انرژی سطحی یک مایع کشش سطحی

مولکول های مایع دارای انرژی جنبشی هستند حرکت حرارتیو انرژی پتانسیل برهمکنش بین مولکولی. برای حرکت یک مولکول از عمق یک مایع به سطح، باید برای غلبه بر نیروی فشار مولکولی کار کرد. این کار توسط مولکول به دلیل ذخیره انرژی جنبشی انجام می شود و برای افزایش انرژی پتانسیل آن استفاده می شود. بنابراین، مولکول های لایه سطحی در مقایسه با مولکول های داخل مایع، انرژی پتانسیل بیشتری دارند. این انرژی پتانسیل اضافی که مولکول های لایه سطحی دارند نامیده می شود انرژی سطحی.

اگر سطح مایع کشیده شود، مولکول های جدید بیشتری به سطح می آیند و انرژی پتانسیل لایه سطحی افزایش می یابد. بنابراین، انرژی سطح با مساحت خود سطح مایع متناسب است (شکل 4).

جایی که آکار نیروی کشش سطحی است. افنیروی کشش سطحی است. D ایکس- کشش فیلم؛ D اس- تغییر در سطح فیلم.

از این عبارت می توان یک تعریف دیگر از ضریب کشش سطحی ارائه داد.

ضریب کشش سطحی برابر با انرژی سطح آزاد در واحد سطح است. در این حالت واحد اندازه گیری [a]=[J/m2] است.

ناخالصی های موجود در مایع تأثیر زیادی بر کشش سطحی دارند. به عنوان مثال، صابون محلول در آب کشش سطحی را تا 0.045 نیوتن بر متر کاهش می دهد، در حالی که شکر یا نمک آن را افزایش می دهد. موادی که کشش سطحی را تغییر می دهند نامیده می شوند سطحی فعال. اینها شامل روغن، صابون، الکل است.این پدیده با برهمکنش های بین مولکولی بین مولکول ها توضیح داده می شود. اگر برهمکنش بین مولکول های خود مایع بیشتر از مولکول های مایع و ناخالصی باشد، مولکول های ناخالصی به سطح رانده می شوند و غلظت ناخالصی روی سطح بیشتر می شود. نسبت به حجم، که منجر به کاهش کشش سطحی می شود.

سورفکتانت ها به طور گسترده ای در برش فلزات، حفاری سنگ ها و غیره استفاده می شوند، زیرا از بین بردن سنگ ها در حضور آنها آسان تر است، با جذب شدن روی سطح یک جسم جامد، به داخل ریزترک ها نفوذ کرده و به توسعه بیشتر این ترک ها در عمق کمک می کنند. .

(فیزیک مولکولی و ترمودینامیک)

اندازه گیری ضریب

کشش سطحی مایع

تجهیزات : دینامومتر، لیوان آب متحرک، حلقه.

نظریه مختصر

ذرات مایع (اتم‌ها، مولکول‌ها، یون‌ها) مانند مولکول‌های گاز، نوسانات آشفته پیوسته را در اطراف موقعیت تعادل انجام می‌دهند و میانگین انرژی جنبشی این نوسانات دمای بدن را تعیین می‌کند. "آزادی" این حرکات توسط نیروهای برهمکنش بین ذرات محدود می شود، با این حال، آنها می توانند گهگاه حرکت کنند، از مکانی به مکان دیگر بپرند. بنابراین مایع دارای خاصیت سیالیت است. همین جهش ها فرآیند انتشار در مایع را توضیح می دهد. هنگامی که گرم می شود، مایعات منبسط می شوند، اما ضریب دمایی انبساط حجمی آنها بسیار کمتر از گازها در فشار ثابت است. به دلیل فاصله کم بین ذرات، مایعات تراکم پذیر نیستند. مشخصه ترین ویژگی یک مایع، که آن را از گازها متمایز می کند، این است که مایع یک سطح آزاد در سطح مشترک با گاز یا بخار تشکیل می دهد. به همین دلیل است که برای مثال، آب در یک ظرف تنها بخشی از حجم تعیین شده بر اساس جرم و چگالی آن را اشغال می کند، در حالی که گازها کل حجمی را که در اختیار آنها قرار می گیرد، اشغال می کنند.

