STUDIU PRIVIND TEMPERATURA Tensiunea superficială
II. Scurtă Teoria operației
Lichide și solide, față de gazele sunt condensate într-o stare în care atomii sau molecule ale substanței interconectate. Energia medie a mișcării termice nu este suficientă pentru ruptura spontană a conexiunii, astfel încât corpul condensat reține volumul său. Cu toate acestea, spre deosebire de solide cristaline, lichid sub acțiunea forțelor externe poate schimba cu ușurință forma, iar volumul acestora rămâne practic neschimbată.
Raportul dintre energia cinetică medie a moleculelor (), care este o măsură a intensității mișcării aleatorii și energia potențială a interacțiunii dintre molecule (), determinând posibil ordinea în dispunerea lor spațială, este esențială pentru formarea statului agregat a substanței.
Formele solide, cu condiția ca (ordin dominant). În stare gazoasă, în cazul în care domnește mizerie. În cazul lichidului, atunci când cele două contribuții sunt comparabile - avem o situație foarte dificilă. Se presupune, de obicei, că lichidul are o anumită regularitate în mediul imediat al moleculelor (așa-numita ordine rază scurtă de acțiune), în lipsa comenzii pe distanțe lungi.
O trăsătură caracteristică a tuturor corpurilor în stare condensată, este faptul că acestea au suprafețe libere care restricționează volumul lor. Astfel, volumul de lichid turnat în vas, iar nava este întotdeauna limitată de pereții gazului (abur, de obicei, la suprafața lichidului este saturată și aer gazos).
La interfețele moleculelor lichide sunt în condiții diferite de condițiile din interiorul volumului de fluid. Această diferență se datorează densități diferite de gaz și lichid (sau solid). De exemplu, la presiunea atmosferică și la o temperatură de 100 ° C este egală cu densitatea apei, și vaporii de apă, adică 1600 de ori mai puțin. Acest lucru înseamnă că, per unitate de volum de apă până la 1600 de ori mai multe molecule decât într-o unitate de volum de vapori de apă (densitatea este molecula de produs masa asupra concentrației moleculelor). În cazul în care se consideră că volumul este proporțională cu cubul dimensiunilor liniare, distanța dintre o pereche de molecule (1600) 1/3 de 12 ori mai mare decât distanța dintre moleculele de apă în aceleași condiții.
Un rezultat similar se obține, de asemenea, pentru alte substanțe. Se pare că distanța dintre moleculele din statele lichide și solide diferă puțin (doar câteva procente), în timp ce în distanța dintre gazul (la presiuni nu este prea mare), un ordin de mărime mai mare.
silyvzaimodeystviya intermoleculare joacă un rol decisiv în formarea și proprietățile materiei condensate. În ceea ce privește fenomenele de suprafață, este important să-i diferența în forțele moleculare în mediile învecinate: gaz / lichid. gaz / solid. lichid / gaz.
Forțele moleculare au o serie de caracteristici interesante. În primul rând, forțele cu rază scurtă se manifestă doar la distanțe de ordinul a dimensiunilor efective ale moleculelor în sine. Pornind de la o anumită distanță (care se numește o rază de acțiune moleculară), prin reacția moleculelor pot fi neglijate. Raza de actiune moleculara este de ordinul a 10 -9 m, care nu depășește de mai multe diametre ale moleculei. In gaze, unde distanțele dintre moleculele de aproximativ zece ori mai mult decât în lichide sau solide, forțele moleculare pot fi neglijate în majoritatea cazurilor.
Forțele de atracție (), care se manifestă în raza de actiune moleculara, cu molecule suplimentare se apropie distanta de ordinul sunt înlocuite cu forțe repulsive ale dimensiunilor liniare ale moleculelor în sine (), care scad cu distanța este mult mai rapid decât forțele de atracție. Se crede în general că forța gravitației - o forță repulsivă - astfel încât forța rezultantă este dată de:
unde constantele care caracterizează molecula de date (Fig. 1).
