kılcal fenomen. Yüzey gerilimi

Sıvının yüzey tabakası özel özelliklere sahiptir. Bu katmandaki sıvı moleküller, başka bir faz olan gaza çok yakındır. Sıvı-gaz ​​ara yüzünün yakınında bulunan bir molekülün yalnızca bir tarafında en yakın komşuları vardır, bu nedenle bu moleküle etki eden tüm kuvvetlerin toplamı, sıvının içine yönlendirilen sonucu verir. Bu nedenle, serbest yüzeye yakın bulunan herhangi bir sıvı molekülü, içindeki moleküllere kıyasla fazla potansiyel enerjiye sahiptir.

Bir molekülü sıvının kütlesinden yüzeye aktarmak için iş yapılmalıdır. Belirli bir hacimdeki sıvının yüzeyi arttığında sıvının iç enerjisi artar. İç enerjinin bu bileşeni, sıvının yüzey alanı ile orantılıdır ve yüzey enerjisi olarak adlandırılır. Yüzey enerjisinin değeri, moleküler etkileşim kuvvetlerine ve en yakın komşu moleküllerin sayısına bağlıdır. Farklı maddeler için yüzey enerjisi farklı değerler alır. Bir sıvının yüzey tabakasının enerjisi, alanıyla orantılıdır: E= σ S

Yüzey sınırının birim uzunluğu başına etkiyen F kuvvetinin büyüklüğü sıvının yüzey gerilimini belirler: σ = F/ L; σ- sıvı yüzey gerilimi katsayısı, N/m.

Yüzey gerilimi kuvvetlerinin doğasını yakalamanın en kolay yolu, gevşek bir şekilde kapatılmış bir muslukta bir damla oluşumunu gözlemlemektir. Damlanın nasıl yavaş yavaş büyüdüğüne dikkatlice bakın, bir daralma oluşur - boyun ve damla çıkar. Suyun yüzey tabakası gerilmiş elastik bir film gibi davranır.

Dikiş iğnesini suyun yüzeyine dikkatlice yerleştirebilirsiniz. Yüzey filmi bükülecek ve iğnenin batmasını önleyecektir.

Aynı nedenle, hafif böcekler - su avcıları, suyun yüzeyinde hızla kayabilir. Filmin sapması, oldukça sık bir elek içine dikkatlice dökülen suyun dökülmesine izin vermez.Bir kumaş, ipliklerin birbirine geçmesiyle oluşturulan elek ile aynıdır. Yüzey gerilimi suyun sızmasını çok zorlaştırır ve bu nedenle kumaş anında ıslanmaz. Yüzey gerilimi kuvvetleri nedeniyle köpük oluşur.

Yüzey geriliminde değişiklik

Bir sıvı bir katı ile temas ettiğinde, fenomenıslatma veya ıslanmaz. Sıvının molekülleri ile katı arasındaki etkileşim kuvvetleri sıvının molekülleri arasındakinden daha büyükse, sıvı katının yüzeyine yayılır, yani. ıslanır ve bunun tersi, sıvının molekülleri arasındaki etkileşim kuvvetleri sıvı ve katı molekülleri arasındakinden daha büyükse, sıvı bir damlada toplanır ve sıvının yüzeyini ıslatmaz.

kılcal fenomen.

Doğada, genellikle gözenekli bir yapıya sahip (birçok küçük kanalla nüfuz eden) cisimler vardır. Kağıt, deri, ahşap, toprak ve birçok yapı malzemesi bu yapıya sahiptir. Böyle katı bir gövdeye düşen su veya başka bir sıvı, büyük bir yüksekliğe kadar yükselerek içine emilebilir. Bitkilerin gövdelerindeki nem bu şekilde yükselir, gazyağı fitilden yükselir ve kumaş nemi emer. Bu tür olaylara kılcal damarlar denir.

Dar silindirik bir tüpte, moleküler etkileşim kuvvetleri nedeniyle ıslatma sıvısı yükselir ve içbükey bir şekil alır. İçbükey yüzeyin altında yukarıya doğru ek bir basınç oluşur ve bu nedenle kılcaldaki sıvı seviyesi serbest yüzey seviyesinden daha yüksektir. Islatmayan bir sıvı dışbükey bir yüzey alır. Sıvının dışbükey yüzeyinin altında, ters ek bir aşağı doğru basınç oluşur, böylece dışbükey menisküslü sıvının seviyesi serbest yüzey seviyesinden daha düşük olur.