خواص سطح مایع را در نظر بگیرید. مولکول های واقع در لایه سطحی مایع در مقایسه با مولکول های داخل مایع در شرایط متفاوتی قرار دارند. هر مولکول یک مایع، که از هر طرف توسط مولکول های دیگر احاطه شده است، در معرض نیروهای جاذبه ای است که به سرعت با فاصله کاهش می یابد (شکل 1). بنابراین، با شروع از یک حداقل فاصله معین، می توان نیروهای جاذبه بین مولکول ها را نادیده گرفت. این فاصله (در حد 9-10 متر) شعاع عمل مولکولی نامیده می شود r ، و کره شعاع r - حوزه عمل مولکولی

مولکول های روی سطح مایع و در عمق آن هستند شرایط مختلف. مولکولی را در نظر بگیرید که در قسمت عمده یک مایع - یک مولکول قرار دارد آ(عکس. 1). این مولکول فقط تحت تأثیر همسایگانی قرار می گیرد که در حوزه عمل مولکولی شعاع قرار دارند. r. نیروهایی که این مولکول ها بر روی مولکول اثر می کنند آ، در جهات مختلف هدایت می شوند و به طور متوسط ​​جبران می شوند، بنابراین نیروی حاصله از مولکول های دیگر بر یک مولکول داخل مایع وارد می شود برابر با صفر.

وضعیت کاملا متفاوت است اگر مولکول که دردر فاصله ای از سطح قرار دارد r. در این مورد، کره عمل مولکولی فقط تا حدی در داخل مایع قرار دارد. در بالای سطح مایع بخار وجود دارد که چگالی آن چندین برابر چگالی مایع است (در دماهای کمتر از دمای بحرانی)، بنابراین می توان از تعامل مولکول های بخار با مولکول های مایع چشم پوشی کرد. به همین دلیل است که برآیند نیروها اف، به هر مولکول لایه سطحی اعمال می شود، برابر با صفر نیست و به داخل مایع هدایت می شود. بدین ترتیب، نیروهای حاصل از تمام مولکول های لایه سطحی به مایع فشار وارد می کنند که فشار مولکولی نامیده می شود.

انرژی کل ذرات مایع مجموع انرژی حرکت آشفته (حرارتی) آنها و انرژی پتانسیل ناشی از نیروهای برهمکنش بین مولکولی است. برای حرکت دادن یک مولکول از عمق مایع به لایه سطحی، کار باید صرف شود. این کار با هزینه انرژی جنبشی مولکول ها انجام می شود و به سمت افزایش انرژی پتانسیل آنها می رود. بنابراین، مولکول های لایه سطحی مایع، انرژی پتانسیل بیشتری نسبت به مولکول های داخل مایع دارند. هرچه سطح مایع بزرگتر باشد، مولکول های بیشتری انرژی پتانسیل اضافی دارند. این انرژی اضافی که مولکول‌های لایه سطحی مایع دارند، نامیده می‌شود انرژی سطحی، متناسب با مساحت لایه است

, (1)

جایی که σ است ضریب کشش سطحی، که انرژی سطح ویژه لایه است.

انرژی سطحی یکی از انواع انرژی داخلی است که در گازها وجود ندارد، اما در مایعات و جامدات موجود است.

مولکول هایی که روی سطح مایع قرار دارند تمایل دارند به داخل مایع "کشش" کنند. به دلیل حرکت حرارتی، قسمت کوچکی از مولکول ها دوباره به سطح می آیند. مولکول ها با سرعت بیشتری نسبت به حرکت مولکول ها به سمت سطح به داخل کشیده می شوند. با این حال، همه مولکول‌ها نمی‌توانند داخل شوند، بنابراین تعداد مولکول‌ها روی سطح باقی می‌ماند، که در آن سطح برای حجم معینی از مایع حداقل است. سطح مایع تا رسیدن به تعادل دینامیکی منقبض می شود، یعنی. تا زمانی که تعداد مولکول هایی که از لایه سطحی خارج می شوند و در همان زمان به آن باز می گردند یکسان باشد. از آنجایی که حالت تعادل با حداقل انرژی پتانسیل مشخص می شود، مایع، در غیاب نیروهای خارجی، شکلی به خود می گیرد که برای یک حجم معین، حداقل سطح را داشته باشد، یعنی. شکل توپ

آر بخشی از سطح مایع را در نظر بگیرید که توسط یک کانتور بسته محدود شده است آ ب پ ت(شکل 2).

