Bir sıvının yüzey enerjisi. Yüzey gerilimi

Bir sıvıdaki moleküller kinetik enerjiye sahiptir termal hareket ve moleküller arası etkileşimin potansiyel enerjisi. Bir molekülü bir sıvının derinliğinden yüzeye taşımak için moleküler basınç kuvvetinin üstesinden gelmek için iş yapılmalıdır. Bu iş, molekülün kinetik enerji stoku nedeniyle yapılır ve potansiyel enerjisini artırmak için kullanılır. Bu nedenle, yüzey tabakasının molekülleri, sıvı içindeki moleküllere kıyasla ek potansiyel enerjiye sahiptir. Yüzey tabakasının moleküllerinin sahip olduğu bu ek potansiyel enerjiye denir. yüzey enerjisi.

Sıvının yüzeyi gerilirse, yüzeye daha fazla yeni molekül gelecek ve yüzey tabakasının potansiyel enerjisi artacaktır. Bu nedenle, yüzey enerjisi, sıvı yüzeyinin alanı ile orantılıdır (Şekil 4).

Nerede A yüzey gerilimi kuvvetinin işidir; F yüzey gerilimi kuvvetidir; D X– filmin gerilmesi; D S– filmin yüzey alanındaki değişiklik.

Bu ifadeden yüzey gerilimi katsayısının bir tanımı daha verilebilir.

Yüzey gerilimi katsayısı, birim yüzey alanı başına serbest yüzey enerjisine eşittir. Bu durumda ölçü birimi [a]=[J/m 2 ] şeklindedir.

Sıvıdaki safsızlıkların yüzey gerilimi üzerinde büyük etkisi vardır. Örneğin, suda çözünen sabun, yüzey gerilimini 0,045 N/m'ye düşürürken, şeker veya tuz onu artırır. Yüzey gerilimini değiştiren maddelere denir yüzeysel olarak aktif. Bunlar arasında yağ, sabun, alkol bulunur.Bu fenomen, moleküller arasındaki moleküller arası etkileşimlerle açıklanır. Sıvının kendi molekülleri arasındaki etkileşim, sıvının molekülleri ile safsızlık arasındaki etkileşimden daha büyükse, safsızlık molekülleri yüzeye itilir ve yüzeydeki safsızlık konsantrasyonu daha fazladır; hacimden daha fazla, bu da yüzey geriliminde bir azalmaya yol açar.

Sürfaktanlar, metallerin kesilmesinde, kayaların delinmesinde vb. .

(moleküler fizik ve termodinamik)

katsayı ölçümü

sıvının yüzey gerilimi.

Teçhizat : dinamometre, hareketli su kabı, döngü.

Kısa teori.

Gaz molekülleri gibi sıvı parçacıklar (atomlar, moleküller, iyonlar), denge konumu etrafında sürekli kaotik salınımlar gerçekleştirir ve bu salınımların ortalama kinetik enerjisi vücudun sıcaklığını belirler. Bu hareketlerin "özgürlüğü", parçacıklar arasındaki etkileşim kuvvetleriyle sınırlıdır, ancak ara sıra hareket edebilir, bir yerden diğerine atlayabilirler. Bu nedenle, sıvı akışkanlık özelliğine sahiptir. Aynı sıçramalar bir sıvıdaki difüzyon sürecini de açıklar. Isıtıldıklarında sıvılar genleşir, ancak hacimsel genleşme sıcaklık katsayıları sabit basınçtaki gazlarınkinden çok daha düşüktür. Parçacıklar arasındaki küçük mesafeler nedeniyle sıvılar çok sıkıştırılamaz. Bir sıvıyı gazlardan ayıran en karakteristik özellik, sıvının bir gaz veya buhar ile arayüzeyinde serbest bir yüzey oluşturmasıdır. Bu nedenle, örneğin bir kaptaki su, kütlesi ve yoğunluğu ile belirlenen hacmin yalnızca bir kısmını kaplarken, gazlar kendilerine sağlanan tüm hacmi kaplar.

