Fizikája a felületi feszültség
Célkitűzés: A tanulmány a fizikai módszer alapján;
kísérletileg meghatározzuk számértéke együttható
felületi feszültség vizsgálati folyadék.
1. Az elméleti rész
Folyadékokban, az átlagos távolság a molekulák közötti jelentős
kevesebb, mint a gázokban. Ezért, a kölcsönhatás erő molekulák közötti
folyadékok fontos szerepet játszanak.
Mind a molekulák a belső folyadék veszi körül minden oldalról
más molekulákkal és érez látnivaló minden
irányban. A molekulák közelében található a felületén,
tapasztalatok a szomszédok látnivaló, befelé és
a kezében, de nem szenvednek kiegyensúlyozó látnivaló
szomszédos levegőt tartalmazó rétegek sokkal kevesebb
molekulákat. Ennek eredményeként, a felszíni molekula az erő,
befelé folyadék felületére merőleges.
Hagyja, hogy a molekula kilép a sűrű folyadék, és eléri a
a régió közel a felszínhez. Körül a molekula,
mint a központ, leírjuk egy r sugarú gömb. egyenlő a sugara a molekuláris
akció (a legnagyobb távolság, amelynél akció érinti
más molekulákat tartalmazó közepén a gömb). Per molekula
vontatási csak a molekulák ezen a területen.
Ha a z távolságra a molekula az a folyadék felszínén
nagyobb, mint az r (ábra. 1, a), a gömb egyenletesen megtöltött anyagot és
A kapott csatolt hozzá a kohéziós erőknél, a szimmetria miatt,
nulla. Ha Z kisebb lesz, mint az r (ábra. 1c), a hatás a molekulák,
fogoly ritkán árnyékolt rész a gömb miatt a szimmetria az azonos
nulla. Kiegyenlítetlen marad hatása a molekula vastagságú
Az árnyékos része a gömb. Ez ad egy kapott,
befelé irányuló folyadék. Mivel ez a csökkenés
eredményezte, hogy nőtt, majd vesz egy maximális érték,
ha a molekula belép a folyadék határfelület (ábra. 1, c). után
metszéspontjában ezt a határt (ábra. 1, d) molekulánként akkor működik csak
Az árnyékos része a gömb adja vissza a kapott,
befelé irányuló folyadék. Ez az eredő válik
nulla, ha a gömb teljesen ki a folyadék (ábra. 1, e).
Így a felületi réteg a folyadék detektáljuk
noncompensation molekuláris erők: a folyadék részecskék,
található ebben a rétegben, úgy érzi, egy belső erő
vonzereje a többi folyékony, általában a felületére. mert
molekulát a folyékony oszlop a határvonala, t. e. képződését
Új folyadék felszínén, szükséges elvégezni a munkát
meghatározása adhéziós erők.
Tekintsük a probléma a felületi réteg folyékony energiát.
Részecskék e réteg mozgási energia és a termikus mozgás
A potenciális energia miatt intermolekuláris erők
kölcsönhatást. Az átlagos kinetikus energiája a részecskék függ
hőmérsékletet. Abban az esetben, egyensúlyi állapot állandó hőmérsékleten
a teljes mennyiség a folyadék. Ezért az átlagos kinetikus energia a molekulák
A felületi réteg és a molekulák belsejében a folyadék térfogata,
ugyanaz. Más a helyzet a potenciális energia. Az átmenet
molekulák belsejében a folyadék a felületen, akkor kell
munkát ellen a belsejében a folyékony felé vonzó-
a többi folyadék részecskék. Ez a munka a növekedés
potenciális energia a molekulák beáramlik a felületi réteg.
Ezért, a felületi réteg a részecskék nagyobb
potenciális energia, mint a részecskék a folyadékban. A különbség
potenciális energia felület réteg folyékony részecskék és
potenciális energia részecskék úgynevezett belső felületén
energia E. amelynek értéke arányos a felülettel
ahol S - felület, α - faktor arányosság
(A hívott felületi feszültség).
Egyenlet (1), hogy bármilyen változás a környéken
tartozó felület megváltozik a felületi energia, valamint
ezért lehet jellemezni némi erő,
meghatározható az összefüggés:
Ha a változás felületi energia miatt előfordul, hogy
mozog a határoló felület megváltoztatása nélkül görbületi sugara, majd
felületi energia grádienst irányul mentén érintő a felszínre
folyadék merőlegesen részben a kontúr amelyben működik.
Megfelelő tangens F erő az az erő, a felületi
Jelenléte miatt a felületi energia folyékony felfedezi
A vágy, hogy megőrizze a felületét. A felületi réteg
Ez áll az azonos molekulák, mint a többi folyékony. A közötti kölcsönhatás
molekulák a felületi réteg ugyanolyan jellegű, mint a belső
folyadék. Azonban, a molekulák a felületi rétegben van
több energiát, mint a molekulák a folyadék.