تمایل این بخش به کاهش منجر به این واقعیت می شود که بر روی بخش های مجاور با نیروهای توزیع شده در کل کانتور عمل می کند. این نیروها تماس گرفتنیروهای کشش سطحی: نیرویی که در امتداد سطح مایع عمود بر خطی که این سطح را محدود می کند، وارد می شود و تمایل دارد آن را به حداقل برساند.

اگر نیروی خارجی بر مدار وارد شود اف 1 ، به دنبال افزایش مساحت کانتور با حرکت دادن مقطع است abدر یک فاصله dxبه یک موقعیت جدید آ" ب" ، سپس کار زیر انجام خواهد شد:

, (2)

در اینجا در نظر گرفته شده است که
طبق قانون III نیوتن، جایی که اف- نیروی کشش سطحی مایع که تمایل دارد حالت مایع را در حالت تعادل نگه دارد.

طبق قانون بقای انرژی
- کار برابر است با تغییر انرژی سطح مایع، یعنی. تغییر در انرژی سطحی بدین ترتیب،

. (3)

اجازه دهید با در نظر گرفتن آن، قسمت های صحیح معادلات (2) و (3) را معادل سازی کنیم
، جایی که ℓ - طول کانتور:

از این رو،

. (4)

فرمول (4) فرمول محاسبه نیروی کشش سطحی است.

مقدار σ - ضریب کشش سطحی نامیده می شود. معنای فیزیکی آن را می توان با استفاده از فرمول های (3) و (4) تعیین کرد:

واحدهای اندازه گیری ضریب کشش سطحی:

.

ضریب کشش سطحی به نوع مایع، دمای آن، درجه خلوص ماده بستگی دارد. به عنوان مثال، سورفکتانت ها ضریب کشش سطحی را کاهش می دهند.

برنج. 9.3. عمل نیروهای بین مولکولی در حجم و روی سطح

برآیند همه این نیروها برابر با 0 است. مولکولی که روی سطح قرار دارد فقط جذب مولکول های داخلی را تجربه می کند (گاز به دلیل کمیاب شدن آن برهمکنش ضعیفی دارد)، حاصل این نیروها به داخل بدن هدایت می شود، یعنی. تمایل به جمع کردن مولکول های سطحی به داخل بدن به وضوح بیان می شود، سطح بدن، همانطور که بود، در حالت تنش است و تمایل به انقباض دارد. از آنجایی که اثر نیروها بر روی مولکول های سطحی جبران نمی شود، چنین مولکول هایی دارای انرژی سطح آزاد هستند. بیایید یک تعریف ارائه دهیم.

انرژی سطح آزاد انرژی اضافی مولکول های لایه سطحی در مقایسه با مولکول های واقع در داخل DE = E* – E cf.

این انرژی به ماهیت ماده فازهای تماس، به دما و سطح سطح مشترک بین فازها بستگی دارد.

S ناحیه جداسازی فاز، m 2 است.

s - ضریب تناسب، به نام ضریب کشش سطحی (یا به سادگی کشش سطحی)، J / m 2.

همانطور که می دانید، هر سیستمی به حداقل انرژی تمایل دارد. برای کاهش انرژی سطح آزاد (F s = sS)، سیستم دو راه دارد: کاهش کشش سطحی s یا

ناحیه رابط فاز S.

کاهش s زمانی رخ می دهد که مواد روی سطوح جامد و مایع جذب شوند (این نیروی محرکه جذب است)، زمانی که یک مایع روی مایع دیگر پخش می شود.