Sıvı yüzeyinin özelliklerini düşünün. Bir sıvının yüzey tabakasında bulunan moleküller, sıvı içindeki moleküllere göre farklı koşullardadır. Her tarafı diğer moleküllerle çevrili bir sıvının her molekülü, mesafeyle hızla azalan çekici kuvvetlere tabidir (Şekil 1); bu nedenle, belirli bir minimum mesafeden başlayarak, moleküller arasındaki çekim kuvvetleri ihmal edilebilir. Bu mesafeye (10-9 m mertebesinde) moleküler etki yarıçapı denir. R ve yarıçap küresi R - moleküler etki alanı.

Bir sıvının yüzeyinde ve derinliğinde bulunan moleküller çeşitli koşullar. Bir sıvı kütlesinde bulunan bir molekülü düşünün - bir molekül A(Şek. 1). Bu molekül, yalnızca yarıçapın moleküler etki alanı içindeki komşulardan etkilenecektir. R. Bu moleküllerin moleküle etki ettiği kuvvetler A, farklı yönlere yönlendirilir ve ortalama olarak dengelenir, bu nedenle sıvı içindeki bir moleküle diğer moleküllerden etki eden ortaya çıkan kuvvet sıfıra eşittir.

Molekül ise durum oldukça farklıdır. İÇİNDE yüzeyden uzakta bulunan R. Bu durumda, moleküler etki alanı sadece kısmen sıvının içinde bulunur. Sıvının yüzeyinin üzerinde, yoğunluğu sıvının yoğunluğundan birçok kez daha az olan (kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda) buhar vardır, bu nedenle buhar moleküllerinin sıvı moleküllerle etkileşimi ihmal edilebilir. Bu yüzden kuvvetlerin bileşkesi F, yüzey tabakasının her bir molekülüne uygulanan, sıfıra eşit değildir ve sıvının içine yönlendirilir. Böylece, yüzey tabakasının tüm moleküllerinin ortaya çıkan kuvvetleri sıvı üzerinde moleküler basınç adı verilen bir basınç uygular.

Sıvı parçacıkların toplam enerjisi, kaotik (termal) hareketlerinin enerjisi ile moleküller arası etkileşim kuvvetlerinden kaynaklanan potansiyel enerjinin toplamıdır. Bir molekülü sıvının derinliğinden yüzey tabakasına taşımak için iş yapılması gerekir. Bu iş, moleküllerin kinetik enerjisi pahasına yapılır ve potansiyel enerjilerini arttırmaya gider. Bu nedenle, sıvının yüzey tabakasındaki moleküller, sıvının içindeki moleküllerden daha büyük bir potansiyel enerjiye sahiptir. Sıvının yüzeyi ne kadar büyükse, fazla potansiyel enerjiye sahip moleküller o kadar fazladır. Bir sıvının yüzey tabakasındaki moleküllerin sahip olduğu bu ekstra enerjiye denir. yüzey enerjisi, katmanın alanıyla orantılıdır

, (1)

σ nerede yüzey gerilimi katsayısı, katmanın özgül yüzey enerjisidir.

Yüzey enerjisi, gazlarda bulunmayan ancak sıvılarda ve katılarda bulunan iç enerji türlerinden biridir.

Sıvının yüzeyinde bulunan moleküller, sıvının içine "çekme" eğiliminde olacaktır. Termal hareket nedeniyle moleküllerin küçük bir kısmı tekrar yüzeye çıkar. Moleküller, moleküllerin yüzeye doğru hareketinden daha hızlı bir oranda içe doğru çekilir. Bununla birlikte, tüm moleküller içeri giremez, bu nedenle molekül sayısı, belirli bir sıvı hacmi için yüzey alanının minimum olduğu yüzeyde kalır. Sıvının yüzeyi, dinamik dengeye ulaşılana kadar, yani ta ki yüzey tabakasından ayrılan ve aynı zamanda ona geri dönen moleküllerin sayısı aynı olana kadar. Denge durumu minimum potansiyel enerji ile karakterize edildiğinden, sıvı, dış kuvvetlerin yokluğunda, belirli bir hacim için minimum bir yüzeye sahip olacak şekilde bir şekil alacaktır, yani. top şekli.

