Тенси; n повърхностен в l; течности
На тази страница е обяснена концепцията за повърхностното напрежение на течността и са описани два израза за измерване на споменатата физическа величина.
Методът на Дю Нуи е един от най-известните. Допълнителната сила, която трябва да се упражнява върху алуминиев пръстен, се измерва точно в момента, когато течният лист ще се счупи.
Вторият е прост метод за извършване на относителни измервания на повърхностното напрежение, базиран на образуването на капки.
В течност всяка молекула взаимодейства с околните. Радиусът на действие на молекулните сили е сравнително малък и обхваща най-близките съседни молекули. Ще определим качествено резултанта от силите на взаимодействие върху молекула, която е вътре
- А, вътрешността на течността
- B, в близост до повърхността
- C, на повърхността
Нека разгледаме молекула (в червен цвят) в течност в равновесие, далеч от свободната повърхност като А. По симетрия резултатът от всички сили на привличане, идващи от околните молекули (в син цвят), ще бъде нулев.
От друга страна, ако молекулата е в В, тъй като има по-малко молекули отгоре, отколкото отдолу, въпросната молекула ще бъде подложена на резултатна сила, насочена към вътрешността на течността.
Ако молекулата е в C, резултатът от силите на взаимодействие е по-голям, отколкото в случая B.
Силите на взаимодействие карат молекулите, разположени в близост до свободната повърхност на течността, да изпитват сила, насочена към вътрешността на течността.
Тъй като всяка механична система има тенденция спонтанно да приема състоянието на най-ниската потенциална енергия, разбира се, че течностите са склонни да представят възможно най-малката повърхност навън.
Коефициент на повърхностно напрежение
Повърхностната енергия, дължаща се на кохезията, може да бъде определена с помощта на устройството на фигурата.
Лист сапун е залепен към двойно правоъгълно огъната тел и плъзгаща се тел AB. За да се предотврати свиването на листа поради силите на сцепление, е необходимо да се приложи сила F към плъзгащия проводник.
Силата F е независима от дължината x на листа. Ако изместим плъзгащия проводник с дължина Δx, външните сили са свършили работа FΔx, която ще бъде инвестирана в увеличаване на вътрешната енергия на системата. Тъй като повърхността на листа се променя с ΔS = 2dΔx (коефициентът 2 се дължи на факта, че листът има две повърхности), което означава, че част от молекулите, които са били вътре в течността, са се преместили към новосъздадената повърхност, като последващо увеличаване на енергията.
Ако наречем γ енергията на единица площ, ще се провери, че
F Δ x = γ Δ S γ = F 2 d
повърхностната енергия на единица площ или повърхностното напрежение се измерва в J/m 2 или N/m.
Повърхностното напрежение зависи от естеството на течността, околната среда, която я заобикаля, и температурата. По принцип повърхностното напрежение намалява с температурата, тъй като силите на сцепление намаляват с увеличаване на термичното разклащане. Влиянието на външната среда се разбира, тъй като молекулите на околната среда упражняват привлекателни действия върху молекулите, разположени на повърхността на течността, противодействайки на действията на молекулите на течността.
Повърхностно напрежение на течностите при 20 ° C
| Зехтин | 33.06 |
| Вода | 72.8 |
| Етилов алкохол | 22.8 |
| Бензен | 29,0 |
| Глицерин | 59.4 |
| Нефт | 26,0 |
Източник: Manual de Física, Koshkin N. I., Shirkevich M. G . Редакционен мир (1975)
Демонстрация на ефектите от повърхностното напрежение
Нека разгледаме жична фигура, изградена от два пръстена с различен радиус, заварени от точки A и B, елиминирайки вътрешния проводник. Акорд с дължина s, по-голяма от разстоянието d между A и B, свързва двете точки. Фигурата от тел с въжето се потапя в сапунен разтвор (в светло син цвят) и се подрежда вертикално, като се държи за дръжката. Появата му е на фигурата вляво.
Той се пробива в долната част, струната веднага се опъва, приемайки формата на дъга с обиколка с дължина s и радиус r. Вижте фигурата вдясно
Ние изучаваме геометрията на дъгата на обиколката, на третата фигура
s = r θ d = 2 r sin (θ 2)
Знаейки дължината s на хордата и разстоянието d между A и B, решаваме за радиуса r.
d = 2 r грях (s 2 r)
Например, ако s = rπ/2 (четвърт дъга с обиколка на радиус r), d = 2 r sin (π 4) = 2 r
Като цяло ще трябва да решим трансцендентно уравнение в r, като прилагаме числови процедури.
Напрежението на въжето
За да изчислим напрежението T на струната, ние разглеждаме безкрайно малка част ds от дъгата на струната, която заменя ъгъл dθ, така че ds = r · d.
Лявата и дясната част на въжето упражняват сили върху споменатия елемент, равни на неговото напрежение Т, в допирателна посока, както е показано на фигурата. Резултантната от тези две сили е dT = T dθ.