Mindent tudni akarok

Felületi feszültség

Vkontakte
Pinterest




Folyadék mechanikaFolyadékok · Folyadék statika
Folyadékdinamika · Viszkozitás · Newtoni folyadékok
Nem Newtoni folyadékok
Felületi feszültségTudósokNewton · Stokes · Navier · Cauchy · Hooke

A fizikában felületi feszültség A folyadék felületi rétegén belüli olyan hatás, amely miatt a réteg rugalmas lapként viselkedik. Ez a hatás lehetővé teszi a rovarok (például a vízhordó) járását a vízen. Lehetővé teszi a kicsi fémtárgyak, például tűk, borotvapengék vagy fóliadarabok lebegését a víz felszínén, és kapilláris hatást vált ki. Az interfész feszültsége ugyanazon hatás neve, amikor két folyadék között zajlik.

A felületi feszültség oka

A folyadék molekulájára eső erők diagramja.

A felületi feszültséget a folyadék molekulái közötti különféle molekuláris erő hatására vonzza. A folyadék nagy részében mindegyik molekulát minden irányban egyenlően húzza a szomszédos folyékony molekulák, így nulla nettó erőt eredményeznek. A folyadék felületén a molekulákat a folyadék belsejében mélyebben mozgatják, de a szomszédos közegben lévő molekulák nem vonzzák őket olyan intenzíven (legyen az vákuum, levegő vagy más folyadék). Ezért a felszínen lévő összes molekula egy olyan molekuláris vonzerőnek van kitéve, amelyet csak a folyadék kompressziós ellenállása ellensúlyozhat. Így a folyadék összepréseli magát, amíg a helyben a lehető legalacsonyabb felületű.

Egy másik módja annak, hogy gondolkozzunk az, hogy a szomszéddal érintkező molekula alacsonyabb energiájú állapotban van, mintha nem lenne a szomszéddal kapcsolatban. A belső molekuláknak annyi szomszédjuk van, amennyire csak lehetséges. De a határmolekuláknak kevesebb szomszédja van, mint a belső molekuláknak, és ezért magasabb energiaállapotban vannak. Ahhoz, hogy a folyadék minimalizálja az energiaállapotát, minimálisra kell csökkentenie a határmolekulák számát, és ezért minimalizálnia a felületét.1

Ennek a felületnek a minimalizálása eredményeként a felület a lehető leggyengébb formát fogja venni (szigorú bizonyíték arra, hogy a "sima" formák minimalizálják a felületet az Euler-Lagrange egyenlet használatán alapszik). Mivel a felület alakjának bármilyen görbülete nagyobb területet eredményez, magasabb energia szintén eredményez. Következésképpen a felület visszahúzódik a zavaró tárgyra, ugyanúgy, mint egy felfelé tolott golyó visszaszorul annak gravitációs energiájának minimalizálása érdekében.

Felületi feszültség a mindennapi életben

Víz gyöngyöztetés a levélVízcsepp animáció

Néhány példa a felületi feszültség hatására a szokásos vízzel:

  • Peremezés esővíz a viaszos autó felületén. A víz gyengén tapad a viaszhoz és erősen önmagához, így a víz cseppenként összerakódik. A felületi feszültség adja szinte gömb alakját, mivel egy gömbnek a lehető legkisebb a felület és térfogatarány.
  • Cseppképződés akkor lép fel, amikor egy folyadék tömegét megfeszítik. Az animáció azt mutatja, hogy a csaptelephez tapadó víz tapad a csaphoz, amíg az a pont felé nem húzódik, ahol a felületi feszültség már nem kötődik hozzá a csaphoz. Ezután elválasztódik, és a felületi feszültség képezi a cseppet egy gömbré. Ha egy vízfolyás folyik a csapból, akkor a vízcsepp esik. Ennek oka az, hogy a gravitáció meghosszabbítja az áramot, és a felületi feszültség aztán gömbökbe szorítja.2

A felületi feszültség nagy hatással van más általános jelenségekre, különösen, ha bizonyos anyagokat, felületaktív anyagokat használnak annak csökkentésére:

  • Szappanbuborékok nagyon nagy felületűek nagyon kis tömeghez. Buborékok nem alakulhatnak ki tiszta vízből, mivel a víz nagyon magas felületi feszültséggel rendelkezik, de a felületaktív anyagok használata tízszeresére csökkentheti a felületi feszültséget, megkönnyítve így a felületének növelését.
  • kolloidok egy olyan típusú megoldás, ahol a felületi feszültség is nagyon fontos. Az olaj nem fog spontán módon keveredni a vízzel, de egy felületaktív anyag jelenléte csökkenti a felületi feszültséget, amely lehetővé teszi kis olajcseppek képződését a víz nagy részében (vagy fordítva).