R kapalı bir konturla sınırlanmış sıvı yüzeyinin bir bölümünü düşünün abcd(İncir. 2).

Bu bölümün küçültme isteği, tüm kontur boyunca dağıtılan kuvvetlerle bitişik bölümler üzerinde hareket etmesine yol açar. Bu kuvvetler isminde Yüzey gerilimi kuvvetleri: bir sıvının yüzeyi boyunca, bu yüzeyi sınırlayan çizgiye dik olarak etki eden ve onu minimuma indirme eğiliminde olan bir kuvvet.

Devreye bir dış kuvvet etki ederse F 1 , bölümü hareket ettirerek kontur alanını arttırmaya çalışmak ab uzaktan dx yeni bir konuma A" B" , ardından aşağıdaki iş yapılacaktır:

, (2)

burada dikkate alınır ki
Newton'un III yasasına göre, burada F- sıvının durumunu dengede tutma eğiliminde olan sıvının yüzey geriliminin kuvveti.

Enerjinin korunumu yasasına göre
- iş, sıvı yüzeyinin enerjisindeki değişime eşittir, yani yüzey enerjisindeki değişim. Böylece,

. (3)

(2) ve (3) denklemlerinin doğru kısımlarını eşitleyelim.
, Nerede ℓ - kontur uzunluğu:

, buradan,

. (4)

Formül (4), yüzey gerilimi kuvvetini hesaplamak için kullanılan formüldür.

σ - değerine yüzey gerilimi katsayısı denir. Fiziksel anlamı formül (3) ve (4) kullanılarak belirlenebilir:

Yüzey gerilimi katsayısının ölçü birimleri:

.

Yüzey gerilimi katsayısı, sıvının türüne, sıcaklığına, maddenin saflık derecesine bağlıdır. Örneğin, yüzey aktif maddeler yüzey gerilimi katsayısını azaltır.

Pirinç. 9.3. Moleküller arası kuvvetlerin hacimdeki ve yüzeydeki etkisi

Tüm bu kuvvetlerin bileşkesi 0'a eşittir. Yüzeyde bulunan bir molekül, yalnızca iç moleküllerin çekimine maruz kalır (gaz, seyrelmesinden dolayı zayıf bir şekilde etkileşime girer), bu kuvvetlerin bileşkesi vücudun içine, yani vücudun içine yönlendirilir. yüzey moleküllerini vücuda geri çekme eğilimi açıkça ifade edilir, vücudun yüzeyi adeta gergin bir durumdadır ve kasılma eğilimindedir. Kuvvetlerin yüzey molekülleri üzerindeki etkisi telafi edilmediğinden, bu tür moleküller serbest bir yüzey enerjisine sahiptir. Bir tanım verelim.

Serbest yüzey enerjisi DE = E* – E cf.

Bu enerji, temas eden fazların maddesinin doğasına, sıcaklığa ve fazlar arasındaki arayüzün alanına bağlıdır.

S, faz ayırma alanıdır, m2;

s - yüzey gerilimi katsayısı (veya sadece yüzey gerilimi), J / m 2 olarak adlandırılan orantılılık katsayısı.

Bildiğiniz gibi, herhangi bir sistem minimum enerjiye eğilimlidir. Serbest yüzey enerjisini azaltmak için (F s = sS), sistemin iki yolu vardır: yüzey gerilimini s azaltmak veya

faz arayüzünün alanı S .

Maddeler katı ve sıvı yüzeylerde adsorbe edildiğinde (bu, adsorpsiyonun itici gücüdür), bir sıvı diğerinin üzerine yayıldığında s'de bir azalma meydana gelir.

S yüzey alanını azaltma arzusu, dağılmış fazın parçacıklarının birleşmesine, bunların genişlemesine (bu durumda, özgül yüzey azalır), yani. dağınık sistemlerin termodinamik kararsızlığının nedeni budur.