تمایل به کاهش سطح S منجر به ادغام ذرات فاز پراکنده، به بزرگ شدن آنها می شود (در این مورد، سطح ویژه کاهش می یابد)، یعنی. این دلیل ناپایداری ترمودینامیکی سیستم های پراکنده است.

تمایل مایع به کاهش سطح منجر به این واقعیت می شود که به شکل یک توپ تمایل دارد. محاسبات ریاضی نشان می دهد که کره کوچکترین مساحت را در حجم ثابت دارد، بنابراین ذرات مایع شکل کروی به خود می گیرند، مگر اینکه این قطرات توسط گرانش صاف شوند. قطرات جیوه روی سطح به شکل توپ است. شکل کروی سیارات نیز به عمل نیروهای سطحی نسبت داده می شود.

کشش سطحی

معنای فیزیکیضریب کشش سطحی (ها) را می توان از دیدگاه های مختلف تفسیر کرد.

1. انرژی سطح آزاد (انرژی سطحی خاص)

از عبارت 9.3. باید

[J/m2]، (9.4)

که در آن F s – انرژی سطح آزاد، J.

از این رو معنای فیزیکی s انرژی سطح آزاد مولکول های لایه سطحی در مساحت 1 متر مربع (یا در واحد سطح دیگر) است. انرژی سطحی خاص

هر چه ضریب s بزرگتر باشد، بزرگی انرژی سطح بیشتر است (جدول 9.1 را ببینید).

2. روی ایجاد یک سطح جدید کار کنید

از آنجایی که انرژی معیاری برای عملکرد است، پس با جایگزینی F s با W، دریافت می کنیم:

[J / m 2 ]، (9.5)

جایی که W کار ایجاد یک رابط جدید است، J;

S مساحت رابط، m 2 است.

از عبارت 9.5 نتیجه می شود که s کاری است که باید برای افزایش واحد سطح فصل مشترک فاز در شرایط همدما با حجم ثابت مایع انجام شود.(یعنی تعداد مناسبی از مولکول های مایع را از حجم به لایه سطحی منتقل کنید).

به عنوان مثال، هنگامی که مایعی پاشیده می شود، کاری انجام می شود که به انرژی سطح آزاد می رود (در هنگام پاشش، سطح جداسازی فاز چندین برابر افزایش می یابد). همین کار در خرد کردن مواد جامد صرف می شود.

از آنجایی که کشش سطحی مربوط به کاری است که برای شکستن پیوندهای بین مولکولی در طول انتقال مولکول ها از حجم به لایه سطحی انجام می شود، بدیهی است که کشش سطحی معیاری از نیروهای برهمکنش بین مولکولی در داخل یک مایع است. هرچه مایع قطبی‌تر باشد، برهمکنش بین مولکول‌ها قوی‌تر است، مولکول‌های سطحی قوی‌تر به سمت داخل کشیده می‌شوند، مقدار s بیشتر می‌شود.

از مایعات بالاترین ارزشنزدیک به آب است (جدول 9.1 را ببینید). این تصادفی نیست، زیرا پیوندهای هیدروژنی به اندازه کافی قوی بین مولکول های آب تشکیل می شود. در هیدروکربن های غیر قطبی، تنها برهمکنش های پراکندگی ضعیفی بین مولکول ها وجود دارد، بنابراین کشش سطحی آنها کم است. بیشتر ارزش بیشتر s y جیوه مایع. این یک برهمکنش بین اتمی قابل توجه (و مقدار زیادی از انرژی سطح آزاد) را نشان می دهد.

جامدات با مقدار بالای s مشخص می شوند.

نیروی سطحی

همچنین یک تفسیر نیرو از کشش سطحی وجود دارد. بر اساس ابعاد ضریب کشش سطحی J / m 2، می توانیم بنویسیم

بدین ترتیب، کشش سطحی نیروی سطحی است که به یک واحد طول کانتور اعمال می شود که سطح را محدود می کند و هدف آن کاهش سطح مشترک است..