Értelmi izolálja a folyadék határolt felület
zárt. ez a rész, hogy csökkentse a tendencia vezet
az a tény, hogy ez jár a szomszédos területek az erő,
elosztott körül a hurok (Newton harmadik törvénye a külső
Határ részek hatnak a figyelembe vett részt
felületi erők azonos nagyságú, de ellentétes
irányban). Ezek az erők nevezzük erők a felületi feszültség.
Jelöljük az erő a felületi feszültség tulajdonítható
egységnyi hossza a kontúr által α. Ez az érték az úgynevezett faktor
felületi feszültség. Mérjük meg a nemzetközi SI rendszer
Tegyük fel, hogy van egy téglalap alakú keret egy mozgatható
keresztléc tarkított folyadékfilm (ábra. 2). film
egy vékony, sík folyadék térfogata határolt két oldalán
Mivel a felületi réteg, hogy csökkentse a vágy, hogy
oldalán a film, amelynek két felület jár a
bár erővel 2αl. Ahhoz, hogy bár van a
egyensúly szükséges alkalmazni egy külső erő F. egyenlő
ereje film feszültség, azaz a. e. 2αl. Tegyük fel, hogy a keresztléc
Megmozdult az irányt F erő egy nagyon kis érték dx Ez
folyamatot kíséri tökéletes folyadék fölé
ahol ds - növekmény területe a felületi réteg.
Ha a folyamat nagyon lassú (reverzibilis), miáltal
hőmérséklete a film állandó marad, mivel a beáramló kívülről hőt,
Egy reverzibilis izoterm egyenlő által végzett munka
elvesztése szabad energia:
Ez az eredmény azt jelenti, hogy izoterm
növelve a terület a felszíni réteg a szabad energia dS
folyékony növekszik dE = αdS. Ebből következik, hogy az arány
felületi feszültség egy további
szabad energia, amely egy egységnyi felületre
Az érték, amit számszerűen egyenlő a munkát, amit meg kell tenni
növelésével a folyadék felszíne egységnyi területen az úgynevezett
felületi feszültség együttható. Ennek megfelelően, a α
Ez lehet kifejezni nemcsak
Tekintsük a folyadék felszínén, amely bizonyos
lapos kontúr (3A.).
Ha a folyadék felszíne nem sima, akkor a vágya, hogy
csökkentését eredményezi további nyomást? P.
Ha a felület konvex, akkor? P pozitív (3C.), Amennyiben
homorú felület -? P negatív (3. ábra, p.). Az utóbbi esetben
egy felületi réteget, amelynek célja zsugorodó, nyúlik folyadék.
Ez természetes, hogy feltételezzük, hogy az összeget a további nyomást
Meg kell függ a nagysága az erő és a felületi feszültség a folyadék
A görbület mértéke a felület, más szóval,
felületi feszültség együtthatója α és a görbületi sugár
R. A függőség a felület is nyilvánvaló: extra
nyomás arányosnak kell lennie az arány a felületi
feszültséggel, és fordítottan arányos a görbületi sugár a felület
t. e. a mennyiséget további nyomást növekszik a növekvő
felületi feszültség együtthatója α, és a sugara csökken
görbület R.
Kiszámítjuk további nyomást a gömb alakú felület
folyadék. Ehhez mentálisan vágjuk egy gömb alakú csepp folyadék
egy átmérős síkban két félteke (ábra. 4). Mivel a
a felületi feszültség a két félteke vonzzák egymást
Ez az erő összenyomja a két félteke a felület S = πR2.
Következésképpen, a további nyomást létrehozott erők
felületi feszültség a folyadék, egyenlő
A pontos kifejezés a további nyomást a folyadék
ívelt felülete bármilyen alakú elméletbe 1805
Francia matematikus és fizikus Laplace:
ahol a plusz jel megfelel egy konvex felület, a mínusz jel -
egy homorú felülete; 1 R és 2 R - görbületi sugár a két normál
kölcsönösen merőleges keresztmetszetének a felület ábrán látható. 6.
Ha egy görbe felületet keresztező két sík
(A1O1V1 és A2O2V2), hogy azok merőlegesek egymásra, és
tartalmazta a szokásos N r
a felszínre M pont, a felületen
kapott két ív A1B1 és A2B2 sugarak R 1 2 és R; Ez a sugár
a normális íveltség merőleges keresztmetszetének. fele összeget
minden formája felülete, amely kialakítható folyékony,
az átlagos görbület állandó bármely két rendes
kölcsönösen merőleges keresztmetszetének a felület az adott pontban.