Sıvının yüzeyi küçültme isteği, top şeklini alma eğilimine girmesine neden olur. Matematiksel hesaplamalar, kürenin sabit hacimde en küçük alana sahip olduğunu gösterir, bu nedenle sıvının parçacıkları, bu damlalar yerçekimi ile düzleştirilmedikçe küresel bir şekil alır. Yüzeydeki cıva damlaları top şeklini alır. Gezegenlerin küresel şekli de yüzey kuvvetlerinin etkisine atfedilir.

Yüzey gerilimi

fiziksel anlam yüzey gerilimi katsayısı (s) farklı bakış açılarından yorumlanabilir.

1. Serbest yüzey enerjisi (spesifik yüzey enerjisi)

9.3 ifadesinden. meli

[J/m2], (9.4)

burada F s – serbest yüzey enerjisi, J;

Dolayısıyla fiziksel anlam s, yüzey tabakasının moleküllerinin 1 m 2'lik bir alandaki (veya başka bir birim alandaki) serbest yüzey enerjisidir, yani. özgül yüzey enerjisi.

s katsayısı ne kadar büyük olursa, yüzey enerjisinin büyüklüğü de o kadar büyük olur (bkz. Tablo 9.1.).

2. Yeni bir yüzey oluşturmaya çalışın

Enerji bir performans ölçüsü olduğundan, F s'yi W ile değiştirerek şunu elde ederiz:

[J / m2], (9.5)

burada W, yeni bir arayüz oluşturma işidir, J;

S arayüzün alanıdır, m 2 .

9.5 ifadesinden şunu takip eder: s, sabit hacimde sıvı ile izotermal koşullar altında faz arayüzünün birim alanını artırmak için yapılması gereken iştir.(yani, hacimden yüzey tabakasına uygun sayıda sıvı molekülü aktarın).

Örneğin, bir sıvı püskürtüldüğünde, serbest yüzey enerjisine giden iş yapılır (püskürtme sırasında faz ayırma yüzeyi birçok kez artar). Aynı iş katıların ezilmesinde de harcanır.

Yüzey gerilimi, moleküllerin hacimden yüzey tabakasına transferi sırasında moleküller arası bağların kırılması için harcanan işle ilgili olduğundan, yüzey geriliminin bir sıvı içindeki moleküller arası etkileşim kuvvetlerinin bir ölçüsü olduğu açıktır. Sıvı ne kadar polarsa, moleküller arasındaki etkileşim o kadar güçlüdür, yüzey molekülleri içe doğru o kadar güçlü çekilir, s değeri o kadar yüksek olur.

sıvılardan en yüksek değer suya yakın (bkz. Tablo 9.1.). Su molekülleri arasında yeterince güçlü hidrojen bağları oluştuğu için bu tesadüf değildir. Polar olmayan hidrokarbonlarda, moleküller arasında sadece zayıf dispersiyon etkileşimleri vardır, bu nedenle yüzey gerilimleri düşüktür. Daha daha fazla değer s y sıvı cıva. Bu, önemli bir atomlar arası etkileşimi (ve serbest yüzey enerjisinin büyük bir değerini) gösterir.

Katılar, yüksek bir s değeri ile karakterize edilir.

yüzey kuvveti

Yüzey geriliminin kuvvet yorumu da vardır. J / m 2 yüzey gerilimi katsayısının boyutuna göre yazabiliriz

Böylece, yüzey gerilimi, yüzeyi sınırlayan ve arayüzü azaltmayı amaçlayan konturun birim uzunluğuna uygulanan bir yüzey kuvvetidir..

Bu gücün varlığı, Dupre'nin deneyimiyle canlı bir şekilde gösterilmiştir. Sert bir tel çerçeveye hareketli bir jumper sabitlenmiştir (Şekil 9.2). Çerçeveye bir sabun filmi gerilir (konum 1). Bu filmi konum 2'ye germek için, yüzey gerilimi kuvveti F2 ile dengelenen bir F1 kuvveti uygulanmalıdır. Bu kuvvet, yüzey boyunca (teğet olarak), yüzeyi sınırlayan kontura dik olarak yönlendirilir. Resimdeki film için 9.2 devrenin bir kısmının rolü, hareketli bir jumper tarafından oynanır.

