Поверхностное натяжение
Молекулы жидкости взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания, которые проявляются заметно в пределах расстояния r, называемого радиусом молекулярного действия (порядка нескольких диаметров молекулы). Сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия. Если молекула находится в поверхностном слое, то есть удалена от поверхности менее чем на r, то равнодействующая сил притяжения со стороны окружающих молекул направлена внутрь жидкости. Поэтому для перехода молекулы из внутренней части жидкости на её поверхность требуется совершить работу, в результате свободная энергия поверхности возрастает. Свободную поверхностную энергию, приходящуюся на единицу поверхности жидкости, называют коэффициентом поверхностного натяжения:
где А — работа, которую нужно совершить, чтобы площадь поверхности увеличить на S. В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения (измеряется в Дж/м2.
В положении равновесия свободная энергия системы минимальна, поэтому жидкость, предоставленная самой себе, стремится сократить свою поверхность. Мысленно ограничим какой-либо участок поверхностного слоя замкнутым контуром. В нём действуют силы, называемые силами поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности перпендикулярно к участку контура, на который они действуют. Коэффициент поверхностного натяжения (можно определить и как силу, приходящуюся на единицу длины контура,ограничивающего поверхность:
Единица его измерения в системе СИ: 1Н/м (ньтонах на метр = 1 Дж/м2, или миллиньтонах на метр.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры. С ростом температуры (уменьшается и при критической температуре обращается в нуль.
В зависимости от силы взаимодействия молекул жидкости с частицами твёрдого тела, соприкасающегося с ней, возможно смачивание или не смачивание жидкостью твёрдого тела. В обоих случаях поверхность жидкости вблизи границы с твёрдым телом искривляется.
Поверхностное натяжение воды при различных температурах
| t, °С | Пов. натяжение, мН/м |
| 20 | 72,75 |
| 21 | 72,59 |
| 22 | 72,44 |
| 23 | 72,28 |
| 24 | 72,13 |
| 25 | 71,97 |
| 26 | 71,82 |
Поверхностное натяжение (при 20° C)
| Вещество | Пов. натяжение 10 -3 Н/м |
| Азотнаякислота 70% | 59,4 |
| Анилин | 42,9 |
| Ацетон | 23,7 |
| Бензол | 29,0 |
| Вода | 72,8 |
| Глицерин | 59,4 |
| Нефть | 26 |
| Ртуть | 465 |
| Сернаякислота 85% | 57,4 |
| Спиртэтиловый | 22,8 |
| Уксуснаякислота | 27,8 |
| Эфирэтиловый | 16,9 |
Поверхностное натяжение жидкостей
| Вещество | q, мН/м |
| Алюминий расплавленный (приt=7000 0 С, в) | 840 |
| Азот жидкий (при t=-183 0 С,п) | 6,2 |
| Ацетон (п) | 24 |
| Вода (при t=0 0 С,в) | 75,6 |
| Вода (при t=20 0 С,в) | 72,8 |
| Вода (при t=100 0 С,в) | 58,8 |
| Вода (при t=374,15 0 С,в) | 0 |
| Золото расплавленное (при t=1130 0 С, в) | 1102 |
| Глицерин (в) | 63 |
| Керосин (при t=0 0 С,в) | 29 |
| Керосин (в) | 24 |
| Кислород жидкий (приt=-183 0 С, в) | 13,1 |
| Молоко (в) | 46 |
| Нефть (в) | 30 |
| Раствор мыла (в) | 40 |
| Ртуть (п) | 472 |
| Свинец расплавленный (при t=350 0 С, в) | 442 |
| Серебро расплавленное (при t=970 0 С, в) | 930 |
| Спирт (при t=0 0 С,в) | 22 |
| Эфир (п) | 17 |
Поверхностное натяжение водных растворов (в дин/см)
Пересчет в СИ: 1 дин/см = 10 — 3 Н/м
| Растворенное вещество | t, °C | Содержание, масс.% | |||
| 5 | 10 | 20 | 50 | ||
| H2SO4 | 18 | — | 74,1 | 75,2 | 77,3 |
| HNO3 | 20 | — | 72,7 | 71,1 | 65,4 |
| NaOH | 20 | 74,6 | 77,3 | 85,8 | — |
| NaCl | 18 | 74,0 | 75,5 | — | — |
| Na2SO4 | 18 | 73,8 | 75,2 | — | — |
| NaNO3 | 30 | 72,1 | 72,8 | 74,4 | 79,8 |
| KC1 | 18 | 73,6 | 74,8 | 77,3 | — |
| KNO3 | 18 | 73,0 | 73,6 | 75,0 | — |
| K2CO3 | 10 | 75,8 | 77,0 | 79,2 | 106,4 |
| NH3 | 18 | 66,5 | 63,5 | 59,3 | — |
| NH4C1 | 18 | 73,3 | 74,5 | — | — |
| NH4NO3 | 100 | 59,2 | 60,1 | 61,6 | 67,5 |
| MgCl2 | 18 | 73,8 | — | — | — |
| CaCl2 | 18 | 73,7 | — | — | — |
29 авг. 07 21 окт. 21, 22:06
Рейтинг Поделиться ссылкой
Вы можете изменять любую статью на сайте, более того, ваше участие всячески приветствуется! Делитесь своими знания и опытом.