Fig.1. Dependența forțelor de atracție (), repulsie ()
și forța rezultantă () a distanței dintre moleculele
Forțele moleculare au origine electrică, principala contribuție provine din interacțiunea dintre moleculele de dipol. Multe molecule (inclusiv molecule de apă) prezintă momente dipol electric în absența unui câmp electric. Această așa-numitele molecule polare, cu o structură asimetrică. Pentru molecule simetrice sursă intermoleculară atracție este interacțiune dipol instantanee (natura acestui efect - cuantic mecanic).
Interfața dintre faze (lichid / vapori) este un strat de tranziție în care densitatea variază de densitatea lichidului la densitatea vaporilor. La temperaturi normale acest strat este subțire (grosimea sa este măsurată prin câteva diametre moleculare), deoarece temperatura crește de tranziție strat crește.
Moleculele din stratul de suprafață sunt altele decât condițiile în lichid condiții: lichid în interiorul ei sunt înconjurate pe toate laturile de aceleași molecule, și aproape de suprafață sunt identice cu vecinii lor pe o singură parte (figura 2.).
Fig.2. Molecule aproape de suprafață și în interiorul lichidului
Dată fiind energia potențială negativ al interacțiunii moleculelor este moleculele din stratul de suprafață trebuie să aibă o energie mai mare decât moleculele în lichid.
Astfel, stratul de suprafață are un exces de energie datorită diferenței în interacțiunile intermoleculare în ambele faze. Diferența dintre energia moleculelor (ambele media) in apropiere de interfata si energia pe care aceste molecule ar fi dacă ar fi în interiorul lichidului, numită energie de suprafață.
Evident, energia de suprafață este proporțională cu aria de sub suprafața S:
Coeficientul se numește tensiune superficială (sau tensiune superficială).
Este cunoscut faptul că orice sistem tinde să ajungă la un stat cu potențialul cel mai scăzut de energie. De aceea, picăturile de lichid (sau bule de gaz) tind să ia o formă sferică, în care suprafața este minimă. Într-un sens, un strat subțire de suprafață acționează ca un înveliș din cauciuc care înconjoară volumul de lichid. Sculați în acest strat de suprafață forțe dirijate de-a lungul suprafeței. întotdeauna să depună eforturi pentru a reduce interfața. Cu toate acestea, spre deosebire de film elastic, tensiunea care crește atunci când filmul este întins, cantitatea de tensiune superficială lichid nu se schimbă atunci când aria suprafeței.
Împreună cu definiția „energiei“ poate introduce „forța“ definiția tensiunii superficiale. Sensul fizic al „puterii“ definiție este următoarea: când suprafața lichidului este limitată la o linie sau lungimea buclei l (perimetrul umezit), atunci această buclă, acesta perpendicular, forța de tensiune superficială (F), care se află într-un plan tangent la suprafața lichid. și este îndreptată spre reducerea zonei sale. Koeffitsientompoverhnostnogo rezistența la tracțiune este raportul dintre lungimea circuitului:
Pentru a ilustra cele de mai sus, putem considera următorul exemplu simplu. Imagineaza peliculă lichidă întinsă pe un cadru de sârmă, o parte care (cu lungimea l) se pot mișca liber (Fig. 3).
Fig. 3. Filmul lichid intins peste rama.
Datorită tendinței de a reduce suprafața pe sârmă suferă o forță, care pe partea mobilă a cadrului pot fi măsurate direct. Această forță este determinată de derivata energiei potențiale a coordonatei în direcția forței:
Deoarece suprafața de o parte a filmului este apoi (cf. formula (2)). Aceasta este forța care acționează asupra cadrului segmentului l, care se datorează tensiunii superficiale pe o parte a filmului (ca filmul are două fețe, segmentul numai l dubleze actele de forță). Semnul minus indică faptul că forța este îndreptată spre suprafața filmului.