Pirinç. 9.3. Yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisi

Böylece, yüzey gerilimi kuvvetleri aşağıdaki özelliklere sahiptir:

1) faz çizgisi boyunca eşit olarak dağıtılmış;

Yüzey gerilimi tüm arayüzlerde meydana gelir. Bu aşamaların bir araya gelme durumuna göre; aşağıdaki notasyon:

s L-G (sıvı-gaz ​​sınırında)

s L1-L2 (iki karışmayan sıvının sınırında)

s T-G (katı bir cismin sınırında - gaz)

s T-L (katı bir cismin sınırında - sıvı)

Bazı maddelerin hava sınırında ve bazı akışkanlar arası sınırlarında yüzey gerilimi katsayılarının değerleri Tablo'da verilmiştir. 9.3.

Sıvı-gaz ​​ve sıvı-sıvı arayüzeylerindeki yüzey gerilimini doğrudan deneysel olarak belirlemek mümkündür. Katı bir cisimle arayüzdeki yüzey gerilimini belirleme yöntemleri, dolaylı ölçümlere dayanır.

Yüzey gerilimini belirleme yöntemleri üç gruba ayrılır: statik, yarı statik ve dinamik.

Statik yöntemler, ölçümlerin başlamasından çok önce oluşan ve bu nedenle sıvının hacmi ile dengede olan pratik olarak hareketsiz yüzeylerin yüzey gerilimini belirler. Bu yöntemler, kılcal yükselme yöntemini ve sapsız veya asılı damla (kabarcık) yöntemini içerir.

Dinamik yöntemler, bir sıvı üzerindeki bazı mekanik hareketlere, yüzey geriliminden etkilenen yüzeyinin periyodik olarak gerilmesi ve sıkıştırılmasının eşlik ettiği gerçeğine dayanır. Bu yöntemler, s'nin denge dışı değerini belirler. Dinamik yöntemler, kılcal dalga yöntemlerini ve salınımlı bir jeti içerir.

yarı statikölçüm sürecinde ortaya çıkan ve periyodik olarak güncellenen faz sınırının yüzey gerilimini belirlemek için yöntemler (maksimum kabarcık basıncı yöntemi ve stagmometrik yöntem) ve ayrıca halkayı yırtma ve plakayı geri çekme yöntemleri. Bu yöntemler, ölçümler, arayüzün oluşma süresinin sistemde kurulacak dengenin oluşma süresinden çok daha uzun olduğu koşullar altında yapılırsa, yüzey geriliminin denge değerinin belirlenmesini mümkün kılar.

Tablo 9.3

Yüzey gerilimi (özgül yüzey enerjisi)

bazı maddeler hava sınırında (298 K)

Madde	s, mJ/m2		Madde	s, mJ/m2
Sıvı		katılar
heksan	18,4		Buz (270 K)
Oktan	21,8		Kuvars
etanol	22,0		MgO
Benzin	25,0		Alüminyum
Benzen	28,2		Ütü
Asetik asit	27,8		Tungsten
Formik asit	36,6		Elmas
Anilin	43,2		polimerler
su	71,95		Politetrafloroetilen	18,5
Merkür	473,5		polietilen	31,0
sıvı - sıvı		polistiren	33,0
benzen - su	34,4		PVC	40,0
anilin - su	4,8		pleksiglas	38,0
Kloroform - su	33,8		Emaye K-2	31,7

kılcal yükselme yöntemi

Bir sıvının kapilerde yükselmesi (sıvı kılcal kuyunun duvarlarını ıslatırsa) yüzey geriliminden kaynaklanır. Yüzey gerilimi ile kılcal damardaki sıvının yükselme yüksekliği arasında (Şekil 9.4) aşağıdaki ilişki vardır.

