala.

Mnoga svojstva dispergiranih sustava (propusnost, čvrstoća, apsorpcija tekućine) znače. U određenoj mjeri uzrokovani su K. Ya., budući da se u tankim porama ovih tijela ostvaruju visoki kapilarni pritisci.

K. i. prvi su otkrili i proučavali Leonardo da Vinci (1561.), B. Pascal (17. st.) i J. Zhuren (Dzhurin, 18. st.) u eksperimentima s kapilarnim cijevima. Teorija K. I. razvila u djelima P. Laplacea (1806), T. Younga (Young, 1805), J. W. Gibbsa (1875) i I. S. Gromeke (1879, 1886).

Fizički enciklopedijski rječnik. - M.: Sovjetska enciklopedija. . 1983 .

KAPILARNA FENOMENA

- skup pojava uzrokovanih djelovanjem površinske napetosti među površinama na granici medija koji se ne miješaju; do K. i. obično uključuju pojave u tekućinama uzrokovane zakrivljenošću njihove površine, koja graniči s drugom tekućinom, plinom ili vlastitim. trajekt. K. Ya. je poseban slučaj površinskih pojava. sila gravitacije. Tako, na primjer, prilikom drobljenja tekućine u plinu (ili plina u tekućini), nastaju kapljice (mjehurići) sfernog oblika. oblicima. Svojstva sustava koji sadrže veliki broj kapi ili mjehurića (emulzije, tekući aerosoli, pjene) i uvjeti za njihovo stvaranje uvelike su određeni zakrivljenošću površine tih formacija, odnosno K. I. Velika uloga K. I. Oni također igraju u nukleaciji tijekom kondenzacije pare, ključanja tekućine i kristalizacije. vlaženje ove površine tekućinom. Ako se odvija, tj. tekućine 1 (slika 1) jače djeluju s površinom čvrstog tijela 3 , nego s molekulama druge tekućine (ili plina) 2 , tada se pod utjecajem razlike u silama međumolekularne interakcije tekućina diže uz stijenku posude i presjek površine tekućine uz čvrsto tijelo bit će zakrivljen. Hidrostatski tlak uzrokovan porastom razine tekućine je uravnotežen kapilarni pritisak - razlika tlaka iznad i ispod zakrivljene površine, čija je vrijednost povezana s lokalnom zakrivljenošću površine tekućine.
gdje su r 1 i r 2 gustoće tekućine 1 i plina 2, s 12 je međufazna napetost, g- gravitacijsko ubrzanje, r je polumjer prosječne zakrivljenosti površine meniskusa (1 / r \u003d 1 / R 1 +1 / R 2, gdje su R 1 i R 2 polumjeri zakrivljenosti meniskusa u dva međusobno okomita presjeka avioni). Za vlaženje tekućine r<0 и h 0 >0. Tekućina koja ne vlaže tvori konveksni meniskus, kapilarni tlak ispod Krima je pozitivan, što dovodi do spuštanja tekućine u kapilari ispod razine slobodne površine tekućine (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.: Za vodu na temperaturi od 20 ° C, a \u003d 0,38, pogledajte procese kapilarne kondenzacije, isparavanja i otapanja u prisutnosti zakrivljene površine. Za kapilarnu apsorpciju važna karakteristika je njegova v, određena vrijednošću kapilarnog tlaka i viskoznog otpora protoku tekućine u kapilari. Ubrzati v mijenja se s vremenom apsorpcije t, a za vertikalnu kapilaru

gdje h(t) - položaj meniskusa u vremenu t(slika 1), h - koeficijent. viskoznost tekućine. Kada se apsorbira u horizontalnu kapilaru

Na v>10 -3 cm/s, treba uzeti u obzir moguću ovisnost kontaktnog kuta q o v, au nekim slučajevima - viskozni otpor plina (ili druge tekućine) istisnutog iz kapilare.Brzina kapilarne apsorpcije igra ulogu u vodoopskrbi biljaka, kretanju tekućine u tlu i drugim poroznim tijelima. Impregnacija kapilara jedan je od najčešćih kemijskih procesa. tehnologija. fluktuacije u debljini tankih slojeva tekućine (mlaz, film) - uzrok je njihove nestabilnosti u odnosu na stanje kapi ili kapilarnog kondenzata.

Za vlaženje tekućina, tok tekućine je usmjeren prema meniskusu s manjim polumjerom zakrivljenosti (tj. prema nižem tlaku). Razlog gibanja kapilara može biti ne samo gradijent zakrivljenosti, već i gradijent površinske napetosti tekućine.Tako, temperaturni gradijent dovodi do razlike u površinskoj napetosti i, posljedično, do razlike u kapilarnom tlaku u tekućina (termokapilarni tok). To također objašnjava kapljice tekućine i mjehuriće plina u neravnomjerno zagrijanom mediju: pod utjecajem gradijenta površinske napetosti, površina mjehurića ili kapi počinje se micati. Sličan učinak se također opaža kada se s 12 mijenja tijekom adsorpcije površinski aktivnih tvari(SAW): SAW smanjuje s 12 i tekućina se kreće u smjeru gdje je površinski aktivna tvar na površini tekućine manja (Marangoni-Gibbsov efekt). Zakrivljenost međufaznog sučelja dovodi do promjene vrijednosti ravnotežnog tlaka pare R iznad njega ili topivosti čvrstih tvari. Tako, na primjer, preko kapi tekućine R viši od tlaka zasićenja. par p.s na ravnoj površini tekućine na istoj temperaturi T. Odnosno iz finih čestica u okolišu je veća od topljivosti c s ravna površina iste tvari. Ove promjene su opisane Kelvinova jednadžba, dobiveno iz uvjeta jednakosti kemijske. potencijali u susjednim fazama u stanju termodinamike. ravnoteža:

gdje V- molarni volumen tekućine ili krutine. Za sferne čestice g u abs. veći od njihovog polumjera. Ispadanje ili unapređenje R I iz ovisi, u skladu s (4), o predznaku r (r>0 za konveksno, a r<0 для вогнутых поверхностей). Так, в отличие от рассмотренного выше случая давление пара в пузырьке или над поверхностью вогнутого мениска понижено: p

Jednadžba (4) određuje smjer materije (od velikih vrijednosti R I iz na manje) u procesu prijelaza sustava u termodinamičko stanje. ravnoteža. To posebno dovodi do činjenice da velike kapljice (ili čestice) rastu zbog isparavanja (otapanja) manjih, a neravne površine (pod uvjetom stalne međufazne napetosti) se izglađuju zbog isparavanja (otapanja). ) izbočina i popunjavanja udubljenja. Značajne razlike u tlaku i topljivosti javljaju se samo pri dovoljno malom r (za vodu, na primjer, pri |r|)