АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Поверхностное натяжение

Любая гетерогенная система состоит из двух (или более) фаз, разделенных границей (или поверхностью) раздела фаз, которую называют также межфазной поверхностью или, если одна из фаз является газом, поверхностным слоем. Молекулы (атомы, ионы) поверхностного слоя жидких и твердых тел обладают избыточной энергией по сравнению с молекулами (атомами, ионами), раположенными в объеме (внутри) фазы вследствие нескомпенсированности молекулярных сил, действующих на молекулы поверхностного слоя. Поверхностная энергия (GS) является частью общей энергии системы (G) где GV – энергия объема фазы. Если поверхность раздела фаз не является высокоразвитой, величина GS мала по сравнению с GV и ею можно пренебречь: при этом свойства материала, объекта (жидкости или твердого тела) определяются, главным образом, свойствами объема фазы.

В случае высокоразвитой поверхности раздела фаз бóльшая часть молекул (атомов, ионов) объекта находится в поверхностном слое;

при этом величина GV мала по сравнению с GS: и свойства жидкой или твердой фазы будут определяться преимущественно свойствами поверхностного слоя. Рассмотрим межфазную поверхность (поверхностный слой) «жидкость – газ». Состояние молекул вещества в поверхностном слое и внутри (в глубине) фазы различно. Молекула, находящаяся в объеме жидкости, окружена такими же молекулами, поэтому результирующая молекулярных сил, действующих на нее, равна нулю. Для молекул поверхностного слоя равнодействующая молекулярных сил (F) не равна нулю (рис. 2.1) и направлена в сторону жидкости (в общем случае в сторону той фазы, с которой молекулы поверхностного слоя взаимодействуют сильнее). Поверхностный слой вследствие нескомпенсированности молекулярных сил обладает избыточной, поверхностной энергией, мерой которой является поверхностное натяжение. Для индивидуальных жидко-стей поверхностное натяжение (σ) представляет собой удельную поверхностную энергию Гиббса, т. е. энергию Гиббса, приходящуюся на единицу площади по-верхности при p, Т = const: (2.1) где σ – поверхностное натяжение, Дж ⋅ м-2; GS – поверхностная энергия Гиббса, Дж; S – площадь поверхности раздела фаз, м2.

Поверхностная энергия Гиббса чистой жидкости при p, Т =const равна: Рассматривая GS как функцию поверхного натяжения (σ) и площади поверхностного слоя (S): ее полный дифференциал можно записать в виде Если σ = const, то последнее уравнение имеет вид:

(2.2) Из формулы (2.2) вытекает еще одно определение σ: или в общем виде: (2.4) Как видно из (2.4), σ представляет собой бесконечно малое изменение поверхностной энергии Гиббса системы (dGS) в результате изменения площади поверхности раздела фаз на

бесконечно малую величину (dS) при постоянных давлении, температуре и кол-ве молей всех составляющих систему веществ (ni). Поскольку в обратимых изобарно-изотермических процессах убыль энергии Гиббса равна макс. полезной работе, т. е.

то элементарная работа по созданию новой поверхности dS равна: где знак «–» указывает на то, что работа совершается над системой. Тогда: (2.5) Из (2.5) следует, что поверхностное натяжение можно представить как работу, которая затрачивается на образование единицы площади поверхности раздела фаз при p, Т =const. Поверхностное натяжение можно определить также как силу, стягивающую гипотетическую пленку на поверхности жидкости и препятствующую ее растеканию (рис. 2.2). Таким образом, σ – это сила (F), направленная тангенциально (по касательной) поверхности раздела фаз и приходящаяся на единицу длины периметра (L), ограничи-вающего эту поверхность: (2.6) L

При таком способе определения размерность поверхностного натяжения [σ] = Н ⋅ м-1 = Дж ⋅ м–2 (Н = Дж ⋅ м–1). Величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз «жидкость - газ» зависит от многих факторов.

Метод Ребиндера

Представим себе пузырек воздуха, находящийся на кончике капилляра, касающегося поверхности жидкости (рис. 1.17). Как видно из рис. 1.17, поверхность жидкости, граничащей с пузырьком воздуха, искривлена (отрицательная кривизна). По мере роста внешнего давления радиус пузырька воздуха R (т.е., радиус кри-

визны поверхности жидкости) вначале уменьшается (см. рис. 17а, 17б), а затем увеличивается (рис. 17в). В результате искривления поверхности раздела фаз возникает капиллярное давление ∆P, величина которого в соответствии с фор-

мулой (1.43) вначале увеличивается, а затем уменьшается:

Это давление достигает максимального значения ∆Pmax в тот момент, когда пузырек имеет форму полусферы, то есть, когда радиус кривизны поверхности жидкости R равен радиусу капилляра r (R = r) (рис. 17б).

Чтобы пузырек воздуха удерживался на кончике капилляра, давление на него со стороны жидкости должно быть уравновешено внешним давлением Pвнеш, то есть, должно соблюдаться условие: Pвнеш = ∆Pmax. Увеличение Pвнеш на бесконечно малую величину по сравнению с ∆Pmax вызывает дальнейший рост пузырька воздуха. Но радиус кривизны поверхности жидкости при этом уже не уменьшается, а растет (R > r). Следовательно, давление со стороны жидкости на пузырек воздуха уменьшается (∆P < ∆Pmax) и не сможет уравновесить Р^ВНЕШ. В результате пузырек воздуха отрывается от капилляра. Между радиусом капилляра r и величиной ∆Pmax существует прямая связь:

Таким образом, измерив Р^ВНЕШ в момент проскока пузырька воздуха с кончика капилляра и приняв, что Р^ВНЕШ = ∆Pmax, можно рассчитать σЖ-Г: Внешнее давление, под действием которого формируется пузырек воздуха на кончике капилляра, опущенного в жидкость, можно создать создавая разрежение над жидкостью и тем самым уменьшая дав-ление над ней по сравнению с атмосферным давлением, которое имеет место в капилляре.Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра r используют относительный метод. Для этого находят константу К = r/2 сосуда 3, используя стандартную жидкость с из-вестным значением σст. Константа сосуда 3 (К) находится из соотношения (1.46): Затем определяют первоначальный уровень в манометре h0, сообщая последний с атмосферой.Так как давление фиксируем по манометру, то:

Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 631 | Нарушение авторских прав