A felületi feszültség fizikai meghatározása

Az ábra keresztmetszetben egy tűt mutat a víz felszínén. A víz felszínén úszó tű keresztmetszete. Fw a súly és Fs a felületi feszültségből eredő erők.

A felületi feszültséget a szimbólum jelöli σ, γ vagy T és az erő az egységhossz-vonal mentén határozható meg, ahol az erő a felülettel párhuzamos, de a vonalra merőleges. Ennek egyik képe a kép elképzelése egy lapos szappanfóliáról, amelyet az egyik oldalon egy feszes hosszúságú menetek határolnak, L. A szálat a film belseje felé húzzuk, azzal egyenlő erővel γL. A felületi feszültséget tehát newtonban / méterben mértük (N · m-1), bár általában a cm3 / cm2 egységdimenziós egységet használják.3

A felületi feszültség pontosabb meghatározása a termodinamika kezelése érdekében a területre vonatkoztatott munka. Mint ilyen, egy folyadék tömegének felületének növelése érdekében, Aa, sok munka, γδA, szükség van rá. Mivel a mechanikus rendszerek megpróbálják megtalálni a minimális potenciális energia állapotát, a szabad folyadékcseppek természetesen gömb alakúvá válnak. Ennek oka az, hogy egy gömbnek van egy minimális felülete egy adott térfogathoz. Ezért a felületi feszültséget džaulban / négyzetméteren is mérhetjük (J · m-2), vagy a cgs rendszerben ergs / cm2.

Mindkét egység ekvivalenciája dimenziós elemzéssel igazolható.

Kapcsolódó mennyiség a kohézió energiája, amely az az energia, amely felszabadul, amikor ugyanazon folyadék két testét egyesítik egy egységhatár határán. Mivel ez a folyamat magában foglalja a felület egy egységének felületét a folyadék mindkét testéből, a kohéziós energia kétszerese a felület energiájának. Hasonló fogalom, a tapadás energiája, két folyadék testére vonatkozik. A tapadás energiája a két folyadék közötti felület felületi feszültségéhez kapcsolódik.

Lásd még Cassie törvényét.

Vízvezető fizika

Vízhidak, amelyek párzáskor vízfelületi feszültséget használnak.

A képen a tó felszínén álló vízhidak láthatóak. Világosan látható, hogy lábai bemélyedéseket okoznak a víz felszínén. És intuitív módon nyilvánvaló, hogy a bemélyedésekkel rendelkező felület nagyobb felületű, mint egy sima felület. Ha a felületi feszültség hajlamos minimalizálni a felületet, akkor hogyan lehet a vízcsúcsok növelni a felületet?

Emlékezzünk arra, hogy a természet valóban megpróbálja minimalizálni a potenciális energiát. A víz felületének növelésével a vízcsúcsok megnövelték a felület potenciális energiáját. De vegye figyelembe azt is, hogy a vízhordók tömegközéppontja alacsonyabb, mintha egy sík felületen állnának. Így potenciális energiájuk csökken. Valójában, ha a két hatást kombináljuk, a nettó potenciális energia minimálisra csökken. Ha a vízcsúcsok tovább nyomják a felületet, a megnövekedett felületi energia több, mint megszünteti a rovarok tömegközéppontjának csökkentésének csökkentett energiáját. Ha kevésbé nyomják le a felületet, akkor nagyobb tömegközpontjuk több, mint megszünteti a felületi energia csökkenését.4

A vízhidak fotója azt is szemlélteti, hogy a felületi feszültség olyan, mintha egy rugalmas film lenne a folyadék felületén. A lábuknál lévõ felületi mélyedésekben könnyen belátható, hogy az elképzelt elasztikus film reakciója pontosan ellenzi a rovarok súlyát.

