Հեղուկի մակերևութային էներգիա. Մակերեւութային լարվածություն

Հեղուկի մոլեկուլներն ունեն կինետիկ էներգիա ջերմային շարժումև միջմոլեկուլային փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիան: Մոլեկուլը հեղուկի խորքից մակերես տեղափոխելու համար պետք է աշխատանք տարվի մոլեկուլային ճնշման ուժը հաղթահարելու համար։ Այս աշխատանքը կատարվում է մոլեկուլի կողմից կինետիկ էներգիայի պաշարների շնորհիվ և օգտագործվում է դրա պոտենցիալ էներգիան ավելացնելու համար: Հետևաբար, մակերեսային շերտի մոլեկուլներն ունեն լրացուցիչ պոտենցիալ էներգիա՝ համեմատած հեղուկի ներսում գտնվող մոլեկուլների հետ։ Մակերեւութային շերտի մոլեկուլներին տիրապետող այս լրացուցիչ պոտենցիալ էներգիան կոչվում է մակերեսային էներգիա.

Եթե ​​հեղուկի մակերեսը ձգվի, ապա ավելի ու ավելի շատ նոր մոլեկուլներ դուրս կգան մակերես, և մակերեսային շերտի պոտենցիալ էներգիան կավելանա։ Հետևաբար, մակերևույթի էներգիան համաչափ է հենց հեղուկ մակերեսի մակերեսին (նկ. 4):

Որտեղ Ամակերեսային լարվածության ուժի աշխատանքն է. Ֆմակերեսային լարվածության ուժն է; Դ x- ֆիլմի ձգում; Դ Ս- ֆիլմի մակերեսի փոփոխություն.

Այս արտահայտությունից կարելի է տալ մակերևութային լարվածության գործակցի ևս մեկ սահմանում։

Մակերեւութային լարվածության գործակիցը հավասար է ազատ մակերևույթի էներգիայի մեկ միավոր մակերեսի վրա։ Այս դեպքում չափման միավորը [a]=[J/m 2] է:

Հեղուկի կեղտերը մեծ ազդեցություն ունեն մակերեսային լարվածության վրա։ Օրինակ՝ ջրի մեջ լուծված օճառը նվազեցնում է մակերեսային լարվածությունը մինչև 0,045 Ն/մ, մինչդեռ շաքարը կամ աղը մեծացնում են այն։ Մակերեւութային լարվածությունը փոխող նյութերը կոչվում են մակերեսորեն ակտիվ. Դրանց թվում են ձեթը, օճառը, ալկոհոլը։Այս երեւույթը բացատրվում է մոլեկուլների միջմոլեկուլային փոխազդեցությամբ։ Եթե ​​հեղուկի մոլեկուլների փոխազդեցությունն ինքնին ավելի մեծ է, քան հեղուկի և կեղտի մոլեկուլների միջև, ապա կեղտի մոլեկուլները մղվում են դեպի մակերես, և կեղտի կոնցենտրացիան մակերեսի վրա ավելի մեծ է. քան ծավալով, ինչը հանգեցնում է մակերեսային լարվածության նվազմանը։

Մակերեւութային ակտիվ նյութերը լայնորեն օգտագործվում են մետաղներ կտրելու, ապարների հորատման և այլնի համար, քանի որ դրանց առկայության դեպքում ապարների ոչնչացումն ավելի հեշտ է, ներծծվելով պինդ մարմնի մակերեսի վրա, դրանք ներթափանցում են միկրոճաքերի ներս և նպաստում այդ ճաքերի խորքային զարգացմանը։ .

(մոլեկուլային ֆիզիկա և թերմոդինամիկա)

Գործակիցների չափում

հեղուկի մակերեսային լարվածությունը.

Սարքավորումներ : դինամոմետր, շարժական ջրի բաժակ, օղակ։

Համառոտ տեսություն.

Հեղուկ մասնիկները (ատոմներ, մոլեկուլներ, իոններ), ինչպես գազի մոլեկուլները, կատարում են շարունակական քաոսային տատանումներ հավասարակշռության դիրքի շուրջ, և այդ տատանումների միջին կինետիկ էներգիան որոշում է մարմնի ջերմաստիճանը։ Այս շարժումների «ազատությունը» սահմանափակվում է մասնիկների փոխազդեցության ուժերով, սակայն դրանք երբեմն կարող են շարժվել, ցատկել մի տեղից մյուսը։ Ուստի հեղուկն ունի հոսունության հատկություն։ Նույն թռիչքները բացատրում են հեղուկի մեջ դիֆուզիայի գործընթացը։ Երբ տաքացվում են, հեղուկներն ընդարձակվում են, սակայն դրանց ծավալային ընդլայնման ջերմաստիճանի գործակիցը շատ ավելի ցածր է, քան մշտական ​​ճնշման գազերի գործակիցը։ Մասնիկների միջև փոքր հեռավորությունների պատճառով հեղուկներն այնքան էլ սեղմելի չեն։ Հեղուկի ամենաբնորոշ առանձնահատկությունը, որն այն տարբերում է գազերից, այն է, որ հեղուկը ազատ մակերես է կազմում գազի կամ գոլորշու միջերեսում: Այդ իսկ պատճառով, օրինակ, անոթի ջուրը զբաղեցնում է իր զանգվածով և խտությամբ որոշված ​​ծավալի միայն մի մասը, իսկ գազերը՝ իրենց տրամադրված ամբողջ ծավալը։

