Millised jõud põhjustavad pindpinevusi? Pindpinevus

Definitsioon 1

Pindpinevus on vedeliku impulss oma vaba pinna vähendamiseks, see tähendab liigse potentsiaalse energia vähendamiseks gaasifaasist eraldumise piiril.

Mitte ainult tahked füüsilised kehad, vaid ka vedeliku enda pind on varustatud elastsete omadustega. Igaüks on oma elus näinud, kuidas seebikile venib, kui mullid veidi puhuda. Seebikiles esinevad pindpinevusjõud püüavad teatud aja jooksul õhku kinni, sarnaselt sellele, kuidas kummipõis hoiab õhku jalgpallipallis.

Pindpinevus ilmneb põhifaaside, näiteks gaasilise ja vedela või vedela ja tahke faasi liideses. See on otseselt tingitud asjaolust, et vedeliku pinnakihi elementaarosakesed kogevad alati erinevaid tõmbejõude nii seest kui väljast.

Seda füüsikalist protsessi võib vaadelda veetilga näitel, kus vedelik liigub justkui elastses kestas. Siin tõmbavad vedela aine pinnakihi aatomid oma sisemiste naabrite poole tugevamini kui välisõhuosakesed.

Üldiselt võib pindpinevust seletada lõpmata väikese või elementaarse tööna $\sigma A$, mis tuleb teha vedeliku kogupinna suurendamiseks lõpmata väikese summa $dS$ võrra konstantsel temperatuuril $dt$.

Vedelike pindpinevuste mehhanism

Joonis 2. Skalaarne positiivne suurus. Autor24 - õpilastööde veebivahetus

Erinevalt tahketest ainetest ja gaasidest ei suuda vedelik täita kogu anuma mahtu, kuhu see asetati. Auru ja vedela aine vahele moodustub teatud liides, mis toimib eritingimustes võrreldes teiste vedelate massidega. Selgema näite jaoks kaaluge kahte molekuli $A$ ja $B$. Osake $A$ asub vedeliku enda sees, molekul $B$ asub otse selle pinnal. Esimest elementi ümbritsevad ühtlaselt teised vedeliku aatomid, mistõttu molekulile mõjuvad jõud molekulidevahelise interaktsiooni sfääri langevatest osakestest on alati kompenseeritud ehk teisisõnu nende resultantvõimsus on null.

$B$ molekuli raamivad ühelt poolt vedelikumolekulid, teiselt poolt gaasiaatomid, mille lõppkontsentratsioon on oluliselt madalam kui vedeliku elementaarosakeste kombinatsioonil. Kuna vedeliku poolelt mõjutab $B$ molekuli palju rohkem molekule kui ideaalse gaasi poolelt, siis ei saa kõigi molekulidevaheliste jõudude resultant enam võrdsustada nulliga, kuna see parameeter on suunatud gaasi ruumala sisse. ainet. Seega selleks, et vedeliku sügavusest pärit molekul jõuaks pinnakihti, tuleb teha tööd kompenseerimata jõudude vastu. See tähendab, et pinnatasandil olevad aatomid on võrreldes vedeliku sees olevate osakestega varustatud liigse potentsiaalse energiaga, mida nimetatakse pinnaenergiaks.

Pindpinevuste koefitsient

Joonis 3. Pindpinevus. Autor24 - õpilastööde veebivahetus

2. definitsioon

Pindpinevustegur on füüsikaline näitaja, mis iseloomustab konkreetset vedelikku ja on arvuliselt võrdne pinnaenergia suhtega vedeliku vaba keskkonna kogupindalaga.

Füüsikas on pindpinevusteguri SI põhimõõtühik (N)/(m).

See väärtus sõltub otseselt:

• vedeliku iseloom (lenduvate elementide, nagu alkohol, eeter, bensiin, pindpinevustegur on oluliselt väiksem kui mittelenduvate elementide – elavhõbe, vesi) puhul;
• vedela aine temperatuur (mida kõrgem temperatuur, seda väiksem on lõplik pindpinevus);
• antud vedelikuga piirneva ideaalse gaasi omadused;
• stabiilsete pindaktiivsete ainete, nagu pesupulber või seep, olemasolu, mis võivad vähendada pindpinevust.

Märkus 1

Samuti tuleb märkida, et pindpinevusparameeter ei sõltu vaba vedela keskkonna algsest pindalast.

Samuti on mehaanikast teada, et süsteemi muutumatud olekud vastavad alati tema siseenergia minimaalsele väärtusele. Selle füüsikalise protsessi tulemusena omandab vedel keha sageli minimaalse pindalaga vormi. Kui vedelikku ei mõjuta kõrvalised jõud või nende mõju on äärmiselt väike, on selle elemendid veetilga või seebimulli kujul kera kujul. Vesi hakkab sarnaselt käituma, kui see on nullgravitatsioonis. Vedelik liigub nii, nagu mõjuksid antud keskkonda kokkutõmbuvad tegurid selle põhipinna suhtes tangentsiaalselt. Neid jõude nimetatakse pindpinevusjõududeks.