Folyadék függőleges csőben

A higany-barométer diagramja

Egy régi stílusú higany-barométer egy kb. 1 cm átmérőjű függőleges üvegcsőből, részben higanyval töltve, és vákuummal, a meg nem töltött térfogatban (lásd a jobb oldali ábrát). Vegye figyelembe, hogy a higanyszint a cső közepén magasabb, mint a széleknél, így a higanykupol felsõ felülete alakú lesz. A teljes higanyoszlop tömegközéppontja kissé alacsonyabb lenne, ha a higany felső felülete sík legyen a cső teljes keresztmetszetében. De a kupola alakú tetej kissé kevesebb felületet ad a higany teljes tömegének. A két hatás ismét kombinálja a teljes potenciális energia minimalizálását. Az ilyen felületi alak konvex meniszkuszként ismert.

Az emberek úgy veszik figyelembe a higany teljes tömegének felületét, beleértve a felületnek az üveggel érintkező részét, mert a higany egyáltalán nem tapad az üveghez. Tehát a higany felületi feszültsége a teljes felületén hat, beleértve azt is, ahol az üveggel érintkezik. Ha üveg helyett a csövet rézből készítik, a helyzet nagyon más lenne. A higany agresszívan tapad a rézhez. Tehát egy rézcsőben a cső közepén a higanyszint inkább alacsonyabb, mint magasabb, mint a széleinél (vagyis konkáv meniszkusz lenne). Abban a helyzetben, amikor a folyadék tapad a tartály falához, úgy tekintjük, hogy a folyadék felületének az a része, amely érintkezésben van azzal, hogy negatív felületi feszültség. A folyadék ezután az érintkező felületének maximalizálása érdekében működik. Tehát ebben az esetben a tartállyal érintkező terület növelése inkább csökkenti, mint növeli a potenciális energiát. Ez a csökkenés elegendő ahhoz, hogy kompenzálja a megnövekedett potenciális energiát, amely a folyadék tartály falai közelében történő emelésével jár.

A felületi feszültség megakadályozza a virág elsüllyedését

A folyadék felületének és a tartály falának való érintkezés szöge felhasználható a folyadék-szilárd felület felületi feszültségének meghatározására, feltéve, hogy a folyadék-levegő felület feszültsége ismert. A kapcsolatot a következő adja:

hol

  • a folyadék-szilárd felületi feszültség,
  • a folyadék-levegő felületi feszültsége,
  • az érintkezési szög, ahol a konkáv meniszkusz érintkezési szöge kisebb, mint 90 °, és a konvex meniszkusz érintkezési szöge nagyobb, mint 90 °.5

Ha egy cső elég keskeny, és a folyadék tapadása a falához elég erős, akkor a felületi feszültség a kapilláris hatásnak nevezett jelenségben felveheti a folyadékot. Az oszlop felemelésének magasságát a következő érték adja meg:5

hol

  • a folyadék felemelésének magassága,
  • a folyadék-levegő felületi feszültsége,
  • a folyadék sűrűsége,
  • a kapilláris sugara,
  • a gravitáció gyorsulása,
  • a fent ismertetett érintkezési szög. Vegye figyelembe, hogy ha 90 ° -nál nagyobb, mint az üvegtartályban lévő higany esetében, a folyadék nyomás alatt lesz, nem pedig felemelkedik.

Folyadékkészlet nem tapadó felületen

A higanyt egy vízszintes, lapos üveglapra öntve egy észlelhető vastagságú pocsolyt eredményez (ezt csak próbálkozzon, kivéve a füstgumi alatt. A higanygőz mérgező veszélyt jelent). A pocsolya csak addig terül el, ahol kissé fél centiméter vastagabb, és nincs vékonyabb. Ennek ismét a higany erős felületi feszültségének hatása van. A folyékony tömeg ellaposodik, mivel ez a higany lehető legtöbb mennyiségét a lehető legalacsonyabb szintre hozza. A felületi feszültség ugyanakkor csökkenti a teljes felületet. Az eredmény egy majdnem rögzített vastagságú pocsolya veszélyeztetése.