Դիտարկենք հեղուկի մակերեսի հատկությունները: Հեղուկի մակերեսային շերտում տեղակայված մոլեկուլները գտնվում են տարբեր պայմաններում՝ համեմատած հեղուկի ներսում գտնվող մոլեկուլների հետ: Հեղուկի յուրաքանչյուր մոլեկուլ, որը բոլոր կողմերից շրջապատված է այլ մոլեկուլներով, ենթակա է գրավիչ ուժերի, որոնք արագորեն նվազում են հեռավորության հետ (նկ. 1); հետևաբար, որոշակի նվազագույն հեռավորությունից սկսած՝ մոլեկուլների միջև ձգողական ուժերը կարող են անտեսվել։ Այս հեռավորությունը (10 -9 մ կարգի) կոչվում է մոլեկուլային գործողության շառավիղ r , և շառավիղի ոլորտը r - մոլեկուլային գործողության ոլորտ.

Հեղուկի մակերևույթի և խորության վրա գտնվող մոլեկուլները ներսում են տարբեր պայմաններ. Դիտարկենք մի մոլեկուլ, որը գտնվում է հեղուկի մեծ մասում՝ մոլեկուլ Ա(նկ. 1): Այս մոլեկուլի վրա կազդեն միայն այն հարևանները, որոնք գտնվում են շառավիղի մոլեկուլային գործողության ոլորտում r. Այն ուժերը, որոնցով այս մոլեկուլները գործում են մոլեկուլի վրա Ա, ուղղվում են տարբեր ուղղություններով և փոխհատուցվում են միջինում, հետևաբար մյուս մոլեկուլներից հեղուկի ներսում գտնվող մոլեկուլի վրա ազդող ուժը հավասար է զրոյի։

Իրավիճակը միանգամայն այլ է, եթե մոլեկուլը INգտնվում է մակերեսից հեռավորության վրա r. Այս դեպքում մոլեկուլային գործողության ոլորտը միայն մասամբ է գտնվում հեղուկի ներսում։ Հեղուկի մակերևույթի վերևում կա գոլորշի, որի խտությունը շատ անգամ փոքր է հեղուկի խտությունից (կրիտիկական ջերմաստիճանից ցածր ջերմաստիճաններում), ուստի գոլորշիների մոլեկուլների փոխազդեցությունը հեղուկի մոլեկուլների հետ կարելի է անտեսել։ Դրա համար էլ ուժերի արդյունքը Ֆ, որը կիրառվում է մակերեսային շերտի յուրաքանչյուր մոլեկուլի վրա, հավասար չէ զրոյի և ուղղված է հեղուկի ներսում։ Այսպիսով, Մակերեւութային շերտի բոլոր մոլեկուլների առաջացող ուժերը ճնշում են հեղուկի վրա, որը կոչվում է մոլեկուլային ճնշում:

Հեղուկ մասնիկների ընդհանուր էներգիան նրանց քաոսային (ջերմային) շարժման էներգիայի և միջմոլեկուլային փոխազդեցության ուժերի պոտենցիալ էներգիայի գումարն է։ Մոլեկուլը հեղուկի խորքից մակերեւութային շերտ տեղափոխելու համար պետք է աշխատանք ծախսել։ Այս աշխատանքը կատարվում է մոլեկուլների կինետիկ էներգիայի հաշվին և գնում է դրանց պոտենցիալ էներգիայի ավելացմանը։ Հետևաբար, հեղուկի մակերեսային շերտի մոլեկուլներն ունեն ավելի մեծ պոտենցիալ էներգիա, քան հեղուկի ներսում գտնվող մոլեկուլները։ Որքան մեծ է հեղուկի մակերեսը, այնքան ավելի շատ մոլեկուլներ ունեն ավելորդ պոտենցիալ էներգիա: Հեղուկի մակերևութային շերտում գտնվող մոլեկուլների տիրապետած այս լրացուցիչ էներգիան կոչվում է մակերեսային էներգիա, համաչափ է շերտի մակերեսին

, (1)

որտեղ է ս մակերեսային լարվածության գործակիցը, որը շերտի հատուկ մակերեսային էներգիան է։

Մակերեւութային էներգիան ներքին էներգիայի տեսակներից մեկն է, որը բացակայում է գազերում, բայց հասանելի է հեղուկներում և պինդ մարմիններում։

Մոլեկուլները, որոնք գտնվում են հեղուկի մակերեսին, հակված կլինեն «քաշվել» հեղուկի մեջ: Ջերմային շարժման շնորհիվ մոլեկուլների մի փոքր մասը կրկին մակերես է դուրս գալիս։ Մոլեկուլները դեպի ներս քաշվում են ավելի արագ արագությամբ, քան մոլեկուլների շարժումը դեպի մակերես։ Այնուամենայնիվ, բոլոր մոլեկուլները չեն կարող ներս մտնել, ուստի մոլեկուլների քանակը մնում է մակերեսի վրա, որի մակերեսի մակերեսը նվազագույն է հեղուկի տվյալ ծավալի համար: Հեղուկի մակերեսը կծկվի մինչև դինամիկ հավասարակշռության հասնելը, այսինքն. մինչև մակերևութային շերտը լքող և միևնույն ժամանակ դրան վերադարձող մոլեկուլների թիվը նույնն է։ Քանի որ հավասարակշռության վիճակը բնութագրվում է նվազագույն պոտենցիալ էներգիայով, հեղուկը, արտաքին ուժերի բացակայության դեպքում, կստանա այնպիսի ձև, որ տվյալ ծավալի համար ունենա նվազագույն մակերես, այսինքն. գնդակի ձևը.