Järelikult võib pindpinevuskoefitsienti defineerida ka kui pindpinevusjõu põhimoodulit, mis üldiselt mõjub vaba vedelat keskkonda piirava algkontuuri pikkuse ühiku kohta. Nende parameetrite olemasolu muudab vedela aine pinna välja nagu venitatud elastne kile, ainsaks erinevuseks on see, et kile püsivad jõud sõltuvad otseselt selle süsteemi pindalast ja pindpinevusjõud ise on võimelised. iseseisvalt töötada. Kui asetate veepinnale väikese õmblusnõela, siis piste paindub ja takistab selle vajumist.

Välise teguri toime võib kirjeldada kergete putukate, näiteks vesilindude libisemist kogu reservuaaride pinnal. Nende lülijalgsete jalg deformeerib veepinda, suurendades seeläbi selle pindala. Selle tulemusena tekib pindpinevusjõud, mis kipub sellist pindalamuutust vähendama. Tulemusjõud on alati suunatud ainult ülespoole, kompenseerides samal ajal gravitatsiooni mõju.

Pindpinevuse tulemus

Pindpinevuste mõjul kipuvad väikesed vedelikukogused võtma sfäärilise kuju, mis sobib ideaalselt väikseima keskkonnaga. Sfäärilise konfiguratsiooni lähenemine saavutatakse, mida rohkem, seda nõrgemad on algsed gravitatsioonijõud, kuna väikeste tilkade korral on pindpinevusjõud palju suurem kui gravitatsiooni mõju.

Pindpinevust peetakse faasiliideste üheks olulisemaks omaduseks. See mõjutab otseselt füüsiliste kehade ja vedelike peenosakeste moodustumist nende eraldamisel, samuti elementide või mullide sulandumist udus, emulsioonides, vahtudes ja adhesiooniprotsessides.

Märkus 2

Pindpinevus määrab tulevaste bioloogiliste rakkude ja nende põhiosade kuju.

Selle füüsilise protsessi jõudude muutmine mõjutab fagotsütoosi ja alveolaarse hingamise protsesse. Tänu sellele nähtusele suudavad poorsed ained pikka aega kinni hoida tohutul hulgal vedelikku isegi õhuaurudest, millega kaasneb kapillaaride vedeliku taseme muutus võrreldes vedeliku tasemega laiemas anumas. . Need protsessid põhjustavad vee tõusu pinnases, piki taimede juurestikku ja bioloogiliste vedelike liikumist läbi väikeste torukeste ja anumate süsteemi.

Pindpinevus

Vedelikud, nagu ka tahked ained, on suure mahuelastsusega, s.t. peavad vastu nende mahu muutustele, kuid nagu gaasid, ei oma kuju elastsust. Vedeliku pind, mis puutub kokku mõne muu keskkonnaga, näiteks oma auruga, mõne muu vedeliku või tahke ainega (eelkõige anuma seintega, milles see on), on võrreldes vedelikuga eritingimustes. ülejäänud vedel mass.

Need eritingimused tekivad seetõttu, et vedeliku piirkihi molekulid ei ole erinevalt selle sügavuses olevatest molekulidest ümbritsetud igast küljest sama vedeliku molekulidega. Mõned pinnamolekulide "naabrid" on teise keskkonna osakesed, millega vedelik piirneb. See, see keskkond, võib vedelikust erineda nii olemuselt kui ka osakeste tiheduse poolest. Omades erinevaid naabreid, suhtlevad pinnakihi molekulid nendega erineval viisil. Seetõttu osutuvad selles kihis igale molekulile mõjuvad jõud tasakaalustamata: tekib teatud resultantjõud, mis on suunatud kas vedeliku mahu või sellega külgneva keskkonna ruumala suunas. Selle tulemusena kaasneb molekuli liikumisega pinnakihist vedeliku sügavustesse või selle piirneva keskkonna sügavustesse töö (vedeliku sees molekulid, mida ümbritsevad igast küljest täpselt samad osakesed, on tasakaalus ja nende liikumine nõuab töökulu Kogus ja märk See töö sõltub pinnakihi molekulide vastastikuse mõju jõudude vahekorrast nende molekulide ja "nende" molekulide ning teise keskkonna molekulide vahel. .

Juhul, kui vedelik piirneb oma auruga (küllastunud), st kui tegemist on ühe ainega, suunatakse pinnakihi molekulide poolt kogetav jõud vedelikku. Seda seletatakse asjaoluga, et vedeliku molekulide tihedus on palju suurem kui vedeliku kohal olevas küllastunud aurus (kaugel kriitilisest temperatuurist) ja seetõttu on pinnakihi molekuli vedelikumolekulide poolt kogetav külgetõmbejõud suurem. kui auru molekulidest.

Sellest järeldub, et pinnakihist vedelikku liikudes teeb molekul positiivset tööd. Vastupidi, molekulide üleminekuga vedeliku põhiosast pinnale kaasneb negatiivne töö, st see nõuab välise töö kulutusi.

Kujutagem ette, et ühel või teisel põhjusel vedeliku pind suureneb (venib). See tähendab, et teatud arv molekule liigub vedeliku põhimassist pinnakihti. Selleks, nagu äsja nägime, tuleb kulutada välistööd. Teisisõnu kaasneb vedeliku pinna suurenemisega negatiivne tööd. Vastupidi, kui pind tõmbub kokku, positiivne Töö.