, (9.7)

burada s yüzey gerilimidir; h, sıvı sütununun yüksekliğidir; r2 ve r1 sıvı ve doymuş buharın yoğunluklarıdır; g, serbest düşüş ivmesidir; q, ıslanmanın temas açısıdır; r kılcal yarıçaptır.

Deney için şunlara ihtiyacınız var: 0,2-0,3 mm çapında bir kılcal; içine test sıvısının döküldüğü bir kap; sıvı yükselme yüksekliğini (doğruluk ± 1 µm) ölçmek için bir katetometre ve menisküsün işaretlenmesi için bir cihaz.

En büyük zorluklar ıslanma açısı q'nun ölçülmesinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, bu yöntemin q = 0 0 olduğu sıvılara uygulanması en uygunudur.

Pirinç. 9.4. Kılcal damardaki sıvının yükselmesi

Bu durum su ve birçok organik sıvı için gözlenir. cos 0 0 = 1 olduğundan, ifade (9.7) basitleştirilmiştir ve s'yi hesaplamak için kullanılabilir. Kılcal yükselme yöntemi, yüzey gerilimini belirlemede en doğru yöntemlerden biridir.

Sıvı parçacıkların toplam enerjisi, kaotik (termal) hareketlerinin enerjisi ile moleküller arası etkileşim kuvvetlerinden kaynaklanan potansiyel enerjinin toplamıdır. Bir molekülü sıvının derinliğinden yüzey tabakasına taşımak için iş yapılması gerekir. Bu iş, moleküllerin kinetik enerjisi pahasına yapılır ve potansiyel enerjilerini arttırmaya gider. Bu nedenle, sıvının yüzey tabakasındaki moleküller, sıvının içindeki moleküllerden daha büyük bir potansiyel enerjiye sahiptir. Yüzey enerjisi olarak adlandırılan sıvının yüzey tabakasındaki moleküllerin sahip olduğu bu ek enerji, D tabakasının alanı ile orantılıdır. S:

Nerede S- yüzey gerilimi.

Denge durumu minimum potansiyel enerji ile karakterize edildiğinden, sıvı, dış kuvvetlerin yokluğunda, belirli bir hacim için minimum bir yüzeye, yani bir top şekline sahip olacak şekilde bir şekil alacaktır. Havada asılı duran en küçük damlacıkları gözlemleyerek, bunların gerçekten top şekline sahip olduklarını, ancak yerçekimi kuvvetlerinin etkisiyle biraz bozulduğunu görebiliriz.

Bu nedenle, bir sıvının kararlı denge koşulu, minimum yüzey enerjisidir. Bu, belirli bir hacim için bir sıvının en küçük yüzey alanına sahip olması gerektiği anlamına gelir, yani sıvı, serbest yüzey alanını azaltma eğilimindedir. Bu durumda, sıvının yüzey tabakası, gerilme kuvvetlerinin etki ettiği, gerilmiş bir elastik filme benzetilebilir.

Yüzey gerilim kuvvetlerinin etkisi altında (sıvı yüzeyine teğet olarak ve etki ettikleri kontur kesitine dik olarak yönlendirilir), sıvı yüzeyi büzülür ve dikkate alınan kontur açık gri ile işaretlenmiş konuma hareket eder. Seçilen alandan bitişik alanlara etkiyen kuvvetler iş yapar

Nerede F sıvı yüzey konturunun birim uzunluğu başına etki eden yüzey gerilimi kuvvetidir.

Şek. 97, D'yi gösterir lDx=D S, yani

Bu iş, yüzey enerjisinin azaltılmasıyla yapılır, yani.

(66.1) - (66.3) ifadelerinin karşılaştırılması şunu gösterir:

yani yüzey gerilimi S yüzeyi sınırlayan konturun birim uzunluğu başına yüzey gerilimi kuvvetine eşittir. Yüzey gerilimi birimi - newton bölü metre(N/d) veya joule bölü metrekare(J / m 2) (bkz. (66.4) ve (bb.1)). 300 K sıcaklıktaki çoğu sıvının yüzey gerilimi 10-2-10-1 N/m düzeyindedir. Sıvı moleküller arasındaki ortalama mesafeler arttıkça yüzey gerilimi artan sıcaklıkla azalır.