Ռ հաշվի առեք հեղուկ մակերեսի մի մասը, որը սահմանափակված է փակ եզրագծով Ա Բ Գ Դ(նկ. 2):

Այս հատվածի կրճատման ցանկությունը հանգեցնում է նրան, որ այն գործում է հարակից հատվածների վրա ամբողջ ուրվագծի վրա բաշխված ուժերով: Այս ուժերը կանչեցՄակերեւութային լարվածության ուժեր. ուժ, որը գործում է հեղուկի մակերևույթի երկայնքով, որն ուղղահայաց է այս մակերեսը սահմանող գծին և ձգտում է նվազեցնել այն նվազագույնի:

Եթե ​​շղթայի վրա արտաքին ուժ է գործում Ֆ 1 , ձգտելով մեծացնել եզրագծի տարածքը՝ հատվածը տեղափոխելով աբհեռավորության վրա dxնոր պաշտոնի ա" բ" , ապա կկատարվեն հետևյալ աշխատանքները.

, (2)

այստեղ հաշվի է առնվում, որ
ըստ Նյուտոնի III օրենքի, որտեղ Ֆ- հեղուկի մակերեւութային լարվածության ուժը, որը ձգտում է պահպանել հեղուկի վիճակը հավասարակշռության մեջ.

Էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն
- աշխատանքը հավասար է հեղուկի մակերեսի էներգիայի փոփոխությանը, այսինքն. մակերեսային էներգիայի փոփոխություն. Այսպիսով,

. (3)

Հավասարեցնենք (2) և (3) հավասարումների ճիշտ մասերը՝ հաշվի առնելով դա
, Որտեղ ℓ - Եզրագծային երկարությունը.

, հետևաբար,

. (4)

Բանաձև (4) մակերևութային լարվածության ուժի հաշվարկման բանաձևն է։

σ արժեքը - կոչվում է մակերեւութային լարվածության գործակից: Դրա ֆիզիկական նշանակությունը կարելի է որոշել՝ օգտագործելով (3) և (4) բանաձևերը.

Մակերեւութային լարվածության գործակցի չափման միավորներ.

.

Մակերեւութային լարվածության գործակիցը կախված է հեղուկի տեսակից, նրա ջերմաստիճանից, նյութի մաքրության աստիճանից։ Օրինակ, մակերեսային ակտիվ նյութերը նվազեցնում են մակերեսային լարվածության գործակիցը:

Բրինձ. 9.3. Միջմոլեկուլային ուժերի ազդեցությունը ծավալի և մակերեսի վրա

Այս բոլոր ուժերի արդյունքը հավասար է 0-ի: Մակերեւույթի վրա գտնվող մոլեկուլը գրավում է միայն ներքին մոլեկուլները (գազը թույլ է փոխազդում իր հազվադեպության պատճառով), այդ ուժերի արդյունքն ուղղված է մարմնի ներսում, այսինքն. մակերևութային մոլեկուլները մարմնի մեջ քաշելու միտումը հստակ արտահայտված է, մարմնի մակերեսը, կարծես, լարված վիճակում է և հակված է կծկվելու: Քանի որ մակերևութային մոլեկուլների վրա ուժերի ազդեցությունը չի փոխհատուցվում, այդպիսի մոլեկուլներն ունեն ազատ մակերեսային էներգիա: Տանք սահմանում.

Ազատ մակերեսային էներգիա մակերեսային շերտի մոլեկուլների ավելցուկային էներգիան է՝ համեմատած DE = E* – E ներսում գտնվող մոլեկուլների հետ։

Այս էներգիան կախված է շփման փուլերի նյութի բնույթից, ջերմաստիճանից և փուլերի միջև միջերեսի տարածքից:

S-ը փուլերի բաժանման տարածքն է, մ 2;

s - համաչափության գործակից, որը կոչվում է մակերևութային լարվածության գործակից (կամ պարզապես մակերեսային լարվածություն), J / m 2:

Ինչպես գիտեք, ցանկացած համակարգ ձգտում է նվազագույն էներգիայի: Ազատ մակերևույթի էներգիան (F s = sS) նվազեցնելու համար համակարգը ունի երկու եղանակ՝ նվազեցնել մակերևութային լարվածությունը s կամ

փուլային միջերեսի տարածքը Ս.