Kui konstantsel temperatuuril muutub vedeliku pind pöörduvalt lõpmata vähesel määral d S , siis selleks vajalik töö

Miinusmärk näitab, et pinna suurenemine (d S > 0) kaasas negatiivne töö.

Koefitsient on peamine vedeliku pinna omadusi iseloomustav suurus ja seda nimetatakse pindpinevuste koefitsient(>0). Seetõttu mõõdetakse pindpinevuste koefitsienti tööga, mis on vajalik vedeliku pindala suurendamiseks konstantsel temperatuuril ühe ühiku võrra.

Ilmselgelt on SI-süsteemis sellel mõõde .

Eelnevast on selge, et vedeliku pinnakihi molekulidel on üleliigne potentsiaalne energia võrreldes vedeliku põhimassis paiknevate molekulidega. Tähistame seda. Seda energiat, nagu alati, mõõdetakse tööga, mida pinnamolekulid saavad teha, kui nad liiguvad vedelikku vedeliku mahus olevate molekulide külgetõmbejõudude mõjul.

Kuna energia tekke põhjuseks on vedeliku pinna olemasolu, peab see olema võrdeline vedeliku pinna pindalaga S:

Siis pindala muutus d S toob kaasa. on potentsiaalse energia muutus

,

millega kaasneb töö

täielikult kooskõlas punktiga 1.

Kui, nagu märgitud, toimub pinna S muutus konstantsel temperatuuril, st isotermiliselt (ja pöörduvalt), siis teadupärast on selleks vajalik töö võrdne vaba energia muutusega. F pinnad:

(Kui vedeliku pinna muutus tehakse adiabaatiliselt, siis selle temperatuur muutub. Näiteks pinna suurenemine toob kaasa selle jahtumise.) See tähendab, et vedeliku pinna liigne potentsiaalne energia, mis eespool mainitud, on pinna vaba energia ja seetõttu

see tähendab, et vedeliku pindpinevuste koefitsienti saab määratleda kui vaba energiat selle pinna pindalaühiku kohta.

Nüüd on selge, millised on ülaltoodud eritingimused, milles vedeliku pind asub. Need seisnevad selles, et vedeliku pinnal on üleliigne potentsiaalne (vaba) energia võrreldes ülejäänud vedeliku massiga. Vaatame, kuhu see välja viib.

On teada, et iga tasakaalus olev süsteem on tema jaoks võimalik selles olekus, kus selle energial on minimaalne väärtus. Vaadeldava juhtumi puhul tähendab see, et tasakaalus oleval vedelikul peaks olema minimaalne võimalik pind . See omakorda tähendab, et peavad olema jõud, mis takistavad vedeliku pinna suurenemist, st kipuvad seda pinda vähendama.

Ilmselgelt peavad need jõud olema suunatud piki pinda ennast, seda puutuvalt. Vedelik käitub nii, nagu tõmbaksid (tõmbaksid) selle pinda kokku (tõmbaksid) selle pinnale puutuvad jõud. Neid jõude nimetatakse pindpinevusjõududeks.

Siiski tuleb meeles pidada, et pindpinevusjõudude tekkimise algpõhjus on jõud, mida kogevad pinnakihi molekulid, mis on suunatud vedeliku sisse ja mõnel juhul ka keskkonna sisse, millega see piirneb, st sellega risti. pind.

Pinna purunemiseks või, nagu öeldakse, eraldamiseks on vaja rakendada välisjõude, mis on pinnaga paralleelsed ja risti joonega, mida mööda rebend (jaotus) eeldatakse.

Pindpinevusteguri määramine

See on eriti selge õhukeste vedelikukiledega tehtud katsetest. Mõnedel vedelikel, nagu seebivesi, saponiin jne, on omadus moodustada õhukesi kilesid. Kui näiteks langetada traatraami, mille üks külg on liigutatav (joonis 1), seebilahusesse, kaetakse see kõik vedelikukilega. Pindpinevusjõud sunnivad kilet kokku tõmbuma ja liigutatavat risttala AB järgib filmi ja liigub ülespoole. Selle tasakaalu hoidmiseks peate risttalale jõudu rakendama R koormuse kujul (see hõlmab risttala enda raskust).

Seega on kilesse mõjuv pindpinevusjõud joonega risti AB , mis antud juhul on eraldusjoon. Samad jõud mõjuvad loomulikult ka raami teistele külgedele. Kuid siin tasakaalustavad neid vedeliku tõmbejõud jäiga raami aine külge.

Kirjeldatud katse abil saab määrata kilet moodustava vedeliku pindpinevuste koefitsiendi arvväärtust. Tõepoolest, pinnajõud f , võttes arvesse asjaolu, et kilel on kaks pinda (lõppude lõpuks on kile õhuke vedelikukiht), on võrdne koormuse kaaluga tasakaalus:

.

Kui selle jõu mõjul liigub kilega kantud risttala kaugusesse dh positsioonilt AB , jõu tehtud töö on võrdne:

See töö on võrdne filmi vaba energia vähenemisega, mis, nagu me teame, on võrdne: . Sel juhul , Kus l - raami pikkus. Siit:

(4) järeldub, et pindpinevuste koefitsienti saab defineerida kui väärtust, mis on võrdne vedeliku pinnaga puutujalt mõjuva jõuga eraldusjoone pikkuse ühiku kohta.