Источник
Поверхностное натяжение
О чем эта статья:
Понятие и характеристики поверхностного натяжения
С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:
- капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной (а в невесомости они совсем шарообразные);
- струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме;
- булавка не тонет на поверхности воды в стакане;
- многие насекомые могут скользить по поверхности воды.
Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.
Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости больше их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.
На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.
Поверхностное натяжение — это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.
Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:
Поверхностная энергия жидкости
W = σS
W — поверхностная энергия жидкости [Дж]
S — площадь свободной поверхности [м 2 ]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения
σ = W/S
W — поверхностная энергия жидкости [Дж]
S — площадь свободной поверхности [м 2 ]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:
- от природы жидкости;
- температуры жидкости;
- свойств газа, который граничит с данной жидкостью;
- наличия поверхностно-активных веществ (например, мыло или стиральный порошок), которые уменьшают поверхностное натяжение.
Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.
Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Сила поверхностного натяжения
F = σl
F — сила поверхностного натяжения [Н]
l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания.
Источник
2 Поверхностная энергия и поверхностное натяжение. Работа когезии и адгезии. Смачивание. Растекание
2 Поверхностная энергия и поверхностное натяжение.
Работа когезии и адгезии. Смачивание. Растекание
2.1 Примеры решения задач
Пример 1. При конденсации тумана, состоящего из капель кадмия, образовалось 12∙10-6 м3 жидкого кадмия. Поверхностное натяжение при температуре конденсации равно 570 мДж/м2. Свободная поверхностная энергия всех капель составляла 53 Дж. Вычислите дисперсность и диаметр капель жидкого кадмия.
Энергия Гиббса поверхности определяется по уравнению
Связь между удельной поверхностью Sуд, поверхностью S, объемом V и
дисперсностью D выражается соотношением:
Поверхность капель тумана составляет S = 6DV.
Тогда Gs = 6 σ ∙DV.
Дисперсность капель кадмия равна
D = Gs/(6σ∙V) = 53/(6∙570∙10-312∙10-6) = 1,24 ∙106м-1.
Диаметр капель кадмия d = 1/D = 1/(1,24∙106) = 0,806 ∙10-6 м = 0,806 мкм.
Пример 2. Рамка Дюпре представляет собой прямоугольную рамку, одна из сторон которой является подвижной. В рамку заключена пленка жидкости, обе плоскости которой граничат с газообразной фазой (рис.1). К подвижной стороне рамки приложена внешняя сила F, равная суммарной силе поверхностного натяжения sс, действующей по всей длине L подвижной стороны рамки. Действующая внешняя сила F термодинамически обратимо (движущая сила равна противодействующей) растягивает пленку жидкости на расстояние dH.
Определите движущую силу (F), растягивающую пленку хлороформа, заключенного в рамку Дюпре, длина подвижной стороны которой L = 10 см, если работа когезии хлороформа WК при 20°С равна 54,28∙10-3 Дж/м2.
Работа, совершаемая движущей силой F
равна работе увеличения площади поверхности хлороформ – газ на 2LdH (множитель 2 обусловлен тем, что пленка является двусторонней).
Работа, затрачиваемая на увеличение поверхности раздела фаз WS, равна
dWS = 2sгж∙LdH = WKLdH
(так как 2sгж = WK, т. е. работе когезии).
Из равенства работ dW = dWS следует:
F = WKL = 54,28 ∙10-3∙0,1×= 5,428∙10-3 Н.