Ս–ի նվազումը տեղի է ունենում, երբ նյութերը ներծծվում են պինդ և հեղուկ մակերեսների վրա (սա կլանման շարժիչ ուժն է), երբ մի հեղուկը տարածվում է մյուսի վրա։

S մակերեսը նվազեցնելու ցանկությունը հանգեցնում է ցրված փուլի մասնիկների միաձուլմանը, դրանց մեծացմանը (այս դեպքում սպեցիֆիկ մակերեսը փոքրանում է), այսինքն. սա է դիսպերս համակարգերի թերմոդինամիկական անկայունության պատճառը:

Մակերեւույթը նվազեցնելու հեղուկի ցանկությունը հանգեցնում է նրան, որ այն հակված է գնդակի ձևի: Մաթեմատիկական հաշվարկները ցույց են տալիս, որ գունդն ունի ամենափոքր տարածքը հաստատուն ծավալի դեպքում, ուստի հեղուկի մասնիկները ստանում են գնդաձև ձև, եթե այդ կաթիլները չեն հարթվում ձգողության ուժով։ Մակերեւույթի վրա սնդիկի կաթիլները գնդակների տեսք են ստանում։ Մակերեւութային ուժերի գործողությանը վերագրվում է նաև մոլորակների գնդաձև ձևը։

Մակերեւութային լարվածություն

ֆիզիկական իմաստՄակերեւութային լարվածության գործակիցը (ներ)ը կարելի է մեկնաբանել տարբեր տեսակետներից:

1. Ազատ մակերեսային էներգիա (հատուկ մակերեսային էներգիա)

9.3 արտահայտությունից. պետք է

[J/m2], (9.4)

որտեղ F s – ազատ մակերեսի էներգիա, J;

Այստեղից էլ ֆիզիկական իմաստը s-ը մակերեսային շերտի մոլեկուլների ազատ մակերևութային էներգիան է 1 մ 2 (կամ մեկ այլ միավոր տարածքի վրա), այսինքն. հատուկ մակերեսային էներգիա:

Որքան մեծ է s գործակիցը, այնքան մեծ է մակերևութային էներգիայի մեծությունը (տես Աղյուսակ 9.1.):

2. Աշխատեք նոր մակերես ստեղծելու վրա

Քանի որ էներգիան կատարողականի չափանիշ է, ուրեմն, F s-ը W-ով փոխարինելով, մենք ստանում ենք.

[Ջ / մ 2], (9.5)

որտեղ W-ն նոր ինտերֆեյս ստեղծելու աշխատանքն է, J;

S-ը միջերեսի տարածքն է, m 2:

9.5 արտահայտությունից հետևում է, որ s-ն այն աշխատանքն է, որը պետք է կատարվի, որպեսզի իզոթերմային պայմաններում ֆազային միջերեսի մակերեսը մեծանա հեղուկի մշտական ​​ծավալով:(այսինքն՝ հեղուկի համապատասխան քանակի մոլեկուլները ծավալից տեղափոխել մակերեսային շերտ):

Օրինակ, երբ հեղուկը ցողվում է, կատարվում է աշխատանք, որն անցնում է ազատ մակերևույթի էներգիայի մեջ (սրսկելիս ֆազերի բաժանման մակերեսը շատ անգամ է մեծանում): Նույն աշխատանքն է ծախսվում պինդ մարմինների մանրացման վրա։

Քանի որ մակերևութային լարվածությունը կապված է միջմոլեկուլային կապերի խախտման վրա կատարված աշխատանքի հետ՝ մոլեկուլները ծավալից մակերեսային շերտ տեղափոխելիս, ակնհայտ է, որ մակերևութային լարվածությունը հեղուկի ներսում միջմոլեկուլային փոխազդեցության ուժերի չափումն է։ Որքան ավելի բևեռային է հեղուկը, այնքան ուժեղ է փոխազդեցությունը մոլեկուլների միջև, այնքան ավելի ուժեղ են մակերեսային մոլեկուլները քաշված դեպի ներս, այնքան մեծ է s-ի արժեքը:

Հեղուկներից ամենաբարձր արժեքը s ջրի մոտ (տես Աղյուսակ 9.1.): Սա պատահական չէ, քանի որ ջրի մոլեկուլների միջև ձևավորվում են բավականաչափ ամուր ջրածնային կապեր: Ոչ բևեռային ածխաջրածիններում մոլեկուլների միջև գոյություն ունեն միայն թույլ դիսպերսիոն փոխազդեցություններ, ուստի դրանց մակերեսային լարվածությունը ցածր է։ Ավելին ավելի արժեք s y հեղուկ սնդիկ. Սա ցույց է տալիս զգալի միջատոմային փոխազդեցություն (և ազատ մակերեսի էներգիայի մեծ արժեքը):

Պինդները բնութագրվում են ս–ի բարձր արժեքով։

մակերեսային ուժ

Գոյություն ունի նաև մակերեսային լարվածության ուժային մեկնաբանություն։ Ելնելով մակերեսային լարվածության գործակցի J / m 2 չափից, մենք կարող ենք գրել

Այսպիսով, Մակերեւութային լարվածությունը մակերևութային ուժ է, որը կիրառվում է եզրագծի միավորի երկարության վրա, որը սահմանում է մակերեսը և ուղղված է միջերեսի կրճատմանը:.