Abban az esetben, egy gömbfelület R 1 = R 2 = R, ezért, a
általános képletű (3), extra nyomást lesz
egy szakasz kell venni abban az esetben, egy hengeres felület
az egész henger, és a többi - mentén generátor. Ezután, nyilván, R 1 = R, és
R 2 → ∞ (ábra. 7). Ezért további nyomás
Végül, abban az esetben egy sima felületre R 1 = R 2 = ∞ és
Amikor egy nagy felületi görbületét, amely akkor következik be, például,
nagyon kis cseppek további nyomást lehet
igen jelentős. Mivel a vízcseppek sugara R = 0,001 mm
A felületi feszültség a folyadék nagy mértékben befolyásolja
szennyezések is. Például, szappan vízben oldjuk,
csökkenti annak felületi feszültségét, 0, 075 N / m, hogy 0, 045 N / m.
Az anyag, amely gyengíti a felületi feszültség a folyadék, az úgynevezett
felület - aktív. Relatív, hogy a víz felszínén -
Ezek az aktív olaj, alkohol, éter, szappannal és sok más folyadékok
és szilárd anyagok.
A szempontból az elmélet a molekuláris ütközési felület -
hatóanyagok magyarázata a következő. A vonzó-
molekulái között a folyadék magát még vonzó- közötti
molekulák a folyadék és a felület - aktív szennyező. ezért
folyékony molekulák található a felületi réteg vonzódnak
belsejében a folyadék erősebb, mint a szennyező molekula. Ennek eredményeként, a molekulák
elhagyó folyadék a felületi réteg a folyadékot, és a molekula
felület - hatóanyagokat kényszerült, hogy a felszínre.
Egyes anyagok növelik a felületi feszültség
folyadékot annak a ténynek köszönhető, hogy a molekulák kölcsönhatásba molekulák
folyadék erősebb, mint a folyadék molekulák együtt. Nyilvánvaló, hogy
molekulák ilyen szennyeződések beszívását a folyadék és a
A felületi réteg előnyösen folyékony molekulákat.
Egy példa az ilyen szennyeződések szolgálhat cukrot és a sót.
Így a felület áll szappanos vízzel
szappant elsősorban a molekulák, a felület a vizes alkohol
az alkohol molekulák és a felület vizes cukoroldat áll
elsősorban a vízmolekulák.
Visszatérve az (1), azt mondhatjuk, hogy a csökkenése
a szabad energia a folyadék felszínén (vagy a felületi energia) E
Meg lehet elvégezni kétféle módon: először is, a csökkentés
A folyadék felszínén, másrészt pedig a csillapítási együttható
felületi feszültség alkalmazásával felületaktív - hatóanyagok.
Ebben a cikkben azt javasoljuk, hogy módosítsa az értékeket
Laplace nyomás értékének meghatározásához az együttható
felületi feszültség vizsgálati folyadék.
2. A kísérleti a munka egy részét
Reakcióvázlat laboratóriumi beállítási ábrán látható. 8.
A létesítmény áll egy 1 cső egy húzott tip (kapilláris
K). Az 1 cső van behelyezve a gumidugót, amely a 2 tartály
vizsgálati folyadék. Így a hegyét a kapilláris kell K
a folyadékkal való érintkezés felülete. A felső végén a kapilláris a
kinyitotta, és bemegy a környezetet. Tee 3 összeköti a levegő
helyet a hajó 2, a szívókészülék a 4. és az U - alakú víz manométer 5.
Manométerrel mérjük a különbséget a légköri nyomás és a
A légnyomás a hajó 2.
Az, hogy a teljesítmény
4 1. aspirátor öntsünk vizet a felső szintre.
2. Az edényt 2 és a szívókészülék 4 szorosan gumidugóval.
3. Nyissa ki a szelepet 4 elszívóval, hogy a víz folyt ki belőle
lassú szivárog be a lefolyó edény. Ebben az esetben a hajó 2 jön létre
vákuum. Alatt a nyomáskülönbség? P a vizsgált
folyékony fújt levegő buborék, amely egy bizonyos
a nagysága a különbség jön ki a kapilláris K.
4. Abban az időben a szétválasztás buborék U - alakú víz manométer
különbség mérésére? P nyomás milliméterben vízoszlop. ezt
a nyomáskülönbség? P egyenlő a Laplace-féle nyomás 2α / R.
5. mérjük a nyomáskülönbséget? P. az alábbi képlet szerint
AP = 2α / R kiszámításához a felületi feszültség együttható α. Tartozik ez a képlet R sugara a légbuborék első közelítésben, tudjuk
tekinteni, hogy az egyenlő a kapilláris sugara K.
6. A tapasztalatok megismételni legalább 5-ször. A számértéke a kapilláris sugara
megjelölt laboratóriumi környezetben.
7. A mérési eredmények és számítási rögzítik a táblázatban № 1.
8. értékeli a mérések pontosságának és összehasonlítani a kísérleti
a kapott átlagos értéke a felületi feszültség együttható
egy adott folyadékra annak táblázatból vett érték (tanulmány
A folyadék víz).
9. A következtetés a munka.