Ugyanez a felületi feszültség kimutatható vízzel, de csak olyan felületen, amely olyan anyagból készül, amelyhez a víz nem tapad. A viasz ilyen anyag. A sima, lapos, vízszintes viaszfelületre öntött víz, mondjuk egy viaszos üveglap, hasonlóan viselkedik, mint az üvegre öntött higany.

A nem tapadó vízszintes felületen lévő folyadékcseppek vastagságát a következő érték adja meg:

hol

a pocsolya mélysége centiméterben vagy méterben. a folyadék felületi feszültsége dyne / centiméter vagy newton / méter alatt. a gravitáció miatti gyorsulás, és 980 cm / s-nak felel meg2 vagy 9,8 m / s2 a folyadék sűrűsége grammban / cm3 vagy kilogrammban / m3

A higany esetében és , amely ad . 25 ° C-os víz esetén és , amely ad .

A valóságban a pocsolya vastagsága valamivel kisebb lesz, mint ezek a számított értékek. Ennek oka az a tény, hogy a higany-üveg interfész felületi feszültsége valamivel kisebb, mint a higany-levegő felületének. Hasonlóképpen, a víz-viasz felület felületi feszültsége kisebb, mint a víz-levegő felületének feszültsége. Az előző alszakaszban ismertetett érintkezési szög határozza meg, hogy a pelyhes vastagsága mennyivel csökken az elméleti értékhez képest.

Folyékony felületek minimalizáló oldószerként

Ijesztő feladat lehet egy önkényes alakú keret által határolt minimális felület megkeresése szigorúan matematikai eszközökkel. Ugyanakkor úgy, hogy a keretet huzalból készíti és szappanos oldatba meríti, másodpercek alatt körülbelül minimális felület jelenik meg a kapott szappanfóliában. Egyetlen számítás nélkül a szappanfólia önmagában oldja meg a komplex minimalizálási egyenlet megoldását.5 6

Mérési módszerek

  • Du Noüy Ring módszer: A felületi vagy a felületek közötti feszültség mérésére használt hagyományos módszer. A felület vagy a felület nedvesedési tulajdonságai csekély mértékben befolyásolják ezt a mérési technikát. Megmérjük a gyűrű által a felület által kifejtett maximális húzást.
  • Wilhelmy lemez módszer: Univerzális módszer, amely különösen alkalmas a felületi feszültség ellenőrzésére hosszú időközönként. Az ismert kerület függőleges lemezt rögzítik az egyensúlyhoz, és megmérik a nedvesítés hatását.
  • Spinning drop módszer: Ez a technika ideális az alacsony felületközi feszültségek mérésére. A nehéz fázisban levő csepp átmérőjét mindkét forgatás közben megmérjük.
  • Medál csepp módszer: A felületi és a felület közötti feszültség ezen módszerrel mérhető még megemelt hőmérsékleten és nyomáson is. A csepp geometriáját optikailag elemezzük.
A felületi feszültséget mérsékelő csepp módszerrel lehet mérni egy ramé-hart goniométeren.
  • Buboréknyomás-módszer (Jaeger-módszer): Mérési technika a felületi feszültség meghatározásához rövid felületi életkorban. Mérjük meg az egyes buborékok maximális nyomását.
  • Drop volume módszer: Eljárás az interfészi feszültség meghatározására az interfész kora függvényében. Az egyik sűrűségű folyadékot egy másik sűrűségű folyadékba szivattyúzzák, és megmérjük az előállított cseppek közötti időt.
  • Kapilláris emelkedés módszer: A kapilláris végét bemerítjük az oldatba. Az a magasság, amellyel az oldat eléri a kapilláris belsejét, a korábban tárgyalt egyenlettel függ össze a felületi feszültséggel.
  • Stalagmometrikus módszer: Egy módszer csepp folyadék súlyozására és leolvasására.

Felületi feszültség és termodinamika

Termodinamikai meghatározás

A fentiek szerint a felület megnöveléséhez szükséges mechanikai munka: . A megfordítható folyamat érdekében , ezért állandó hőmérsékleten és nyomáson a felületi feszültség megegyezik a Gibbs szabad energiájával felületénként:

, hol a Gibbs szabad energia és a terület.