وجود این نیرو با تجربه دوپره به وضوح نشان داده شده است. یک جامپر متحرک بر روی یک قاب سیمی سفت و سخت ثابت شده است (شکل 9.2). یک فیلم صابون در قاب کشیده شده است (موقعیت 1). برای کشش این فیلم به موقعیت 2، باید نیروی F 1 اعمال شود که با نیروی کشش سطحی F 2 خنثی می شود. این نیرو در امتداد سطح (به صورت مماس)، عمود بر خطی که سطح را محدود می کند، هدایت می شود. برای فیلم در شکل 9.2 نقش بخشی از مدار توسط یک جامپر متحرک ایفا می شود.

برنج. 9.3. عمل نیروهای کشش سطحی

بنابراین، نیروهای کشش سطحی دارای ویژگی های زیر هستند:

1) به طور مساوی در طول خط فاز توزیع شده است.

کشش سطحی در همه رابط ها رخ می دهد. مطابق با وضعیت تجمع این فازها، نماد زیر:

s L-G (در مرز مایع و گاز)

s L1-L2 (در مرز دو مایع غیر قابل اختلاط)

s T-G (در مرز جسم جامد - گاز)

s T-L (در مرز جسم جامد - مایع)

مقادیر ضرایب کشش سطحی برخی از مواد در مرز با هوا و در برخی از مرزهای بین سیال در جدول آورده شده است. 9.3.

به طور مستقیم به صورت تجربی، می توان کشش سطحی را در سطح مشترک مایع-گاز و مایع-مایع تعیین کرد. روش های تعیین کشش سطحی در سطح مشترک با یک جسم جامد بر اساس اندازه گیری های غیر مستقیم است.

روش های تعیین کشش سطحی به سه گروه استاتیک، نیمه استاتیک و دینامیک تقسیم می شوند.

روش‌های استاتیکی کشش سطحی سطوح عملاً غیر متحرک را که مدت‌ها قبل از شروع اندازه‌گیری‌ها تشکیل شده‌اند و در نتیجه با حجم مایع در تعادل هستند، تعیین می‌کنند. این روش ها شامل روش خیز مویرگی و روش قطره ای بدون نشست یا آویزان (حباب) می باشد.

روش های دینامیکی بر این اساس استوار است که برخی از انواع اعمال مکانیکی روی یک مایع با کشش و فشرده سازی دوره ای سطح آن همراه است که تحت تأثیر کشش سطحی قرار می گیرد. این روش ها مقدار غیرتعادلی s را تعیین می کنند. روش‌های دینامیکی شامل روش‌های امواج مویرگی و جت نوسانی است.

نیمه استاتیکروش‌هایی برای تعیین کشش سطحی مرز فازی که در فرآیند اندازه‌گیری به‌وجود می‌آید و به‌طور دوره‌ای به روز می‌شود (روش حداکثر فشار حباب و روش استلاگمتری)، و همچنین روش‌هایی برای کندن حلقه و جمع کردن صفحه نامیده می‌شود. این روش‌ها تعیین مقدار تعادل کشش سطحی را در صورتی امکان‌پذیر می‌سازد که اندازه‌گیری‌ها در شرایطی انجام شوند که زمانی که در طی آن تشکیل رابط اتفاق می‌افتد بسیار بیشتر از زمان برقراری تعادل در سیستم باشد.

جدول 9.3

کشش سطحی (انرژی سطحی ویژه)

برخی از مواد در مرز با هوا (298 K)

ماده	s، mJ/m2		ماده	s، mJ/m2
مایع		مواد جامد
هگزان	18,4		یخ (270 K)
اکتان	21,8		کوارتز
اتانول	22,0		MgO
بنزین	25,0		آلومینیوم
بنزن	28,2		اهن
استیک اسید	27,8		تنگستن
اسید فرمیک	36,6		الماس
آنیلین	43,2		پلیمرها
اب	71,95		پلی تترا فلوئورواتیلن	18,5
سیاره تیر	473,5		پلی اتیلن	31,0
مایع - مایع		پلی استایرن	33,0
بنزن - آب	34,4		پی وی سی	40,0
آنیلین - آب	4,8		پلکسی گلاس	38,0
کلروفرم - آب	33,8		مینای دندان K-2	31,7

روش افزایش مویرگی

بالا آمدن مایع در یک مویرگ (اگر مایع دیواره های مویرگ را خیس کند) به دلیل کشش سطحی است. بین کشش سطحی و ارتفاع بالا آمدن مایع در مویرگ (شکل 9.4) رابطه زیر وجود دارد.