Tensiunea de suprafață depinde de natura mediilor de contact și starea lor. Pentru comparație, mai jos sunt valorile tensiunii superficiale la lichid / vapori pentru diferite substanțe (la 20 ° C):
Subliniem încă o dată că tensiunea superficială caracterizează diferența în interacțiunile moleculare în cele două faze care formează interfața. Prin urmare, o condiție necesară și suficientă pentru existența interfeței (și, în consecință, tensiunea superficială) este, în primul rând, prezența forțelor moleculare de atracție, ceea ce duce la condensare și, în al doilea rând, diferența de mărime a acestor forțe în fazele învecinate.
Tensiunea superficială poate varia foarte mult atunci când se administrează în impurități lichide. Există o clasă de așa-numiții compuși activi de suprafață (surfactanți). pot fi adsorbite la interfața, cu o scădere corespunzătoare a tensiunii de suprafață. Pentru apa astfel de substanțe sunt, de exemplu, diferite săpunuri.
Tensiunea superficială la interfața ulei / apă, în medie, pentru (N / m). Pentru a crește de recuperare a uleiului este adesea necesară pentru a reduce tensiunea interfacială. O metodă eficientă este o metodă de soluții inundației cu straturi de surfactant sau injectare în formarea de apă alcalină, care contribuie la formarea de săpunuri de sodiu lângă interfața apă / ulei și descrește astfel tensiunea superficială la interfața ulei și apă.
Introducere la formarea de CO2 de dioxid de carbon (dizolvat în apă sau într-o formă lichidă), astfel încât există o dizolvare reciprocă a dioxidului de carbon în ulei de hidrocarburi și CO2 lichid. De asemenea, duce la o scădere a tensiunii interfaciale.
Acum ia în considerare dependența tensiunii superficiale de temperatură. Cu temperatură, o scădere a tensiunii superficiale la lichid / vapori în creștere. Acest lucru se datorează faptului că temperatura crește deasupra lichidului crește densitatea vaporilor (datorită creșterii evaporare), iar densitatea lichidului este redus (deși nu este la fel de semnificativ ca vaporii). Ca rezultat, diferența de densitatea lor este redusă și, prin urmare, reduce diferența în interacțiunile moleculare în fazele adiacente.
Dacă densitatea gazului mică (în comparație cu densitatea lichidului) poate fi neglijat, prin reacția unui strat superficial de molecule de vapori cu molecule (vezi. Figura 2), este acum devine o interacțiune mai notabile. In final, la temperatura critică. în comparație cu densitățile fazelor lichide și gaz, distincția între lichid și vapori dispare. Aceasta elimină faza de separație, iar tensiunea de suprafață devine zero.
În cazul în care suprafața de interfață nu este plat, apoi pe ambele părți ale suprafeței curbe există o diferență de presiune cauzată de tensiunea de suprafață. Această presiune suplimentară se numește suprafață sau presiunea capilară ().
Amploarea presiunii în exces depinde de curbura suprafeței și este definită prin formula Laplace:
aici - razele principale de curbură a suprafeței. Pentru suprafețe diferite, avem:
Pentru o suprafață plană a forțelor de tensiune superficială lichid îndreptate de-a lungul suprafeței nu creează o presiune suplimentară: presiunea din interiorul fluidului este egală cu presiunea externă. Pentru o suprafață convexă (de exemplu, picătura de lichid în aer) dorința de suprafață pentru a reduce duce la contracția picăturii și presiunea lichidului din interior este mai mare decât presiunea mediului ambiant. În cazul suprafeței lichidului concavă (bule de gaz în lichid) este mai mică decât presiunea din interiorul lichidului decât gazul din interiorul bulei (acest caz este ilustrat în Fig. 4). În general, există întotdeauna o suprapresiune într-una dintre cele două medii adiacente, în care suprafața laterală a secțiunii concave.