Пример 3. Рассчитайте работу адгезии в системе вода − графит, зная, что краевой угол равен 90°, а поверхностное натяжение воды составляет 71,96мДж/м2. Определите коэффициент растекания воды на графите.
Выражение для работы адгезии через краевой угол дается уравнением Дюпре — Юнга:
WA=σжг (1 + cosθ) = (1 + cos 90°) = 71,96мДж/м2,
работа когезии WK = 2 σжг = 2⋅71,96 = 143,92мДж/м2.
Коэффициент растекания рассчитывается по соотношению
f = WA−WK = 71,96 – 143,92 = –71,96 мДж/м2, т. е. вода не растекается по графиту.
Пример 4. Для 0.1 % раствора эфира сахарозы, поверхностное натяжение которого составляет 30 мДж/м2, определить равновесную работу адгезии и когезии, работу адгезии к пузырьку, если краевой угол смачивания к твердой поверхности равен 15°.
Определяем равновесную работу когезии:
WК = 2 σжг = 2∙30 = 60мДж/м2.
Равновесная работа адгезии:
WА = σжг (1 + cosθ ) = 30(1 + cos15°) = 59мДж/м2.
Работу адгезии к пузырьку рассчитывают по формуле:
WА = σжг (1 − cosθ ) = 30(1 − cos15°) = 1,02мДж/м2
См. рисунок и вывод формулы для пузырька.
Пример 5. На плоскую поверхность вода – воздух площадью 5∙10-3 м2 помещена капля октана сферической формы радиусом 0,5 см. Поверхностное натяжение октана равно 21,78∙10-3 Н/м, а работа адгезии на границе октан – вода составляет×43,53∙10×-3 Дж/м2. Поскольку обе жидкости нерастворимы друг в друге, а плотность октана меньше, чем воды, капля октана растечется по поверхности воды, покрывая ее непрерывным тонким слоем.
Определить изменение cвободной поверхностной энергии системы при растекании капли. На основании полученного результата объяснить причину растекания капли.
Условие задачи проиллюстрировано на рис. 2. Введем следующие обозначения: вода – жидкость 1; октан – жидкость 2; Г — воздух; Ж2- Ж1 система октан — вода; Sпов — площадь поверхности растекания капли октана; R — радиус капли; поверхностная энергия на границе раздела фаз: Еж1г — вода — воздух; Ежг2 — октан — воздух; Еж1ж2 — вода – октан. Поверхностное натяжение октана sж2г = 21,78∙10-3 Дж/м2. Площадь поверхности капли октана 4pR2.
Рис. 2 − Условие растекания капли октана на поверхности воздух – вода:
а – до растекания; б – после растекания
Далее вычисляем следующие параметры:
1. Величина поверхностной энергии системы до растекания капли
FS1 = FS ж1г + FS ж2г = Sповsж1г + 4pR2sж2г =
= 5∙10-3sж1г + 4∙3,14(0,5 ∙10-2)2∙21,78 ∙10-3 =
= 5∙10-3sж1г + 6,84∙10-6 Дж.
2. Величина поверхностной энергии системы после растекания капли
FS2 = FS ж1ж2 + FS ж2г = Sповsж1ж2 + Sповsж2г =
= 5∙10-3sж1ж2 + 5∙10-3∙ 21,78∙10 -3 =
= 5∙10-3 sж1ж2 + 108,9∙10-6 Дж.
3. Изменение поверхностной энергии системы после растекания капли октана
DFS = FS2 — FS1 = 5∙10-3sж1ж2 + 108,9 ∙10-6 — 5∙10-3sж1г +
+ 6,84 ∙10-6 = 5∙10-3(sж1ж2 — sж1г) + 102,06 ∙10-6 Дж.
Из уравнения (1.3) следует, что sж1ж2 — sгж1 = sгж2 – Wa,
где Wa – работа адгезии для поверхности жидкость 1 – жидкость 2, т. е. вода – октан; по условию задачи Wa = 43,53∙10-3 Дж/м2.
Тогда после подстановки численных значений получим
DFS = 10×5 -3 10×(21,78 -3 – 10×43,53 -3) + 102,06 × 10-6 =
= -108,75 × 10-6 + 102,06 × 10-6 = -6,69 × 10-6 Дж.
При растекании капли октана по поверхности воды имеет место убыль свободной поверхностной энергии системы (DFS
Источник