Այս ուժի գոյությունը վառ կերպով ցույց է տալիս Դյուպրեի փորձը։ Կոշտ մետաղալարով շրջանակի վրա ամրացվում է շարժական ցատկող (նկ. 9.2): Շրջանակի մեջ ձգվում է օճառի թաղանթ (դիրք 1): Այս թաղանթը 2-րդ դիրքին ձգելու համար պետք է կիրառվի F 1 ուժ, որը հակազդում է մակերեսային լարվածության F 2 ուժին: Այս ուժն ուղղված է մակերեսի երկայնքով (շոշափելիորեն), ուղղահայաց եզրագծին, որը սահմանում է մակերեսը: Ֆիլմի համար Նկ. 9.2 Շղթայի մի մասի դերը խաղում է շարժական ցատկող:

Բրինձ. 9.3. Մակերեւութային լարվածության ուժերի գործողությունը

Այսպիսով, մակերեսային լարվածության ուժերը ունեն հետևյալ հատկությունները.

1) հավասարաչափ բաշխված փուլային գծի երկայնքով.

Մակերեւութային լարվածությունը տեղի է ունենում բոլոր միջերեսներում: Այս փուլերի ագրեգացման վիճակին համապատասխան. հետևյալ նշումը:

s L-G (հեղուկ-գազի սահմանին)

s L1-L2 (երկու չխառնվող հեղուկների սահմանին)

s T-G (պինդ մարմնի սահմանին՝ գազ)

s T-L (պինդ մարմնի սահմանին - հեղուկ)

Որոշ նյութերի մակերևութային լարվածության գործակիցների արժեքները օդի և միջհեղուկի որոշ սահմաններում տրված են Աղյուսակում: 9.3.

Ուղղակի փորձարարական եղանակով հնարավոր է որոշել մակերևութային լարվածությունը հեղուկ-գազ և հեղուկ-հեղուկ միջերեսներում: Պինդ մարմնի հետ միջերեսի մակերևութային լարվածության որոշման մեթոդները հիմնված են անուղղակի չափումների վրա:

Մակերեւութային լարվածության որոշման մեթոդները բաժանվում են երեք խմբի՝ ստատիկ, կիսաստատիկ և դինամիկ։

Ստատիկ մեթոդները որոշում են գործնականում անշարժ մակերևույթների մակերևութային լարվածությունը, որոնք ձևավորվել են չափումների մեկնարկից շատ առաջ և, հետևաբար, հավասարակշռված են հեղուկի ծավալի հետ: Այս մեթոդները ներառում են մազանոթային բարձրացման մեթոդը և նստած կամ կախված կաթիլային (պղպջակների) մեթոդը:

Դինամիկ մեթոդները հիմնված են այն փաստի վրա, որ հեղուկի վրա մեխանիկական գործողությունների որոշ տեսակներ ուղեկցվում են դրա մակերեսի պարբերական ձգումով և սեղմումով, որոնց վրա ազդում է մակերեսային լարվածությունը։ Այս մեթոդները որոշում են s-ի ոչ հավասարակշռության արժեքը: Դինամիկ մեթոդները ներառում են մազանոթ ալիքների և տատանվող շիթերի մեթոդներ:

կիսաստատիկկոչվում են չափման գործընթացում առաջացող և պարբերաբար թարմացվող փուլային սահմանի մակերևութային լարվածության որոշման մեթոդներ (պղպջակների առավելագույն ճնշման մեթոդ և ստալագմոմետրիկ մեթոդ), ինչպես նաև օղակը պոկելու և թիթեղը հետ քաշելու մեթոդներ: Այս մեթոդները հնարավորություն են տալիս որոշել մակերևութային լարվածության հավասարակշռության արժեքը, եթե չափումները կատարվում են այնպիսի պայմաններում, որ միջերեսի ձևավորման ժամանակը շատ ավելի երկար է, քան համակարգում հաստատվող հավասարակշռության ժամանակը:

Աղյուսակ 9.3

Մակերեւութային լարվածություն (հատուկ մակերեսային էներգիա)

որոշ նյութեր օդի հետ սահմանին (298 Կ)

Նյութ	s, mJ/m2		Նյութ	s, mJ/m2
Հեղուկ		Պինդ նյութեր
Հեքսան	18,4		Սառույց (270 Կ)
Օկտան	21,8		Քվարց
էթանոլ	22,0		MgO
Բենզին	25,0		Ալյումինե
Բենզոլ	28,2		Երկաթ
Քացախաթթու	27,8		Վոլֆրամ
Մրջնաթթու	36,6		Ադամանդ
Անիլին	43,2		Պոլիմերներ
Ջուր	71,95		Պոլիտետրաֆտորէթիլեն	18,5
Մերկուրի	473,5		Պոլիէթիլեն	31,0
հեղուկ - հեղուկ		Պոլիստիրոլ	33,0
բենզոլ - ջուր	34,4		ՊՎՔ	40,0
անիլին - ջուր	4,8		Plexiglass	38,0
Քլորոֆորմ - ջուր	33,8		Էմալ K-2	31,7

մազանոթային բարձրացման մեթոդ

Մազանոթում հեղուկի բարձրացումը (եթե հեղուկը թրջում է մազանոթի պատերը) առաջանում է մակերևութային լարվածությունից։ Մակերևութային լարվածության և մազանոթում հեղուկի բարձրացման բարձրության միջև (նկ. 9.4) կա հետևյալ կապը.