Yüzey gerilimi esas olarak sıvılarda bulunan safsızlıklara bağlıdır. Sıvıların yüzey gerilimini azaltan maddelere denir. yüzey aktif. x su için en iyi bilinen sürfaktan sabundur. Yüzey gerilimini büyük ölçüde azaltır (yaklaşık 7,5 10 -2'den 4,5 10 -2 N/m'ye). Suyun yüzey gerilimini düşüren yüzey aktif maddeler ayrıca alkoller, eterler, yağ vb.

Bir sıvının yüzey gerilimini arttıran maddeler (şeker, tuz) vardır, çünkü molekülleri sıvının molekülleri ile sıvının moleküllerinin birbirleriyle etkileşmesinden daha kuvvetli etkileşir. Örneğin, bir sabun çözeltisini tuzlarsanız, sıvının yüzey katmanına tatlı sudan daha fazla sabun molekülü itilir.

Anlatım 11. Maddenin sıvı halinin özellikleri. Sıvının yüzey tabakası. Yüzey tabakasının enerjisi. Bir katı cisim ile bir sıvının sınırındaki olaylar. kılcal fenomenler.

BİR MADDENİN SIVI HALİNİN ÖZELLİKLERİ

Sıvı, gaz ve katı arasında ara madde olan toplu bir madde halidir.

Sıvı haldeki bir madde hacmini korur, ancak bulunduğu kabın şeklini alır.Sıvıda hacmin korunumu, molekülleri arasında çekici kuvvetlerin hareket ettiğini kanıtlar.

Bir sıvı molekülün etrafında bir moleküler etki küresi tanımlanırsa, o zaman bu kürenin içinde molekülümüzle etkileşime girecek birçok başka molekülün merkezleri olacaktır. Bu etkileşim kuvvetleri, sıvı molekülü yaklaşık 10-12-10-10 s geçici denge konumuna yakın tutar, ardından yaklaşık olarak çapının mesafesi kadar yeni bir geçici denge konumuna atlar. Sıçramalar arasında, sıvı moleküller geçici bir denge pozisyonu etrafında salınır.

Bir molekülün bir konumdan diğerine iki sıçraması arasındaki süreye yerleşik yaşam süresi denir.

Bu süre sıvının cinsine ve sıcaklığa bağlıdır. Bir sıvı ısıtıldığında, moleküllerin yerleşik yaşamlarının ortalama süresi azalır.

Böylece, küçük bir sıvı hacminde, moleküllerinin düzenli bir düzenlemesi gözlenir ve büyük bir hacimde kaotik olduğu ortaya çıkar. Bu anlamda bir sıvıda moleküllerin dizilişinde kısa mesafeli bir düzenin olduğu ve uzun menzilli bir düzenin olmadığı söylenmektedir. Sıvının bu yapısına yarı kristal (kristal benzeri) denir.

SIVI ÖZELLİKLERİ

1. Kuvvetin sıvıya etki süresi kısa ise sıvı elastik özellik gösterir. Örneğin, bir sopa suyun yüzeyine sert bir şekilde vurulduğunda, sopa elden uçabilir veya kırılabilir; Bir taş, suyun yüzeyine çarptığında sekecek ve ancak birkaç sıçrama yaptıktan sonra suya batacak şekilde atılabilir.

2. Sıvıya maruz kalma süresi uzunsa, elastikiyet yerine sıvının akışkanlığı ortaya çıkar. Örneğin, el kolayca suya girer.

3. Bir sıvı jeti üzerindeki kısa süreli bir kuvvet etkisi ile, ikincisi kırılganlık sergiler. Bir sıvının mukavemeti ve kırılma, katılardan daha az olmasına rağmen, büyüklük olarak onlardan çok daha düşük değildir. Su için 2,5-10 7 N/m2'dir.