Sel viisil määratud pindpinevustegur mõõdetakse SI süsteemis N/m ühikutes ja CGS süsteemis dynes/cm.

Eksperimendid

Järgmised lihtsad katsed selgitavad veelgi pindpinevusjõudude olemust.

Traadist rõngas, mille külge on kahes punktis kinnitatud vabalt rippuv (mitte pingutatud) niit (joonis 2), kastetakse seebilahusesse. Sel juhul on rõngas kaetud õhukese vedelikukilega ja niit on tasakaalus, võttes juhusliku kuju. Kui nüüd hävitada kile niidi ühel küljel, puudutades kilet kuumutatud nõelaga, siis niit venib, võttes ringkaare kuju. Keerme pinge tekkis kokkutõmbumiskilest lähtuva pindpinevusjõu mõjul, mis mõjub niidile, mis antud juhul on eraldusjoon. See jõud on loomulikult kõigis punktides keermega risti. See jõud mõjus niidile ja. kuni kile hävimiseni, kuid samal ajal mõjusid sellele mõlemalt poolt samad jõud. Pärast ühe kileosa läbimurret suutis teine ​​oma pindala vähendada ja nagu väljaveninud niidi kuju näitab, muutus see ala minimaalseks.

Seda katset saab läbi viia järgmisel, veidi muudetud kujul (joonis 3). Seebikilele asetatakse samas rõngas kinnine painduva niidi aas, mis võtab juhusliku kuju. Hävitagem nüüd ahela sees olev kile. Seejärel venitab kile ülejäänud osa kokkutõmbudes niidi ringiks, mis jällegi näitab selgelt, et pindpinevusjõud on eraldusjoonega risti. Kirjeldatud katsed näitavad, et pindpinevusjõud tekivad vedeliku soovist vähendada oma pinda ja seega ka pinnaenergiat.

Sedalaadi katseid tehakse vedelikega, mis oma molekulide spetsiifilise struktuuri tõttu moodustavad kergesti õhukesi kilesid. Tuleb märkida, et selliste kilede moodustamise võime ei ole seotud pindpinevusteguri väärtusega, vaid molekulide kujuga. Näiteks seebilahuse pindpinevustegur on ligikaudu kolm korda väiksem kui puhtal veel, mis aga ei moodusta stabiilseid kilesid.

Platoo kogemus. Pindala vähendamise soov on loomulikult iseloomulik mitte ainult õhukestele kiledele, vaid ka igasugusele vedelikumahule. Ja kui pinnaenergia oleks ainus energialiik, mis määrab vedeliku käitumise, siis peaks iga vedeliku mass alati võtma sellise kuju, milles selle pindala on väikseim. See vorm on ilmselgelt sfäär, kuna see on sfäär, millel on antud ruumala jaoks minimaalne pindala.

Kuid lisaks osakeste omavahelise vastasmõju sisejõududele, mille tõttu tekivad pindpinevusjõud, mõjuvad vedelikule enamasti ka välised jõud. See on esiteks gravitatsioonijõud ja teiseks vedelate osakeste ja anuma tahkete seinte osakeste vastasmõju jõud, milles see sisaldub. Seetõttu määrab vedeliku tegelik kuju nende kolme jõu suhe.

Mõelgem esmalt gravitatsiooni rollile. See on kogu vedeliku mahule mõjuv mahujõud. Kuna vedeliku massi muutumisel muutub selle maht kiiremini kui selle pind, siis piisavalt suure massi korral on pinnajõudude roll mahujõududega võrreldes väga väike; pinnaenergia ei mängi sel juhul peaaegu mingit rolli ja vedeliku kuju määrab peamiselt gravitatsioonist tulenev potentsiaalne energia. Gravitatsiooni mõjul kipub vedelik levima ja võtma õhukese kihina – see vastab minimaalsele potentsiaalsele energiale gravitatsiooniväljas.

Aga kui me ühel või teisel viisil välistame või vähendame oluliselt gravitatsiooni mõju, siis saavad määravaks pindpinevusjõud, isegi kui need on väikesed. Platoni tuntud katses välistab gravitatsiooni mõju asjaolu, et vedelik asetatakse samaga teise, mittesegunevasse vedelikku.

tihedus. Seejärel tasakaalustab vedeliku kaal Archimedese tõstejõu ja pindjõud on ainsad, mis määravad vedeliku geomeetrilise kuju. Sellistel juhtudel võtab vedelik palli kuju.

Platoni katse viiakse läbi järgmiselt: teatud kogus aniliini, mis ei lahustu NaCl lahuses, valatakse nõusse, mis sisaldab lauasoola vees lahust (joonis 4). Lahuse kontsentratsioon valitakse nii, et selle tihedus oleks võrdne aniliini tihedusega. Seejärel koguneb aniliin lahuses hõljuvaks palliks.

Pindmisi vaadeldakse kosmoses väga tõhusalt, kui kaaluta olek tagab vedeliku sfäärilise kuju väljaspool anumat.