A hőmérséklet hatása a felületi feszültségre

A benzol felületi feszültségének hőmérsékleti függése

A felületi feszültség a hőmérséklettől függ; ezért egy interfész felületi feszültségének megadásakor a hőmérsékletet kifejezetten meg kell határozni. Általános tendencia, hogy a felületi feszültség a hőmérséklet emelkedésével csökken, és a kritikus hőmérsékleten 0-ot ér el. Csak a empirikus egyenletek mutatják a felületi feszültséget és a hőmérsékletet.

Az oldott anyag koncentrációjának befolyása a felületi feszültségre

Az oldott anyagok szerkezetétől függően különböző hatással lehetnek a felületi feszültségre:

  • Nincs hatás, például cukor
  • Növekszik a felületi feszültség, szervetlen sók
  • Csökkentse fokozatosan a felületi feszültséget, alkoholok
  • Csökkentse a felületi feszültséget, és a minimum elérése után már nem járhat hatás: Felületaktív anyagok

Nyomásugrás egy ívelt felületen

Ha viszkózus erő hiányzik, a nyomásugrást egy ívelt felületen a Young-Laplace egyenlet adja, amely a folyadék belsejében lévő nyomást az azon kívüli nyomással, a felületi feszültséggel és a felület geometriájával függ össze.

.

Ez az egyenlet bármilyen felületen alkalmazható:

  • Sima felülethez tehát a belső nyomás megegyezik a külső nyomással.
  • Gömb alakú felülethez
  • Toroid felülethez , hol r és R a toroid sugarai.7

A táblázat egy példát mutat arra, hogyan növekszik a nyomás, megmutatva, hogy nem túl kicsi csepp esetén a hatás finom, de a nyomáskülönbség hatalmas lesz, amikor a cseppméretek megközelítik a molekuláris méretet (egy 1 nm-es sugárú csepp kb. 100 vízmolekulát tartalmaz). , ez annak a ténynek tulajdonítható, hogy egy nagyon kis léptékben a folytonosságfizika törvényei már nem alkalmazhatók.

ΔP különféle sugárú vízcseppek esetén az STPDroplet sugárban1 mm0,1 mm1 μm10 nmΔP (ATM) 0.00140.01441.436143.6

A részecskeméret hatása a gőznyomásra

Clausius-Clapeyron kapcsolatból kiindulva Kelvin-egyenlet II megszerezhető; magyarázza, hogy a felületi feszültség miatt a szuszpenzióban levő kis folyadékcseppek gőznyomása nagyobb, mint ugyanazon folyadék szokásos gőznyomása, ha a felület sík. Vagyis amikor egy folyadék kis cseppek képződik, akkor a folyadék gőzkoncentrációja a környezetben nagyobb, ennek oka az, hogy a cseppen belüli nyomás nagyobb, mint a külső.

a folyadék szokásos gőznyomása ezen a hőmérsékleten és nyomáson.

a moláris térfogat.

a gázállandó

a Kelvin sugara, a cseppek sugara.

Ezt az egyenletet a katalizátor kémiában használják a szilárd anyagok mezoporozitásának felmérésére.8

A táblázat bemutatja ennek a hatásnak néhány kiszámított értékét a víz különböző cseppméreteinél:

P/P0 különböző sugárú vízcseppekhez STPDroplet sugárnál (nm) 1000100101P/P01.00111.01061.11152.8778

A hatás nagyon alacsony cseppméretek esetén egyértelmű, mivel az 1 nm-es sugárra eső csepp kb. 100 molekulát tartalmaz, ami elég kicsi ahhoz, hogy kvantummechanikai elemzést igényeljen.