4. Bir sıvının sıkıştırılabilirliği de aynı maddelerin katı haldekinden daha büyük olmasına rağmen çok küçüktür. Örneğin, basıncın 1 atm artmasıyla suyun hacmi 50 ppm azalır.

İçerisinde hava gibi yabancı maddelerin bulunmadığı bir sıvı içindeki kırılmalar, ancak sıvıya yoğun bir darbe ile örneğin suda dönen pervaneler, ultrasonik dalgaların sıvı içinde yayılması gibi durumlarda elde edilebilir. Sıvının içindeki bu tür boşluklar uzun süre var olamaz ve aniden çöker, yani kaybolur. Bu fenomene kavitasyon denir (Yunanca "cavitas" - bir boşluktan). Pervanelerin hızlı aşınmasına neden olur.

YÜZEY SIVI

Bir sıvının (Şekil 2) içindeki bir moleküle uygulanan moleküler çekim kuvvetlerinin bileşkesinin ortalama değeri sıfıra yakındır. Bu sonucun rastgele dalgalanmaları, molekülü sıvı içinde yalnızca kaotik hareket yapmaya zorlar. Bir sıvının yüzey tabakasında bulunan moleküllerde durum biraz farklıdır.

Yarıçapı R olan (10-8 m mertebesinde) moleküllerin etrafındaki moleküler etki alanlarını tanımlayalım. Daha sonra, üst molekül için, alt yarım kürede çok sayıda ve üst yarım kürede çok daha az molekül olacaktır, çünkü alt kısım sıvı, üst kısım ise buhar ve havadır. Bu nedenle, üst molekül için, alt yarım küredeki moleküler çekim kuvvetlerinin bileşkesi, üst yarım küredeki moleküler kuvvetlerin bileşkesinden çok daha büyüktür.

Böylece, yüzey tabakasında bulunan ve moleküler etki yarıçapına eşit bir kalınlığa sahip olan tüm sıvı moleküller, sıvının içine çekilir. Ancak sıvının içindeki boşluk diğer moleküller tarafından işgal edildiğinden, yüzey tabakası sıvı üzerinde moleküler basınç adı verilen bir basınç oluşturur.

Yatay düzlemde etki eden kuvvetler sıvının yüzeyini birlikte çeker. Onlar aranmaktadır yüzey gerilimi kuvvetleri

Yüzey gerilimi- sıvının yüzey tabakasının sınırına uygulanan ve yüzeye teğet olarak yönlendirilen F yüzey gerilimi kuvvetinin bu sınırın l uzunluğuna oranına eşit fiziksel nicelik:

Yüzey geriliminin birimi metre başına newton'dur (N/m).

Yüzey gerilimi, farklı sıvılar için farklıdır ve sıcaklığa bağlıdır.

Tipik olarak, yüzey gerilimi artan sıcaklıkla azalır ve kritik sıcaklıkta, sıvının ve buharın yoğunluğu aynı olduğunda, sıvının yüzey gerilimi sıfırdır.

Yüzey gerilimini azaltan maddelere yüzey aktif denir (alkol, sabun, çamaşır tozu)

Bir sıvının yüzey alanını artırmak için yüzey gerilimine karşı iş yapılması gerekir.

Yüzey gerilimi katsayısının başka bir tanımı vardır - enerji. Bir sıvının yüzey alanı artarsa, hacminden belirli sayıda molekülün yüzey tabakasına yükselmesi gerçeğinden hareket eder. Bu amaçla dış kuvvetler Moleküllerin moleküler kohezyon kuvvetlerine karşı çalışırlar. Bu işin değeri, sıvının yüzey alanındaki değişiklikle orantılı olacaktır:

Orantılılık katsayısı σ, sıvının yüzey gerilimi olarak adlandırılır.

SI'da a yüzey gerilimi birimini türetelim: o \u003d 1 J / 1 m2 \u003d 1 J / m2.