Vedelik võtab sfäärilise kuju mitte ainult gravitatsiooni kunstliku kompenseerimisega (nagu seda tehakse Platoni katses). Väike kogus vedelikku ise võtab keralähedase kuju, kuna vedeliku väikese massi tõttu on ka sellele mõjuv gravitatsioonijõud väike. Pinnaenergia ületab sel juhul ka potentsiaalse gravitatsioonienergia ja vedeliku kuju määrab see.

See seletab väikeste vedelikutilkade sfäärilist kuju. Hästi tuntud on näiteks elavhõbedapiiskade sfääriline kuju, mille pindpinevustegur, nagu paljudel teistelgi sulametallidel, on üsna kõrge – umbes 500 dynes/cm. See seletab ka kitsast torust voolavate vedelikupiiskade peaaegu rangelt sfäärilist kuju.

Mõnede vedelike pindpinevuste koefitsiendid:

Kapillaarnähtused

Vedeliku vaba pinna kuju sõltub pindpinevusjõududest, vastastikmõjust pinda piiravate tahkete seintega, aga ka vedelikule mõjuvast gravitatsioonijõust. Tasakaalutingimused vedeliku-gaasi-tahke seina liidesel õhukestes kiledes ja kitsastes anumates – kapillaarides – on erilised. Nendel juhtudel vaadeldud nähtused said üldnimetuse kapillaar. Üksikasjalik kapillaarnähtuste teooria töötati välja 19. sajandil peamiselt inglise füüsiku T. Youngi, prantsuse füüsiku P. Laplace'i, saksa matemaatiku K. Gaussi ja. vene teadlased A. Yu ja mina S. Gromeki.

Tehnikas ja igapäevaelus laialdaselt tuntud kapillaarefektid tulenevad peamiselt sellest, et pindpinevusjõudude toimel võib rõhk vedelikus teatud määral Δp erineda gaasi või auru välisrõhust p kõrgemal. vedeliku pind.

Olgu vedeliku vabaks pinnaks kera raadiusega R (tilk) või sellise sfäärilise pinna piiratud osa (vedeliku tase õhukeses silindrilises kapillaaris). Lõikame sellest sfäärist mõtteliselt ära sfäärilise segmendi suvalise tasapinnaga, nagu on näidatud joonisel fig. 3.31. Selle segmendi välispind on ülejäänud vedeliku pinnast piiratud raadiusega ringiga r= R sinβ. Selle kontuuri pikkuse iga lõpmatu väikese elemendi kohta Δ l pindpinevusjõud

ΔF = αΔl (44.1)

kera pinda puutuvas suunas, s.o. lõiketasandiga sama nurga β all. Jagame selle jõu kaheks komponendiks

Δ F 1 = ΔF pattβ ja Δ F 2 = ΔF cos β, (44.2)

paiknevad vastavalt risti ja lõiketasandil. Jõudude geomeetriline summa ΔF 2 on võrdne nulliga, kuna need kontuuri vastaskülgedel olevad jõud on suunatud vastassuunas ja on omavahel tasakaalustatud. Seetõttu suunatakse kõigi lõigatud segmendile F mõjuvate pindpinevusjõudude resultant vedelikku risti lõiketasandiga ja võrdub komponentide ΔF 1 algebralise summaga:

, (44.3)

kuna kontuuri kogupikkus on võrdne.

See jõud F surub segmenti ülejäänud vedeliku vastu kogu neid eraldava pinna ulatuses. Vedeliku sees pindpinevusjõudude poolt tekitatud lisarõhk on siis võrdne

(44.4)

Nagu arvata võib, ei sõltu see lisarõhk r-st, st. kust me mõttelise lõigu tegime.

Vedeliku tasast pinda võib pidada lõpmatult suure raadiusega R = ∞ sfääri piirjuhtumiks. Sel juhul vastavalt (44.4) Δp = 2α/∞ = 0. tasane pind pindpinevusjõud on suunatud piki pinda ega tekita lisarõhku: rõhk vedeliku sees on võrdne välisrõhuga.

Nõgusa vedelikupinna puhul, kui vedeliku sees on näiteks raadiusega R gaasimull (joonis 3.32), siis kogu eelnevat järeldust korrates veendume, et tekkiv jõud F on suunatud vedelikust. gaasi juurde. Sel juhul

see tähendab, et rõhk nõgusa pinna all olevas vedelikus on väiksem kui gaasis (mulli sees) koguse Δp võrra.

Et kumerate ja nõgusate pindade jaoks mitte välja kirjutada kahte erinevat valemit (44.4) ja (44.5), on tavaks määrata pinna R kõverusraadiusele märk sõltuvalt selle suunast.

Kui kõverusraadius R on suunatud vedelikku (kumer pind), siis eeldame, et R > 0; kui kõverusraadius on suunatud väljapoole (pind on nõgus), siis oletame R< 0. Тогда с учетом знака можно написать единую фор-мулу для дополнительного давления под сферической поверхностью жид-кости (44.6)

Võrrandit (44.6) nimetatakse Laplace'i valemiks.

Suvalise topeltkõverusega pinna üldjuhul, mille näide on näidatud joonisel fig. 3.33, võib kõverus kahes üksteisega risti asetsevas pinnalõikes olla erinev ning nende lõikude R 1 ja R 2 kõverusraadiused antud punktis M võivad üksteisest erineda suuruse ja märgi poolest. Sellise pinna jaoks saab Laplace'i valemit üldistada:

(44.7)

Sõltuvalt R 1 ja R 2 väärtustest ja märkidest võib väärtus Δp olla positiivne või negatiivne.