, (9.7)

որտեղ s-ը մակերեսային լարվածությունն է; h-ը հեղուկ սյունակի բարձրությունն է. r 2 և r 1 հեղուկ և հագեցած գոլորշիների խտություններն են. g-ն ազատ անկման արագացումն է. q-ը թրջման շփման անկյունն է. r-ը մազանոթների շառավիղն է:

Փորձի համար անհրաժեշտ է՝ 0,2-0,3 մմ տրամագծով մազանոթ; անոթ, որի մեջ լցվում է փորձարկման հեղուկը. հեղուկի բարձրացման բարձրությունը չափելու կաթետոմետր (ճշգրտություն ± 1 մկմ) և մենիսկի ընդգծման սարք։

Ամենամեծ դժվարություններն առաջանում են թրջման անկյան q չափումից։ Հետևաբար, այս մեթոդը առավել հարմար է կիրառել հեղուկների վրա, որոնցում q = 0 0:

Բրինձ. 9.4. Հեղուկի բարձրացում մազանոթում

Այս պայմանը նկատվում է ջրի և շատ օրգանական հեղուկների համար։ Քանի որ cos 0 0 = 1, արտահայտությունը (9.7) պարզեցված է և կարող է օգտագործվել s-ը հաշվարկելու համար: Մազանոթային բարձրացման մեթոդը մակերեսային լարվածության որոշման առավել ճշգրիտ մեթոդներից մեկն է:

Հեղուկ մասնիկների ընդհանուր էներգիան նրանց քաոսային (ջերմային) շարժման էներգիայի և միջմոլեկուլային փոխազդեցության ուժերի պոտենցիալ էներգիայի գումարն է։ Մոլեկուլը հեղուկի խորքից մակերեւութային շերտ տեղափոխելու համար պետք է աշխատանք ծախսել։ Այս աշխատանքը կատարվում է մոլեկուլների կինետիկ էներգիայի հաշվին և գնում է դրանց պոտենցիալ էներգիայի ավելացմանը։ Հետևաբար, հեղուկի մակերեսային շերտի մոլեկուլներն ունեն ավելի մեծ պոտենցիալ էներգիա, քան հեղուկի ներսում գտնվող մոլեկուլները։ Հեղուկի մակերևութային շերտի մոլեկուլներին տիրապետող այս լրացուցիչ էներգիան, որը կոչվում է մակերևութային էներգիա, համաչափ է D շերտի մակերեսին։ Ս:

Որտեղ s-մակերեսային լարվածություն.

Քանի որ հավասարակշռության վիճակը բնութագրվում է նվազագույն պոտենցիալ էներգիայով, հեղուկը արտաքին ուժերի բացակայության դեպքում կստանա այնպիսի ձև, որ տվյալ ծավալի համար ունենա նվազագույն մակերես, այսինքն՝ գնդակի ձև: Դիտարկելով օդում կախված ամենափոքր կաթիլները՝ մենք կարող ենք տեսնել, որ դրանք իսկապես ունեն գնդիկների ձև, բայց որոշ չափով աղավաղված են ծանրության ուժերի գործողության պատճառով:

Այսպիսով, հեղուկի կայուն հավասարակշռության պայմանը մակերևութային էներգիայի նվազագույն քանակն է: Սա նշանակում է, որ հեղուկը տվյալ ծավալի համար պետք է ունենա ամենափոքր մակերեսը, այսինքն՝ հեղուկը հակված է նվազեցնելու ազատ մակերեսը: Այս դեպքում հեղուկի մակերեսային շերտը կարելի է համեմատել ձգված առաձգական թաղանթի հետ, որի մեջ գործում են լարվածության ուժերը։

Մակերեւութային լարվածության ուժերի ազդեցության տակ (ուղղված շոշափելիորեն հեղուկի մակերեսին և ուղղահայաց եզրագծի այն հատվածին, որի վրա նրանք գործում են), հեղուկի մակերեսը կծկվել է և դիտարկվող եզրագիծը տեղափոխվել է բաց մոխրագույնով նշված դիրքի։ Ընտրված տարածքից հարակից տարածքներ գործող ուժերը գործում են

Որտեղ զմակերևութային լարվածության ուժն է, որը գործում է հեղուկի մակերեսի եզրագծի մեկ միավորի երկարության վրա:

Սկսած թզ. 97-ը ցույց է տալիս, որ Դ lDx= Դ Ս, այսինքն.

Այս աշխատանքը կատարվում է մակերեսային էներգիայի կրճատմամբ, այսինքն.