, (9.7)

که در آن s کشش سطحی است. h ارتفاع ستون مایع است. r 2 و r 1 چگالی بخار مایع و اشباع هستند. g شتاب سقوط آزاد است. q زاویه تماس خیس شدن است. r شعاع مویرگی است.

برای آزمایش، شما نیاز دارید: یک مویرگ با قطر 0.2-0.3 میلی متر؛ ظرفی که مایع آزمایش در آن ریخته می شود. یک کاتتومتر برای اندازه گیری ارتفاع افزایش مایع (دقت ± 1 میکرومتر) و یک دستگاه برای برجسته کردن منیسک.

بزرگترین مشکلات ناشی از اندازه گیری زاویه خیس شدن q است. بنابراین، این روش برای مایعاتی که در آن q = 0 0 است، راحت‌تر است.

برنج. 9.4. افزایش مایع در یک مویرگ

این شرایط برای آب و بسیاری از مایعات آلی مشاهده می شود. از آنجایی که cos 0 0 = 1، عبارت (9.7) ساده شده است و می توان از آن برای محاسبه s استفاده کرد. روش افزایش مویرگی یکی از دقیق ترین روش ها برای تعیین کشش سطحی است.

انرژی کل ذرات مایع مجموع انرژی حرکت آشفته (حرارتی) آنها و انرژی پتانسیل ناشی از نیروهای برهمکنش بین مولکولی است. برای حرکت دادن یک مولکول از عمق مایع به لایه سطحی، کار باید صرف شود. این کار با هزینه انرژی جنبشی مولکول ها انجام می شود و به سمت افزایش انرژی پتانسیل آنها می رود. بنابراین، مولکول های لایه سطحی مایع، انرژی پتانسیل بیشتری نسبت به مولکول های داخل مایع دارند. این انرژی اضافی که مولکول‌های لایه سطحی مایع دارند که انرژی سطحی نامیده می‌شود، متناسب با مساحت لایه D است. اس:

جایی که s-کشش سطحی.

از آنجایی که حالت تعادل با حداقل انرژی پتانسیل مشخص می شود، مایع، در غیاب نیروهای خارجی، چنان شکلی به خود می گیرد که برای حجم معین، حداقل سطح، یعنی شکل یک توپ را داشته باشد. با مشاهده کوچکترین قطرات معلق در هوا، می بینیم که آنها واقعاً شکل توپ دارند، اما به دلیل عمل نیروهای گرانش تا حدودی منحرف شده اند.

بنابراین شرط تعادل پایدار یک مایع حداقل انرژی سطحی است. این بدان معناست که یک مایع برای یک حجم معین باید کمترین سطح را داشته باشد، یعنی مایع تمایل دارد سطح آزاد را کاهش دهد. در این حالت، لایه سطحی مایع را می توان به یک فیلم الاستیک کشیده تشبیه کرد که در آن نیروهای کششی عمل می کنند.

تحت تأثیر نیروهای کشش سطحی (که به صورت مماس بر سطح مایع و عمود بر قسمتی از کانتور که روی آن عمل می کنند) سطح مایع منقبض شده و کانتور در نظر گرفته شده به موقعیت مشخص شده با خاکستری روشن منتقل می شود. نیروهایی که از ناحیه انتخاب شده به مناطق مجاور وارد می شوند کار می کنند

جایی که fنیروی کشش سطحی است که در واحد طول کانتور سطح مایع عمل می کند.

از انجیر 97 نشان می دهد که D lDx= دی اس، یعنی

این کار با کاهش انرژی سطح انجام می شود.

مقایسه عبارات (66.1) - (66.3) نشان می دهد که

یعنی کشش سطحی سبرابر نیروی کشش سطحی در واحد طول کانتوری است که سطح را محدود می کند. واحد کشش سطحی - نیوتن بر متر(N/m) یا ژول در هر متر مربع(J / m 2) (نگاه کنید به (66.4) و (bb.1)). اکثر مایعات در دمای 300 کلوین دارای کشش سطحی در حد 10-2-10-1 N/m هستند. کشش سطحی با افزایش دما کاهش می یابد، زیرا میانگین فاصله بین مولکول های مایع افزایش می یابد.

کشش سطحی اساساً به ناخالصی های موجود در مایعات بستگی دارد. موادی که کشش سطحی مایع را کاهش می دهند نامیده می شوند سطح فعال. شناخته شده ترین سورفکتانت برای آب x صابون است. کشش سطحی آن را بسیار کاهش می دهد (تقریباً از 7.5 10 -2 تا 4.5 10 -2 N/m). سورفکتانت هایی که کشش سطحی آب را کاهش می دهند نیز الکل ها، اترها، روغن و غیره هستند.

موادی (قند، نمک) وجود دارند که کشش سطحی یک مایع را افزایش می دهند، زیرا مولکول های آنها با مولکول های مایع قوی تر از تعامل مولکول های مایع با یکدیگر تعامل می کنند. به عنوان مثال، اگر محلول صابون را نمک بزنید، مولکول های صابون بیشتری به لایه سطحی مایع رانده می شوند تا در آب شیرین.

سخنرانی 11. ویژگی های حالت مایع ماده. لایه سطحی مایع. انرژی لایه سطحی. پدیده هایی در مرز مایع با جسم جامد. پدیده های مویرگی

ویژگی های حالت مایع یک ماده

مایع حالتی از ماده است که حد واسط بین گاز و جامد است.

ماده ای در حالت مایع حجم خود را حفظ می کند، اما شکل ظرفی را می گیرد که در آن قرار دارد، پایستگی حجم در مایع ثابت می کند که نیروهای جاذبه بین مولکول های آن اعمال می شود.

اگر کره ای از عمل مولکولی در اطراف یک مولکول مایع توصیف شود، آنگاه در داخل این کره مراکز بسیاری از مولکول های دیگر وجود خواهد داشت که با مولکول ما تعامل خواهند داشت. این نیروهای فعل و انفعال، مولکول مایع را تقریباً 10-10-10-12 ثانیه در نزدیکی موقعیت تعادل موقت خود نگه می دارد و پس از آن به یک موقعیت تعادل موقت جدید تقریباً به اندازه فاصله قطر خود می پرد. بین پرش ها، مولکول های مایع حول یک موقعیت تعادل موقت در نوسان هستند.

زمان بین دو پرش یک مولکول از یک موقعیت به موقعیت دیگر را زمان زندگی ته نشین می گویند.

این زمان بستگی به نوع مایع و دما دارد. هنگامی که یک مایع گرم می شود، میانگین زمان ته نشین شدن مولکول ها کاهش می یابد.

بنابراین، در حجم کمی از مایع، آرایش منظمی از مولکول های آن مشاهده می شود و در حجم زیاد مشخص می شود که آشفته است. به این معنا می گویند که در مایع نظم کوتاه بردی در آرایش مولکول ها وجود دارد و ترتیب دوربردی وجود ندارد. این ساختار مایع را شبه کریستالی (کریستال مانند) می نامند.

خواص مایع

1. اگر زمان اعمال نیرو بر مایع کوتاه باشد، مایع خاصیت کشسانی از خود نشان می دهد. به عنوان مثال، هنگامی که چوبی به شدت به سطح آب برخورد می کند، ممکن است چوب از دست خارج شود یا بشکند. سنگ را می توان به گونه ای پرتاب کرد که وقتی به سطح آب برخورد کرد از آن پرتاب شود و تنها پس از چند پرش در آب فرو برود.

2. اگر زمان قرار گرفتن در معرض مایع طولانی باشد، به جای کشسانی، سیالیت مایع ظاهر می شود. به عنوان مثال، دست به راحتی در آب نفوذ می کند.

3. با یک اثر کوتاه مدت یک نیرو بر روی یک جت مایع، دومی شکنندگی را نشان می دهد. استحکام و گسیختگی یک مایع، اگرچه کمتر از جامدات است، اما از نظر قدر از آنها کمتر نیست. برای آب، 2.5-10 7 N/m2 است.

4. تراکم پذیری یک مایع نیز بسیار کم است، اگرچه از همان مواد در حالت جامد بیشتر است. به عنوان مثال، با افزایش فشار به میزان 1 اتمسفر، حجم آب 50 ppm کاهش می یابد.

شکستگی‌های داخل مایع که در آن هیچ ماده خارجی مانند هوا وجود ندارد، فقط با ضربه شدید به مایع حاصل می‌شود، به عنوان مثال، هنگامی که ملخ‌ها در آب می‌چرخند، زمانی که امواج اولتراسونیک در مایع منتشر می‌شوند. چنین حفره هایی در داخل مایع نمی توانند برای مدت طولانی وجود داشته باشند و به طور ناگهانی فرو می ریزند، یعنی ناپدید می شوند. این پدیده کاویتاسیون نامیده می شود (از یونانی "cavitas" - حفره). باعث سایش سریع پروانه ها می شود.

مایع سطحی

مقدار متوسط ​​حاصل نیروهای جاذبه مولکولی اعمال شده به یک مولکول واقع در داخل مایع (شکل 2) نزدیک به صفر است. نوسانات تصادفی این نتیجه مولکول را مجبور می کند که فقط حرکت آشفته ای را در داخل مایع انجام دهد. وضعیت با مولکول های واقع در لایه سطحی مایع تا حدودی متفاوت است.

اجازه دهید کره های عمل مولکولی را در اطراف مولکول ها با شعاع R (در حد 8-10 متر) توصیف کنیم. سپس، برای مولکول بالایی، مولکول های زیادی در نیمکره پایینی وجود خواهد داشت، و در نیمکره بالایی بسیار کمتر است، زیرا قسمت پایین مایع است و قسمت بالایی بخار و هوا است. بنابراین، برای مولکول بالایی، برآیند نیروهای جاذبه مولکولی در نیمکره پایینی بسیار بیشتر از حاصل نیروهای مولکولی در نیمکره بالایی است.

بنابراین، تمام مولکول های مایع واقع در لایه سطحی با ضخامتی برابر با شعاع عمل مولکولی به داخل مایع کشیده می شوند. اما فضای داخل مایع توسط مولکول های دیگر اشغال می شود، بنابراین لایه سطحی فشاری را روی مایع ایجاد می کند که به آن فشار مولکولی می گویند.

نیروهایی که در صفحه افقی عمل می کنند، سطح مایع را به هم می کشند. آنها نامیده می شوند نیروهای کشش سطحی

کشش سطحی- کمیت فیزیکی برابر با نسبت نیروی کشش سطحی F وارد شده به مرز لایه سطحی مایع و به صورت مماس بر سطح، به طول l این مرز:

واحد کشش سطحی نیوتن بر متر (N/m) است.

کشش سطحی برای مایعات مختلف متفاوت است و به دما بستگی دارد.

به طور معمول، کشش سطحی با افزایش دما کاهش می یابد و در دمای بحرانی، زمانی که چگالی مایع و بخار یکسان است، کشش سطحی مایع صفر است.

موادی که کشش سطحی را کاهش می دهند فعال سطحی نامیده می شوند (الکل، صابون، پودر لباسشویی)

برای افزایش سطح یک مایع، باید در برابر کشش سطحی کار کرد.

تعریف دیگری از ضریب کشش سطحی وجود دارد - انرژی. این از این واقعیت ناشی می شود که اگر سطح یک مایع افزایش یابد، تعداد معینی از مولکول ها از حجم آن به لایه سطحی می روند. به این منظور نیروهای خارجیدر برابر نیروهای چسبندگی مولکولی مولکول ها کار کنند. مقدار این کار متناسب با تغییر سطح مایع خواهد بود:

ضریب تناسب σ کشش سطحی مایع نامیده می شود.

بیایید واحد کشش سطحی a را در SI استخراج کنیم: o \u003d 1 J / 1 m 2 \u003d 1 J / m 2.