Sfääri konkreetsel juhul R 1 = R 2 = R ja valem (44.7) läheb (44.6).

Kui kahe lähedase paralleelse plaadi vahele asetatakse vedelikukiht, võtab vedeliku pind mingi raadiusega R ringikujulise silindri kuju. Antud juhul on R 1 = R ja R 2 = ∞, kuna ristilõike kõverus on null. Üldistatud Laplace'i valemist järeldub siis, et silindrilise pinna all oleva vedeliku lisarõhk on võrdne

(44.8)

st poole vähem kui sama raadiusega sfäärilise pinna all.

Kitsates torudes (kapillaarides) muutub vedeliku pinna (menisk) kõverus oluliseks kapillaaride seinte niisutamise või mittemärgumise tõttu vedeliku poolt. Tekkiv lisarõhk Δp põhjustab vedeliku taseme märgatava tõusu või languse.

Vaatleme näiteks ümmargust kapillaari raadiusega r, mis on sukeldatud suurde anumasse vedelikuga, mis ei niisuta kapillaari seinu. Sel juhul moodustub kapillaari sees menisk ja täiendava rõhu Δp mõjul langeb kapillaaris olev vedelik teatud sügavusele, nagu on näidatud joonisel fig. 3.34. Laias anumas võib raskusjõu mõjul vedeliku pinda pidada peaaegu tasaseks. Vastupidi, kitsas torus võib gravitatsioonijõudude mõju pindpinevusjõududega võrreldes tähelepanuta jätta ja vedeliku pinda võib pidada sfääriks, mille raadius on R. Jooniselt fig. 3.34 on selge, et

, (44.9)

kus θ on vedeliku-tahke seina liidese kokkupuutenurk. Kapillaaris oleva vedeliku pinna tasemel on rõhk vedelikus võrdne p + Δp = p + 2α/R, kus p on välisrõhk gaasis.

Ühenduvate anumate seaduse kohaselt peaks see olema võrdne kogurõhuga samal tasemel laias anumas p + ρgh, kus ρgh on vedelikusamba hüdrostaatiline rõhk tihedusega ρ sügavusel h (g on kiirendus gravitatsioonist). Võrdstades saame:

(44.10)

(44.11)

Kui võtame arvesse märke ja taseme langetamist peetakse negatiivseks tõusuks (h< 0), то последнее выражение можно записать в виде

Täpselt sama avaldise saame raadiusega kapillaari seinu niisutava vedeliku tõusu kõrguse (h > 0) kohta.

r (cos θ > 0). Täieliku märgumise korral (näiteks vesi-klaas) θ = 0, cos θ = 1, on meniski raadius R võrdne kapillaari raadiusega r ja vedeliku tõusu kõrgus on võrdne

(44.13)

(44.13) järeldub, et vedelikutaseme tõusu või languse kõrgus kapillaaris on pöördvõrdeline selle raadiusega (joon. 3.35). Normaaltingimustes (ρ = 1000 kg/m 3, α = 0,071 N/m) vee korral kapillaaris läbimõõduga d = 2r = 1 μm = 10 6 m, tõuseb tase kõrgusele

Vee pindpinevus on üks vee huvitavamaid omadusi.

Siin on mitu selle mõiste määratlust pädevatest allikatest.

Pindpinevus on...

Suur meditsiiniline entsüklopeedia

Pindpinevus (S.T.) on tõmbejõud, millega pinnakile iga osa (vedeliku vaba pind või mis tahes kahe faasi vaheline liides) mõjub pinna külgnevatele osadele. Siserõhk ja P. n. Vedeliku pinnakiht käitub nagu elastne venitatud membraan. Chapi väljatöötatud idee järgi. arr. Laplace'i sõnul sõltub see vedelate pindade omadus "molekulaarsetest tõmbejõududest, mis vähenevad kiiresti kaugusega. Homogeense vedeliku sees on igale molekulile mõjuvad jõud seda ümbritsevatest molekulidest vastastikku tasakaalus. Kuid pinna lähedal on molekulaarse tõmbejõu resultantjõud suunatud sissepoole; see kipub tõmbama vedeliku paksusesse pinnamolekule. Selle tulemusena avaldab kogu pinnakiht nagu elastne venitatud kile väga olulise surve vedeliku sisemassile pinnaga normaalses suunas. Hinnanguliselt ulatub see "siserõhk", mille all kogu vedeliku mass asub, mitu tuhat atmosfääri. See suureneb kumeral pinnal ja väheneb nõgusal pinnal. Tänu vaba energia kalduvusele miinimumini, kipub iga vedelik võtma sellise kuju, milles selle pind - pinnajõudude toimekoht - on väikseima võimaliku suurusega. Mida suurem on vedeliku pind, seda suurema ala selle pinnakile hõivab, seda suurem on selle kokkutõmbumisel vabaneva vaba pinnaenergia varu. Pinge, millega kokkutõmbuva pinnakile iga sektsioon mõjub külgnevatele osadele (vaba pinnaga paralleelses suunas), nimetatakse pingeks. Vastupidiselt elastse venitatud keha elastsele pingele on P. n. ei nõrgene pinnakihi kokkutõmbumisel. ... Pindpinevus võrdub tööga, mida tuleb teha vedeliku vaba pinna ühe võrra suurendamiseks. P.n. mida täheldatakse vedeliku ja gaasi (ka oma auruga), muu segunematu vedeliku või tahke ainega kokkupuutel. Samamoodi on tahkel kehal P. n. piiril gaaside ja vedelikega. Erinevalt P. n.-st, mille vedeliku (või tahke aine) vaba pind piirneb gaasilise keskkonnaga, tähistatakse kahe vedela (või vedela ja tahke) faasi sisepiiril pinget mugavalt spetsiaalse terminiga. saksa kirjanduses termin "piiripinge" (Grenzflachenspannung). Kui aine lahustatakse vedelikus, mis vähendab selle P. n., siis vaba energia väheneb mitte ainult piirpinna suurust vähendades, vaid ka adsorptsiooni kaudu: pindaktiivne aine (või kapillaaraktiiv) koguneb pinnakihti suurenenud kontsentratsioonis...
…