Felületi feszültség értékek

Egyes felületek felületi feszültség értékeiFelületHőmérsékletγ in (mN · m-1) Víz - levegő20º C72,86 ± 0,059Víz - levegő21,5º C72.75Víz - levegő25º C71.99 ± 0.059Metilén-jodid - levegő20 ° C67.00Metilén-jodid - levegő21.5º C63.11Etilénglikol - levegő25º C47.3Etilénglikol - levegő40º C46.3Dimetil-szulfoxid - levegő20º C43.54Propilén-karbonát - levegő20º C41.1Benzol - levegő20º C28.88Benzol levegő20º C28.52Kloroform - levegő25º C26.67Propionsav - levegő20º C26.69Vajsav - levegő20º C26.51 Szén-tetraklorid - levegő25º C26.43Butilacetát - levegő20º C25.09Dietilénglikol - levegő20ºC30.09Nonán - levegő20ºC22.85M levegő20º C22.39Etanol - levegő30º C21.55Oktán - levegő20º C21.62Heptán - levegő20º C20.14Éter - levegő25º C20.14Mérség - levegő20º C486.5Higanyag - levegő25º C485.5Mérség - levegő30ºC484.5NaCl - levegő101073º C115C .8Víz - Etil-acetát20º C6.8Víz - Heptánsav20º C7.0Víz - Benzaldehid20º C15.5Víz - Higany20º C415Etanol - Higany20º C389

Felületi feszültség értékeket10 néhány interfésznél a megadott hőmérsékleten. Vegye figyelembe, hogy a SI-egységek miwton / méter (mN · m-1) egyenértékű a cgs-egységekkel, din / centiméter (dyn · cm-1).

Lásd még

  • Érintési szög: az a szög, amelyet a felület a tartály falához vezet.
  • Cheerios effektus: a tendencia, hogy a kis nedvesíthető úszó tárgyak vonzzák egymást
  • Vízhidak, rovarok, amelyek a víz felületi feszültségén támaszkodnak a tetején járáshoz
  • Nedvesítés és a víztelenítés
  • Meniszkusz, felületi görbület, amelyet egy folyadék képez egy tartályban
  • Tolman hosszúság, a kifejezés az ívelt felületek felületi feszültségének korrekciójában
  • Felületaktív anyagok, amelyek csökkentik a felületi feszültséget
  • Eötvös-szabály, a felületi feszültség előrejelzésének hőmérséklettől függő szabálya
  • A Dortmund Adatbank kísérleti hőmérséklettől függő felületi feszültségeket tartalmaz

Megjegyzések

  1. Vey Harvey E. White, Modern Főiskolai Fizika (van Nostrand, 1948).
  2. ↑ MIT, MIT előadások a felületi feszültségről, 5. előadás. Beérkezett 2007. április 1-jén.
  3. ↑ MIT, Előadási megjegyzések a felületi feszültségről, 1. előadás. Letöltve 2007. április 1-jén.
  4. ↑ MIT, MIT előadások a felületi feszültségről, 3. előadás. Beérkezett 2007. április 1-jén.
  5. 5.0 5.1 5.2 Francis Weston Sears és Mark W. Zemanski, Egyetemi fizika, 2nd ed. (Addison Wesley, 1955).
  6. A Scott Aaronson, NP-teljes problémák és fizikai valóság. Beérkezett 2008. november 14-én.
  7. ↑ Sir Horace Lamb, Hidrodinamika, 6. kiadás (Dover, 1932).
  8. E Ertl G., H. Knözinger és J. Weitkamp, Heterogén katalízis kézikönyve, Vol. 2 (Weinheim: Wiley-VCH, 1997).
  9. 9.0 9.1 Kolloidok és felületek (43, 169-194) (1990), Pallas, N.R. és Harrison, Y
  10. W A. W. Adamson és A. P. Gast, A felületek fizikai kémiája, 6. kiadás (Wiley, 1997).

Irodalom

  • Adamson, Arthur W. és Alice P. Gast. A felületek fizikai kémiája, 6. kiadás New York: John Wiley, 1997. ISBN 0471148733.
  • Bárány, Sir Horace. Hidrodinamika, 6. kiadás Dover, 1932.
  • Savino, Raffaele. Felületi feszültségvezérelt áramlások és alkalmazások. Kutatási Tábla, 2006. ISBN 8130800659.
  • Sears, Francis Weston és Mark W. Zemanski. Egyetemi fizika, 2. kiadás Addison Wesley, 1955.
  • Venables, John A. Bevezetés a felületi és a vékony film folyamatokba. Cambridge, Egyesült Királyság: Cambridge University Press, 2000. ISBN 0521785006.
  • White, Harvey E. Modern Főiskolai Fizika. van Nostrand, 1948.
  • Zangwill, Andrew. Fizika a felületeken. Cambridge, Egyesült Királyság: Cambridge University Press, 2001. ISBN 0521347521.

Vkontakte
Pinterest