(66.1) - (66.3) արտահայտությունների համեմատությունը ցույց է տալիս, որ

այսինքն. մակերեսային լարվածություն սհավասար է մակերևութային լարվածության ուժին մեկ միավորի երկարության եզրագծի վրա, որը սահմանում է մակերեսը: Մակերեւութային լարվածության միավոր - Նյուտոն մեկ մետրի համար(N/m) կամ ջոուլ մեկ քառակուսի մետրի համար(J / m 2) (տես (66.4) և (bb.1)): Հեղուկների մեծ մասը 300 Կ ջերմաստիճանում ունեն 10 -2 -10 -1 Ն/մ կարգի մակերևութային լարվածություն։ Մակերևութային լարվածությունը նվազում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, քանի որ հեղուկի մոլեկուլների միջև միջին հեռավորությունները մեծանում են:

Մակերեւութային լարվածությունը էապես կախված է հեղուկներում առկա կեղտերից: Այն նյութերը, որոնք նվազեցնում են հեղուկի մակերևութային լարվածությունը, կոչվում են մակերեսային ակտիվ. X ջրի համար ամենահայտնի մակերեւութային ակտիվ նյութը օճառն է: Այն մեծապես նվազեցնում է իր մակերեսային լարվածությունը (մոտավորապես 7,5 10 -2-ից մինչև 4,5 10 -2 Ն/մ): Մակերեւութային ակտիվ նյութեր, որոնք նվազեցնում են ջրի մակերեսային լարվածությունը, նույնպես սպիրտներ են, եթերներ, յուղեր և այլն:

Կան նյութեր (շաքար, աղ), որոնք մեծացնում են հեղուկի մակերևութային լարվածությունը, քանի որ դրանց մոլեկուլները ավելի ուժեղ են փոխազդում հեղուկի մոլեկուլների հետ, քան հեղուկի մոլեկուլները։ Օրինակ, եթե դուք աղում եք օճառի լուծույթը, ապա ավելի շատ օճառի մոլեկուլներ են մղվում հեղուկի մակերեսային շերտ, քան քաղցրահամ ջրի մեջ:

Դասախոսություն 11. Նյութի հեղուկ վիճակի բնութագրերը. Հեղուկի մակերեսային շերտը: Մակերեւութային շերտի էներգիան. Երևույթներ պինդ մարմին ունեցող հեղուկի սահմանին։ մազանոթային երեւույթներ.

ՆՈՒՅԹԻ ՀԵՂՈՒԿ ՎԻՃԱԿԻ ԲՆՈՒԹԱԳԻՐՆԵՐԸ

Հեղուկը նյութի ագրեգատ վիճակ է, որը միջանկյալ է գազային և պինդի միջև:

Հեղուկ վիճակում գտնվող նյութը պահպանում է իր ծավալը, բայց ստանում է անոթի ձևը, որում գտնվում է: Հեղուկի ծավալի պահպանումն ապացուցում է, որ նրա մոլեկուլների միջև գործում են գրավիչ ուժեր:

Եթե ​​մոլեկուլային գործողության ոլորտը նկարագրված է հեղուկ մոլեկուլի շուրջ, ապա այս ոլորտի ներսում կլինեն բազմաթիվ այլ մոլեկուլների կենտրոններ, որոնք կփոխազդեն մեր մոլեկուլի հետ: Այս փոխազդեցության ուժերը հեղուկ մոլեկուլը պահում են իր ժամանակավոր հավասարակշռության դիրքի մոտ մոտավորապես 10 -12 -10 -10 վրկ, որից հետո այն ցատկում է նոր ժամանակավոր հավասարակշռության դիրքի մոտավորապես իր տրամագծի հեռավորությանը: Թռիչքների միջև հեղուկի մոլեկուլները տատանվում են ժամանակավոր հավասարակշռության դիրքի շուրջ:

Մոլեկուլի երկու ցատկերի միջև ընկած ժամանակահատվածը մի դիրքից մյուսը կոչվում է նստվածքային կյանքի ժամանակ։

Այս ժամանակը կախված է հեղուկի տեսակից և ջերմաստիճանից: Երբ հեղուկը տաքացվում է, մոլեկուլների նստվածքի կյանքի միջին ժամանակը նվազում է։

Այսպիսով, հեղուկի փոքր ծավալում նկատվում է նրա մոլեկուլների պատվիրված դասավորությունը, իսկ մեծ ծավալի դեպքում այն ​​քաոսային է ստացվում։ Այս իմաստով ասվում է, որ հեղուկի մեջ մոլեկուլների դասավորվածության կարճ հեռահար կարգ կա և չկա հեռահար կարգ։ Հեղուկի այս կառուցվածքը կոչվում է քվազիբյուրեղային (բյուրեղանման):

ՀԵՂՈՒԿ ՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ

1. Եթե հեղուկի վրա ուժի ներգործության ժամանակը կարճ է, ապա հեղուկն առաձգական հատկություն է ցուցաբերում։ Օրինակ, երբ փայտը կտրուկ բախվում է ջրի մակերեսին, փայտը կարող է դուրս թռչել ձեռքից կամ կոտրվել; Քարը կարելի է այնպես նետել, որ երբ այն դիպչում է ջրի մակերեսին, ցատկում է դրանից, և միայն մի քանի ցատկ անելուց հետո է սուզվում ջրի մեջ։

2. Եթե հեղուկի ազդեցության ժամանակը երկար է, ապա առաձգականության փոխարեն հայտնվում է հեղուկի հեղուկությունը։ Օրինակ՝ ձեռքը հեշտությամբ թափանցում է ջրի մեջ։