Suur meditsiiniline entsüklopeedia. 1970. aasta

Kõike eelnevat saab kokku võtta nii - molekulid, mis on mis tahes vedeliku, sealhulgas vee pinnal, tõmbavad endasse teised vedeliku sees olevad molekulid, mille tulemusena tekib pindpinevus. Rõhutame, et see on selle omaduse lihtsustatud arusaam.

Vee pindpinevus

Selle omaduse paremaks mõistmiseks on siin mitmeid vee pindpinevuste ilminguid päriselus:

• Kui näeme, et vesi kraani otsast tilkub, mitte ei voola, on see vee pindpinevus;
• Kui lenduv vihmapiisk võtab ümmarguse, veidi pikliku kuju, on see vee pindpinevus;
• Kui veekindlal pinnal olev vesi omandab sfäärilise kuju, on see vee pindpinevus;
• Veehoidlate pinnal tuule puhumisel tekkiv lainetus on samuti vee pindpinevuse ilming;
• Vesi ruumis omandab pindpinevuste mõjul kerakuju;
• Vesilindu putukas hõljub veepinnal just tänu sellele vee omadusele;
• Kui asetate nõela ettevaatlikult veepinnale, siis see ujub;
• Kui valame klaasi vaheldumisi erineva tiheduse ja värviga vedelikke, siis näeme, et need ei segune;
• Vikerkaare seebimullid on ka suurepärane pindpinevuse ilming.

Pindpinevuste koefitsient

Polütehniline terminoloogiline seletav sõnastik

Pindpinevustegur on pindpinevusjõu lineaarne tihedus vedeliku pinnal või kahe segunematu vedeliku vahelisel liidesel.

Polütehniline terminoloogiline seletav sõnastik. Koost: V. Butakov, I. Fagradyants. 2014. aasta

Allpool on toodud erinevate vedelike pindpinevusteguri (K.s.n.) väärtused temperatuuril 20°C:

• Ph.D. atsetoon - 0,0233 njuutonit / meeter;
• Ph.D. benseen - 0,0289 njuutonit / meeter;
• Ph.D. destilleeritud vesi - 0,0727 njuutonit / meeter;
• Ph.D. glütserool - 0,0657 njuutonit / meeter;
• Ph.D. petrooleum - 0,0289 njuutonit / meeter;
• Ph.D. elavhõbe - 0,4650 njuutonit / meeter;
• Ph.D. etüülalkohol - 0,0223 njuutonit / meeter;
• Ph.D. eeter - 0,0171 njuutonit / meeter.

Vee pindpinevustegur

Pindpinevustegur sõltub vedeliku temperatuurist. Esitame selle väärtused erinevatel veetemperatuuridel.

• Temperatuuril 0°C - 75,64 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 10°C - 74,22 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 20°C - 72,25 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 30°C - 71,18 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 40°C - 69,56 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 50°C - 67,91 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 60°C - 66,18 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 70°C - 64,42 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 80°C - 62,61 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 90°C - 60,75 σ, 10 -3 njuutonit / meeter;
• Temperatuuril 100°C - 58,85 σ, 10 -3 njuutonit / meeter.

Pindpinevuse mõiste

Pindpinevus nimetatakse liidese termodünaamilisteks karakteristikuteks, mis on määratletud kui selle pinna ühiku pindala pöörduva isotermilise moodustumise töö. Vedeliku puhul loetakse pindpinevust jõuks, mis mõjub pinnakontuuri pikkuseühiku kohta ja mis kaldub vähendama pinda minimaalseks antud faasimahtude puhul.

Õli on õliga dispergeeritud süsteem, mis koosneb dispergeeritud faasist ja dispersioonikeskkonnast.

Dispergeeritud faasiosakese (näiteks asfalteeni assotsieerunud aine, veekera vms) pinnal on vaba pinnaenergia ülejääk F s, võrdeline liidese alaga S:

Suurusjärk σ Seda ei saa käsitleda mitte ainult eripinnaenergiana, vaid ka kontuuri pikkuse ühiku kohta rakendatava jõuna, mis piirab pinda, mis on suunatud piki seda pinda kontuuriga risti ja kipub pinda pingutama või vähendama. Seda jõudu nimetatakse pindpinevus.

Pindpinevuse toimet saab visuaalselt kujutada jõudude kogumina, mis tõmbavad pinna servi keskpunkti poole.

Iga vektori noole pikkus peegeldab pindpinevuse suurust ja nendevaheline kaugus vastab aktsepteeritud pinnakontuuri pikkuse ühikule. Koguse mõõtmena σ võrdselt kasutatakse nii [J/m 2 ] = 10 3 [erg/cm 2 ] kui ka [N/m] = 10 3 [dyne/cm].

Pindpinevusjõudude toimel kipub vedelik oma pinda vähendama ja kui gravitatsioonijõu mõju on ebaoluline, omandab vedelik sfääri kuju, mille pindala on minimaalne ruumalaühiku kohta.

Pindpinevus on erinevate süsivesinike rühmade puhul erinev – maksimaalne aromaatsete ja minimaalne parafiinsete ainete puhul. Süsivesinike molekulmassi suurenedes see suureneb.

Enamikul polaarsete omadustega heteroaatomilistel ühenditel on pindpinevus madalam kui süsivesinikel. See on väga oluline, kuna nende olemasolu mängib olulist rolli vesi-õli ja gaasiõli emulsioonide moodustumisel ning nende emulsioonide järgnevates hävimisprotsessides.

Pindpinevust mõjutavad parameetrid

Pindpinevus sõltub oluliselt temperatuurist ja rõhust, samuti vedeliku ja sellega kokkupuutuva faasi (gaas või vesi) keemilisest koostisest.

Temperatuuri tõustes pindpinevus väheneb ja kriitilisel temperatuuril on null. Rõhu tõustes väheneb ka pindpinevus gaasi-vedeliku süsteemis.

Naftasaaduste pindpinevuse saab arvutada võrrandi abil:

Ümberarvutamine σ ühest temperatuurist T0 teisele T saab läbi viia vastavalt suhtele:

Mõnede ainete pindpinevusväärtused.

Nimetatakse aineid, mille lisamine vedelikule vähendab selle pindpinevust pindaktiivsed ained(pindaktiivne aine).

Nafta ja naftasaaduste pindpinevus sõltub neis sisalduvate pindaktiivsete komponentide hulgast (vaigulised ained, nafteen- ja muud orgaanilised happed jne).

Madala pindaktiivsete komponentide sisaldusega naftatoodetel on suurim pindpinevus veega kokkupuutel, kõrge sisaldusega naftatoodetel aga kõige vähem.

Hästi rafineeritud naftatoodetel on veega kokkupuutel kõrge pindpinevus.

Pindpinevuse vähenemine on seletatav pindaktiivsete ainete adsorptsiooniga liideses. Lisatava pindaktiivse aine kontsentratsiooni suurenedes väheneb vedeliku pindpinevus esmalt intensiivselt ja seejärel stabiliseerub, mis näitab pinnakihi täielikku küllastumist pindaktiivse aine molekulidega. Naturaalsed pindaktiivsed ained, mis muudavad järsult õlide ja naftasaaduste pindpinevust, on alkoholid, fenoolid, vaigud, asfalteenid ja mitmesugused orgaanilised happed.

Tahke ja vedela faasi piirpinnal tekkivad pinnajõud on seotud märgumis- ja kapillaarnähtustega, millel põhinevad kihistudes toimuvad õlimigratsiooni protsessid, petrooleumi ja õli kerkimine mööda lampide ja õlikanistrite tahke jne.

Pindpinevuse katseline määramine

Õlide ja naftasaaduste pindpinevuste katseliseks määramiseks kasutatakse erinevaid meetodeid.

Esimene meetod (a) põhineb jõu mõõtmisel, mis on vajalik rõnga eraldamiseks kahe faasi liidesest. See jõud on võrdeline rõnga ümbermõõdu kahekordse jõuga. Kapillaarmeetodil (b) mõõdetakse vedeliku tõusu kõrgust kapillaartorus. Selle puuduseks on vedeliku tõusu kõrguse sõltuvus mitte ainult pindpinevuse väärtusest, vaid ka kapillaaride seinte uuritava vedelikuga niisutamise olemusest. Kapillaarmeetodi täpsem versioon on rippuva tilga meetod (c), mis põhineb kapillaarist väljuva vedelikutilga massi mõõtmisel. Mõõtmistulemusi mõjutavad vedeliku tihedus ja tilga suurus ning neid ei mõjuta vedeliku kokkupuutenurk tahkel pinnal. See meetod võimaldab määrata surveanumate pindpinevust.

Kõige tavalisem ja mugavam viis pindpinevuse mõõtmiseks on mullide või tilkade kõrgeima rõhu (g) ​​meetod, mis on seletatav konstruktsiooni lihtsuse, suure täpsusega ja määramise sõltumatusega märgumisest.

See meetod põhineb asjaolul, et õhumulli või vedelikutilga kitsast kapillaarist teise vedelikuks pigistamisel tekib pindpinevus. σ vedeliku piiril, millesse tilk lastakse, proportsionaalselt suurima rõhuga, mis on vajalik tilga väljapressimiseks.