Ek basıncın değeri p= 2 σ / R'ye eşittir

Kılcal damardaki sıvı öyle bir yüksekliğe yükselir ki, sıvı sütununun basıncı aşırı basıncı dengeler. Kılcaldaki sıvı yükselme yüksekliği: h = 2 σ / ρgr

Adsorpsiyon - ıslanmaya benzer bir fenomen, katı ve gaz fazları temas ettiğinde gözlemlenir. Bir katı ve gaz molekülleri arasındaki etkileşim kuvvetleri büyükse, vücut bir gaz molekülü tabakası ile kaplanır. Gözenekli maddeler büyük bir adsorpsiyon kapasitesine sahiptir. Aktif karbonun büyük miktarda gazı emme özelliği gaz maskelerinde, kimya endüstrisinde ve tıpta kullanılır.

Yüzey geriliminin değeri

Yüzey gerilimi kavramı ilk olarak J. Segner (1752) tarafından tanıtıldı. 19. yüzyılın 1. yarısında. yüzey gerilimi kavramı temelinde, kılcal fenomenlerin matematiksel bir teorisi geliştirildi (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). 19. yüzyılın 2. yarısında. J. Gibbs, yüzey geriliminin belirleyici bir rol oynadığı yüzey olaylarının termodinamik teorisini geliştirdi. Güncel güncel problemler arasında, erimiş metaller de dahil olmak üzere çeşitli sıvıların yüzey geriliminin moleküler teorisinin geliştirilmesi yer almaktadır. Yüzey gerilimi kuvvetleri, doğal olaylarda, biyolojide, tıpta, çeşitli modern teknolojilerde, baskıda, mühendislikte ve vücudumuzun fizyolojisinde önemli bir rol oynar. Bu güçler olmasaydı, mürekkeple yazamazdık. Sıradan bir kalem, bir hokkadan mürekkebi çekmez, ancak otomatik bir kalem, tüm haznesini boşaltarak hemen büyük bir leke oluşturur. Ellerinizi sabunlamak imkansız olurdu: köpük oluşmazdı. Toprağın su rejimi bozulur, bu da bitkiler için felaket olur. Vücudumuzun önemli işlevleri zarar görür. Yüzey gerilimi kuvvetlerinin tezahürleri o kadar çeşitlidir ki, hepsini listelemek bile mümkün değildir.

Tıpta, bir hastalığı teşhis etmek ve yürütülen tedaviyi kontrol etmek için kullanılabilen venöz kan serumunun dinamik ve denge yüzey gerilimi ölçülür. Düşük yüzey gerilimine sahip suyun biyolojik olarak daha erişilebilir olduğu bulunmuştur. Moleküler etkileşimlere daha kolay girer, hücreler yüzey gerilimini aşmak için enerji harcamak zorunda kalmazlar.

Ambalaj endüstrisinin hızlı gelişimi, renkli polimer ambalajlarda tüketim mallarına olan yüksek talep nedeniyle polimer filmlere baskı hacmi sürekli artıyor. Bu tür teknolojilerin yetkin bir şekilde uygulanması için önemli bir koşul, baskı işlemlerinde kullanım koşullarının kesin tanımıdır. Baskıda, boyanın malzemenin üzerine düşmesi için baskıdan önce plastiğin işlenmesi gereklidir. Bunun nedeni malzemenin yüzey gerilimidir. Sonuç, sıvının ürünün yüzeyini nasıl ıslattığına göre belirlenir. Uygulandığı yerde bir damla sıvı kaldığında ıslatma optimal kabul edilir. Diğer durumlarda, sıvı bir damla haline gelebilir veya tersine yayılabilir. Her iki durum da mürekkep aktarımı sırasında eşit olarak olumsuz sonuçlara yol açar.

Bazı sonuçlar:

kılcal OLGU

kılcal OLGU

Fizik karışmayan ortamların ara yüzeyindeki yüzey geriliminin neden olduğu fenomenler. K.I.'ye genellikle, başka bir sıvı, gaz veya kendi buharıyla sınırlanan yüzeylerinin eğriliğinden kaynaklanan sıvı ortamdaki fenomenleri içerir.

Yüzeyin eğriliği, sıvıda katkı maddelerinin görünmesine yol açar. değeri cf ile ilişkili olan kılcal basınç Ar. Laplace denklemi ile yüzeyin eğriliği r:

Kılcal damarlardaki sıvının hareketi, genleşmeden kaynaklanan kılcal basınç farkından kaynaklanabilir. sıvı yüzeyinin eğriliği. Sıvı akışı daha düşük basınca doğru yönlendirilir: sıvıları ıslatmak için, daha küçük eğrilik yarıçapına sahip menisküse doğru (Şekil 2a).

Kelvin denklemine göre, ıslanan menisküs üzerindeki buhar basıncı azaltılmıştır. sıvıların ince gözeneklerde kılcal yoğunlaşmasına neden olur.

Negatif kılcal basınç, sıvıyı kısıtlayan duvarlar üzerinde büzücü bir etki yapar (Şekil 2b).

Pirinç. 2. a - kılcal basınçlardaki bir farkın etkisi altında bir kılcaldaki sıvılar (r1>r2); b - kılcal basıncın büzülme etkisi (örneğin, elastik duvarlı bir kılcal damarda).

Bu anlama yol açabilir. oldukça dağınık sistemlerin ve gözenekli cisimlerin hacimsel deformasyonu - kılcal daralma. Bu nedenle, örneğin, kurutma sırasında kılcal basıncın devam eden büyümesi, önemli bir malzemelerin büzülmesi.

Dağınık sistemlerin birçok özelliği (geçirgenlik, mukavemet, sıvı emme) anlamına gelir. Bir dereceye kadar K. Ya. neden olur, çünkü bu cisimlerin ince gözeneklerinde yüksek kılcal basınçlar gerçekleşir.

K. i. İlk olarak Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (17. yüzyıl) ve J. Zhuren (Dzhurin, 18. yüzyıl) tarafından kılcal borularla yapılan deneylerde keşfedildi ve çalışıldı. Teori K.I. P. Laplace (1806), T. Young (Young, 1805), J. W. Gibbs (1875) ve I. S. Gromeka (1879, 1886) eserlerinde geliştirildi.

Fiziksel Ansiklopedik Sözlük. - M.: Sovyet Ansiklopedisi. . 1983 .

kılcal OLGU

- karışmayan ortamların arayüzünde arayüzey yüzey geriliminin etkisinin neden olduğu bir dizi fenomen; K.i.'ye genellikle sıvılarda, yüzeylerinin eğriliğinden kaynaklanan, başka bir sıvı, gaz veya uygun sınırda olan fenomenleri içerir. feribot. K. Ya., yüzey olaylarının özel bir durumudur. yerçekimi kuvveti. Bu nedenle, örneğin, bir gazdaki bir sıvıyı (veya bir sıvıdaki bir gazı) ezerken, küresel damlacıklar (kabarcıklar) oluşur. formlar. Çok sayıda damla veya kabarcık (emülsiyonlar, sıvı aerosoller, köpükler) içeren sistemlerin özellikleri ve bunların oluşum koşulları büyük ölçüde bu oluşumların yüzeyinin eğriliği ile belirlenir, yani K. I. K.I.'nin büyük rolü. Ayrıca buhar yoğunlaşması, sıvı kaynaması ve kristalleşme sırasında çekirdeklenmede de rol oynarlar. bu yüzeyin sıvı ıslanması. Eğer gerçekleşirse, yani sıvılar 1 (Şekil 1) katı bir cismin yüzeyi ile daha güçlü bir şekilde etkileşir 3 , başka bir sıvının (veya gazın) moleküllerine göre 2 , daha sonra, moleküller arası etkileşim kuvvetlerindeki farkın etkisi altında, sıvı, kabın duvarı boyunca yükselir ve sıvının yüzeyinin katı gövdeye bitişik bölümü kavislenir. Hidrostatik sıvı seviyesindeki yükselmenin neden olduğu basınç dengelenir kılcal basınç - değeri sıvı yüzeyinin yerel eğriliği ile ilgili olan, eğri bir yüzeyin üstündeki ve altındaki basınç farkı.
r 1 ve r 2, sıvı 1 ve gaz 2'nin yoğunluklarıdır, s 12, arayüzey gerilimidir, G- yerçekimi ivmesi, r, menisküs yüzeyinin ortalama eğriliğinin yarıçapıdır (1 / r \u003d 1 / R 1 +1 / R 2, burada R 1 ve R 2, birbirine dik iki kesitte menisküsün eğrilik yarıçaplarıdır. yüzeyleri). sıvı r ıslatmak için<0 и h 0 >0. Islanmayan bir sıvı dışbükey bir menisküs oluşturur, Kırım altındaki kılcal basınç pozitiftir, bu da kılcaldaki sıvının sıvının serbest yüzeyinin seviyesinin altına düşmesine yol açar (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.: 20 ° C, a \u003d 0.38 sıcaklıktaki su için, kavisli bir yüzey varlığında kılcal yoğuşma, buharlaşma ve çözünme işlemlerine bakın. Kılcal emilim için önemli bir özellik, v, kılcal basınç değeri ve kılcal damardaki sıvı akışına karşı viskoz direnç ile belirlenir. Hız v absorpsiyon süresi ile değişir T, ve dikey bir kapiler için

nerede h(t) - menisküsün o anki pozisyonu T(Şekil 1), h - katsayısı. sıvı viskozitesi. Yatay bir kapiler içine emildiğinde

saat v>10 -3 cm/s, temas açısının q üzerindeki olası bağımlılığı hesaba katılmalıdır. v ve bazı durumlarda - kılcaldan yer değiştiren gazın (veya diğer sıvının) viskoz direnci Kılcal emme oranı, bitkilerin su beslemesinde, sıvının toprakta hareketinde ve diğer gözenekli cisimlerde rol oynar. Kılcal emdirme en yaygın kimyasal işlemlerden biridir. teknoloji. ince sıvı katmanlarının (jet, film) kalınlığındaki dalgalanmalar - damla veya kılcal kondensat durumuna göre kararsızlıklarının nedenidir.

Sıvıları ıslatmak için, sıvı akışı daha küçük bir eğrilik yarıçapıyla (yani daha düşük basınca) menisküse doğru yönlendirilir. Kılcal hareketin nedeni sadece eğrilik gradyanı değil, aynı zamanda sıvının yüzey geriliminin gradyanı da olabilir.Bu nedenle, sıcaklık gradyanı yüzey geriliminde bir farka ve sonuç olarak kapiler basınçta bir farka yol açar. sıvı (termokapiler akış). Bu aynı zamanda eşit olmayan şekilde ısıtılan bir ortamdaki sıvı damlacıklarını ve gaz kabarcıklarını da açıklar: yüzey gerilimi gradyanının etkisi altında, kabarcıkların veya damlaların yüzeyi hareket etmeye başlar. Adsorpsiyon sırasında s 12 değiştiğinde de benzer bir etki gözlenir. yüzey aktif maddeler(SAW): SAW, s 12'yi azaltır ve sıvı, sıvının yüzeyindeki yüzey aktif cisminin daha az olduğu yönde hareket eder (Marangoni-Gibbs etkisi). Faz arayüzünün eğriliği, denge buhar basıncının değerinde bir değişikliğe yol açar. rüstünde veya katıların çözünürlüğü. Yani, örneğin, sıvı damlaları üzerinde r doyma basıncından daha yüksektir. çift ps aynı sıcaklıkta düz bir sıvı yüzey üzerinde T. Sırasıyla itibaren ortamdaki ince parçacıklar çözünürlükten daha yüksektir cs aynı maddenin düz yüzeyi. Bu değişiklikler açıklanan Kelvin denklemi, kimyasal eşitlik koşulundan elde edilir. termodinamik durumda bitişik fazlardaki potansiyeller. denge:

nerede V- Bir sıvının veya katının molar hacmi. Abs cinsinden küresel parçacıklar için g. yarıçaplarından daha büyüktür. Düşme veya yükselme r Ve itibaren(4)'e göre, r'nin işaretine bağlıdır (dışbükey için r>0 ve r<0 для вогнутых поверхностей). Так, в отличие от рассмотренного выше случая давление пара в пузырьке или над поверхностью вогнутого мениска понижено: p

Denklem (4) maddenin yönünü belirler (büyük değerlerden r Ve itibaren daha küçük) sistemin termodinamik durumuna geçiş sürecinde. denge. Bu, özellikle, daha küçük olanların buharlaşması (çözünmesi) nedeniyle büyük damlacıkların (veya parçacıkların) büyümesine ve düz olmayan yüzeylerin (sabit arayüzey gerilimi koşulu altında) buharlaşma (çözünme) nedeniyle düzleşmesine yol açar. çıkıntılar ve çöküntülerin doldurulması. Basınç ve çözünürlükteki önemli farklılıklar sadece yeterince küçük r'de gerçekleşir (örneğin su için |r|'de)