3. Հեղուկ շիթերի վրա ուժի կարճատև ազդեցությամբ վերջինս դրսևորում է փխրունություն։ Հեղուկի ուժը և պատռվածքը, թեև ավելի քիչ են, քան պինդները, բայց մեծությամբ նրանց շատ չեն զիջում։ Ջրի համար այն կազմում է 2,5-10 7 Ն/մ 2:

4. Հեղուկի սեղմելիությունը նույնպես շատ փոքր է, թեև այն ավելի մեծ է, քան պինդ վիճակում գտնվող նույն նյութերը։ Օրինակ, 1 ատմ-ով ճնշման ավելացման դեպքում ջրի ծավալը նվազում է 50 ppm-ով:

Հեղուկի ներսում կոտրվածքները, որոնցում չկան օտար նյութեր, օրինակ՝ օդը, կարելի է ստանալ միայն հեղուկի վրա ինտենսիվ ազդեցությամբ, օրինակ՝ երբ պտուտակներ պտտվում են ջրի մեջ, երբ ուլտրաձայնային ալիքները տարածվում են հեղուկում: Հեղուկի ներսում նման դատարկությունները չեն կարող երկար ժամանակ գոյություն ունենալ և կտրուկ փլուզվում են, այսինքն՝ անհետանում: Այս երեւույթը կոչվում է կավիտացիա (հունարեն «cavitas»-ից՝ խոռոչ): Այն առաջացնում է պտուտակների արագ մաշվածություն:

մակերևութային հեղուկ

Հեղուկի ներսում գտնվող մոլեկուլի վրա կիրառվող ձգողականության մոլեկուլային ուժերի արդյունքի միջին արժեքը (նկ. 2) մոտ է զրոյի: Այս արդյունքի պատահական տատանումները ստիպում են մոլեկուլին կատարել միայն քաոսային շարժում հեղուկի ներսում: Իրավիճակը փոքր-ինչ այլ է հեղուկի մակերեսային շերտում տեղակայված մոլեկուլների դեպքում:

Նկարագրենք մոլեկուլների շուրջ R շառավղով մոլեկուլային գործողության ոլորտները (10 -8 մ կարգի): Այնուհետև ստորին կիսագնդում վերին մոլեկուլի համար շատ մոլեկուլներ կլինեն, իսկ վերին կիսագնդում ՝ շատ ավելի քիչ, քանի որ ներքևը հեղուկ է, իսկ վերևը՝ գոլորշի և օդ: Հետևաբար, վերին մոլեկուլի համար ստորին կիսագնդում ներգրավման մոլեկուլային ուժերի արդյունքը շատ ավելի մեծ է, քան վերին կիսագնդի մոլեկուլային ուժերի արդյունքը։

Այսպիսով, մակերևութային շերտում գտնվող բոլոր հեղուկ մոլեկուլները, որոնց հաստությունը հավասար է մոլեկուլային գործողության շառավղին, քաշվում են հեղուկի մեջ: Բայց հեղուկի ներսում տարածությունը զբաղեցնում են այլ մոլեկուլներ, ուստի մակերեսային շերտը ճնշում է ստեղծում հեղուկի վրա, որը կոչվում է մոլեկուլային ճնշում:

Հորիզոնական հարթությունում գործող ուժերը միասին քաշում են հեղուկի մակերեսը: Նրանք կոչվում են մակերեսային լարվածության ուժեր

Մակերեւութային լարվածություն- ֆիզիկական մեծություն, որը հավասար է հեղուկի մակերևութային շերտի սահմանին կիրառված և մակերեսին շոշափելիորեն ուղղվող F մակերևութային լարվածության ուժի հարաբերությանը այս սահմանի l երկարությանը.

Մակերեւութային լարվածության միավորը նյուտոնն է մետրի համար (N/m):

Մակերեւութային լարվածությունը տարբեր է տարբեր հեղուկների համար և կախված է ջերմաստիճանից:

Սովորաբար, մակերևութային լարվածությունը նվազում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, իսկ կրիտիկական ջերմաստիճանում, երբ հեղուկի և գոլորշու խտությունը նույնն է, հեղուկի մակերեսային լարվածությունը զրո է:

Մակերևութային լարվածությունը նվազեցնող նյութերը կոչվում են մակերեսային ակտիվ (ալկոհոլ, օճառ, լվացքի փոշի)

Հեղուկի մակերեսը մեծացնելու համար պետք է աշխատանք կատարել մակերեսային լարվածության դեմ:

Մակերեւութային լարվածության գործակցի մեկ այլ սահմանում կա՝ էներգիա։ Դա բխում է նրանից, որ եթե հեղուկի մակերեսը մեծանում է, ապա դրա ծավալից որոշակի քանակությամբ մոլեկուլներ բարձրանում են մակերեսային շերտ: Այս նպատակով արտաքին ուժերաշխատանք կատարել մոլեկուլների մոլեկուլային համակցված ուժերի դեմ: Այս աշխատանքի արժեքը համաչափ կլինի հեղուկի մակերեսի փոփոխությանը.

σ համաչափության գործակիցը կոչվում է հեղուկի մակերեւութային լարվածություն։

Եկեք դուրս բերենք a մակերևութային լարվածության միավորը SI-ում. o \u003d 1 J / 1 m 2 \u003d 1 J / m 2: