Kādi spēki izraisa virsmas spraigumu? Virsmas spraigums

1. definīcija

Virsmas spraigums ir šķidruma impulss, lai samazinātu savu brīvo virsmu, tas ir, samazinātu potenciālās enerģijas pārpalikumu pie atdalīšanas robežas no gāzveida fāzes.

Ne tikai cietie fiziskie ķermeņi, bet arī paša šķidruma virsma ir aprīkota ar elastīgām īpašībām. Ikviens savā dzīvē ir redzējis, kā izstiepjas ziepju plēve, kad tu nedaudz uzpūš burbuļus. Virsmas spraiguma spēki, kas rodas ziepju plēvē, kādu laiku aiztur gaisu, līdzīgi kā gumijas pūslis aiztur gaisu futbola bumbā.

Virsmas spraigums parādās saskarnē starp galvenajām fāzēm, piemēram, gāzveida un šķidruma vai šķidruma un cietas fāzes. Tas ir tieši saistīts ar faktu, ka šķidruma virsmas slāņa elementārdaļiņas vienmēr piedzīvo dažādus pievilkšanas spēkus no iekšpuses un ārpuses.

Šo fizisko procesu var aplūkot, izmantojot piemēru ar ūdens pilienu, kur šķidrums pārvietojas tā, it kā tas atrastos elastīgā apvalkā. Šeit šķidrās vielas virsmas slāņa atomi tiek piesaistīti saviem iekšējiem kaimiņiem spēcīgāk nekā ārējām gaisa daļiņām.

Kopumā virsmas spraigumu var izskaidrot kā bezgalīgi mazu jeb elementāru darbu $\sigma A$, kas jāveic, lai palielinātu šķidruma kopējo virsmas laukumu par bezgalīgi mazu daudzumu $dS$ nemainīgā temperatūrā $dt$.

Virsmas spraiguma mehānisms šķidrumos

2. attēls. Skalāri pozitīvs lielums. Autors24 - studentu darbu tiešsaistes apmaiņa

Šķidrums, atšķirībā no cietām vielām un gāzēm, nespēj aizpildīt visu trauka tilpumu, kurā tas tika ievietots. Starp tvaiku un šķidro vielu veidojas noteikta saskarne, kas darbojas īpašos apstākļos salīdzinājumā ar citām šķidruma masām. Lai iegūtu skaidrāku piemēru, apsveriet divas molekulas $A$ un $B$. Daļiņa $A$ atrodas paša šķidruma iekšpusē, molekula $B$ atrodas tieši uz tā virsmas. Pirmo elementu vienmērīgi ieskauj citi šķidruma atomi, tāpēc spēki, kas iedarbojas uz molekulu no starpmolekulārās mijiedarbības sfērā nonākušajām daļiņām, vienmēr tiek kompensēti jeb, citiem vārdiem sakot, to rezultējošā jauda ir nulle.

$B$ molekulu vienā pusē ierāmē šķidruma molekulas, bet otrā pusē gāzes atomi, kuru galīgā koncentrācija ir ievērojami zemāka nekā šķidruma elementārdaļiņu kombinācijai. Tā kā no šķidruma puses $B$ molekulu ietekmē daudz vairāk molekulu nekā no ideālās gāzes puses, visu starpmolekulāro spēku rezultantu vairs nevar pielīdzināt nullei, jo šis parametrs ir vērsts tilpuma iekšpusē. viela. Tātad, lai molekula no šķidruma dziļuma nonāktu virsmas slānī, ir jāstrādā pret nekompensētiem spēkiem. Tas nozīmē, ka atomi virsmas līmenī, salīdzinot ar daļiņām šķidruma iekšienē, ir aprīkoti ar pārmērīgu potenciālo enerģiju, ko sauc par virsmas enerģiju.

Virsmas spraiguma koeficients

3. attēls. Virsmas spraigums. Autors24 - studentu darbu tiešsaistes apmaiņa

2. definīcija

Virsmas spraiguma koeficients ir fizisks rādītājs, kas raksturo konkrētu šķidrumu un ir skaitliski vienāds ar virsmas enerģijas attiecību pret kopējo šķidruma brīvās vides laukumu.

Fizikā virsmas spraiguma koeficienta SI pamatmērvienība ir (N)/(m).

Šī vērtība ir tieši atkarīga no:

• šķidruma raksturs (gaistošiem elementiem, piemēram, spirtam, ēterim, benzīnam, virsmas spraiguma koeficients ir ievērojami mazāks nekā negaistošiem elementiem - dzīvsudrabam, ūdenim);
• šķidrās vielas temperatūra (jo augstāka temperatūra, jo zemāks galīgais virsmas spraigums);
• ideālas gāzes īpašības, kas robežojas ar doto šķidrumu;
• stabilu virsmaktīvo vielu klātbūtne, piemēram, veļas pulveris vai ziepes, kas var samazināt virsmas spraigumu.

1. piezīme

Jāņem vērā arī tas, ka virsmas spraiguma parametrs nav atkarīgs no brīvās šķidrās vides sākotnējā laukuma.

No mehānikas arī zināms, ka sistēmas nemainīgie stāvokļi vienmēr atbilst tās iekšējās enerģijas minimālajai vērtībai. Šī fiziskā procesa rezultātā šķidrais ķermenis bieži iegūst formu ar minimālu virsmas laukumu. Ja šķidrumu neietekmē sveši spēki vai to ietekme ir ārkārtīgi maza, tā elementi iegūst sfēras formu ūdens piles vai ziepju burbuļa formā. Ūdens sāk uzvesties līdzīgi, kad tas ir nulles gravitācijas stāvoklī. Šķidrums pārvietojas tā, it kā faktori, kas sarauj doto vidi, iedarbotos tangenciāli tās galvenajai virsmai. Šos spēkus sauc par virsmas spraiguma spēkiem.

Līdz ar to virsmas spraiguma koeficientu var definēt arī kā virsmas spraiguma spēka pamata moduli, kas parasti iedarbojas uz sākotnējās kontūras garuma vienību, ierobežojot brīvo šķidro vidi. Šo parametru klātbūtne liek šķidras vielas virsmai izskatīties kā izstieptai elastīgai plēvei, ar vienīgo atšķirību, ka pastāvīgie spēki plēvē ir tieši atkarīgi no tās sistēmas laukuma, un paši virsmas spraiguma spēki ir spējīgi. strādāt patstāvīgi. Ja uz ūdens virsmas novietosiet nelielu šujamo adatu, dūriens izlocīsies un neļaus tam nogrimt.

Ārēja faktora darbība var raksturot vieglo kukaiņu, piemēram, ūdens slīdēju, slīdēšanu pa visu rezervuāru virsmu. Šo posmkāju pēda deformē ūdens virsmu, tādējādi palielinot tās laukumu. Tā rezultātā rodas virsmas spraiguma spēks, kam ir tendence samazināt šādas platības izmaiņas. Iegūtais spēks vienmēr tiks vērsts tikai uz augšu, vienlaikus kompensējot gravitācijas ietekmi.

Virsmas spraiguma rezultāts

Virsmas spraiguma ietekmē neliels daudzums šķidrās vides mēdz iegūt sfērisku formu, kas ideāli iederēsies mazākā vidē. Pieeja sfēriskai konfigurācijai tiek panākta, jo vairāk, jo vājāki ir sākotnējie gravitācijas spēki, jo mazos pilienos virsmas spraiguma spēks ir daudz lielāks nekā gravitācijas ietekme.

Virsmas spraigums tiek uzskatīts par vienu no svarīgākajām fāzes saskarņu īpašībām. Tas tieši ietekmē fizisko ķermeņu un šķidrumu smalko daļiņu veidošanos to atdalīšanas laikā, kā arī elementu vai burbuļu saplūšanu miglā, emulsijās, putās un adhēzijas procesus.

2. piezīme

Virsmas spraigums nosaka nākotnes bioloģisko šūnu un to galveno daļu formu.

Šī fiziskā procesa spēku maiņa ietekmē fagocitozi un alveolārās elpošanas procesus. Pateicoties šai parādībai, porainās vielas var ilgstoši noturēt milzīgu daudzumu šķidruma pat no gaisa tvaikiem.Ļoti izplatītas ir kapilārās parādības, kas saistītas ar šķidruma līmeņa augstuma izmaiņām kapilāros salīdzinājumā ar šķidruma līmeni plašākā traukā. . Šie procesi izraisa ūdens paaugstināšanos augsnē, gar augu sakņu sistēmu un bioloģisko šķidrumu kustību caur mazu kanāliņu un trauku sistēmu.

Virsmas spraigums

Šķidrumiem, tāpat kā cietām vielām, ir augsta tilpuma elastība, t.i. pretoties to tilpuma izmaiņām, bet, tāpat kā gāzēm, tām nav formas elastības. Šķidruma virsma, kas saskaras ar citu vidi, piemēram, ar savu tvaiku, ar kādu citu šķidrumu vai ar cietu vielu (jo īpaši ar trauka sienām, kurā tas atrodas), ir īpašos apstākļos, salīdzinot ar pārējā šķidrā masa.

Šie īpašie apstākļi rodas tāpēc, ka šķidruma robežslāņa molekulas, atšķirībā no molekulām tā dziļumā, no visām pusēm neapņem viena un tā paša šķidruma molekulas. Daži no virsmas molekulu “kaimiņiem” ir otrās vides daļiņas, ar kurām robežojas šķidrums. Tas, šī vide, var atšķirties no šķidruma gan pēc būtības, gan daļiņu blīvuma. Kam ir dažādi kaimiņi, virsmas slāņa molekulas mijiedarbojas ar tām dažādos veidos. Tāpēc spēki, kas iedarbojas uz katru molekulu šajā slānī, izrādās nelīdzsvaroti: ir noteikts rezultējošais spēks, kas vērsts vai nu uz šķidruma tilpumu, vai uz tam blakus esošās vides tilpumu. Rezultātā molekulas pārvietošanos no virsmas slāņa šķidruma dziļumos vai vides dziļumos, ar kuru tā robežojas, pavada darba izpilde (šķidrumā molekulas, kuras no visām pusēm precīzi ieskauj tās pašas daļiņas, atrodas līdzsvarā, un to kustība prasa darba izdevumus Daudzums un zīme Šis darbs ir atkarīgs no attiecības starp mijiedarbības spēkiem starp virsmas slāņa molekulām ar “to” molekulām un ar otrās vides molekulām. .

Gadījumā, ja šķidrums robežojas ar saviem tvaikiem (piesātinātiem), t.i., ja mums ir darīšana ar vienu vielu, spēks, ko piedzīvo virsmas slāņa molekulas, tiek novirzīts šķidrumā. Tas izskaidrojams ar to, ka molekulu blīvums šķidrumā ir daudz lielāks nekā piesātinātos tvaikos virs šķidruma (tālu no kritiskās temperatūras), un tāpēc virsmas slāņa molekulas pievilkšanas spēks no šķidruma molekulām ir lielāks. nekā no tvaiku molekulām.

No tā izriet, ka, virzoties no virsmas slāņa uz šķidrumu, molekula veic pozitīvu darbu. Gluži pretēji, molekulu pāreju no šķidruma lielākās daļas uz virsmu pavada negatīvs darbs, t.i., tas prasa ārēju darbu.

Iedomāsimies, ka viena vai otra iemesla dēļ šķidruma virsma palielinās (stiepjas). Tas nozīmē, ka noteikts skaits molekulu pārvietojas no šķidruma lielākās daļas uz virsmas slāni. Lai to izdarītu, kā mēs tikko redzējām, ir jātērē ārējais darbs. Citiem vārdiem sakot, šķidruma virsmas palielināšanos papildina negatīvs strādāt. Gluži pretēji, kad virsma saraujas, pozitīvs Darbs.

Ja nemainīgā temperatūrā šķidruma virsma tiek atgriezeniski mainīta par bezgalīgi mazu daudzumu d S , tad tam nepieciešamais darbs

Mīnusa zīme norāda, ka virsmas pieaugums (d S > 0) pavada negatīvs darbs.

Koeficients ir galvenais lielums, kas raksturo šķidruma virsmas īpašības, un to sauc virsmas spraiguma koeficients(>0). Tāpēc virsmas spraiguma koeficientu mēra ar darbu, kas nepieciešams, lai palielinātu šķidruma virsmas laukumu nemainīgā temperatūrā par vienu vienību.

Acīmredzot SI sistēmā tam ir dimensija.

No iepriekš minētā ir skaidrs, ka šķidruma virsmas slāņa molekulām ir pārmērīga potenciālā enerģija, salīdzinot ar molekulām, kas atrodas šķidruma lielākajā daļā. Apzīmēsim to. Šo enerģiju, kā vienmēr, mēra ar darbu, ko virsmas molekulas var veikt, pārvietojoties šķidrumā šķidruma tilpuma molekulu pievilcīgo spēku ietekmē.

Tā kā enerģijas izcelsme ir šķidruma virsmas klātbūtnes dēļ, tai jābūt proporcionālai šķidruma virsmas laukumam S:

Pēc tam virsmas laukuma izmaiņas d S radīs. ir potenciālās enerģijas izmaiņas

,

ko pavada darbs

pilnībā saskaņā ar (1).

Ja, kā norādīts, virsmas S izmaiņas tiek veiktas nemainīgā temperatūrā, t.i., izotermiski (un atgriezeniski), tad, kā zināms, tam nepieciešamais darbs ir vienāds ar brīvās enerģijas izmaiņām. F virsmas:

(Ja šķidruma virsmas izmaiņas tiek veiktas adiabātiski, tad mainīsies tā temperatūra. Piemēram, virsmas palielināšanās novedīs pie tā atdzišanas.) Tas nozīmē, ka šķidruma virsmas potenciālās enerģijas pārpalikums, kas tika minēts iepriekš, ir virsmas brīvā enerģija un tāpēc

tas ir, šķidruma virsmas spraiguma koeficientu var definēt kā brīvo enerģiju uz šīs virsmas laukuma vienību.

Tagad ir skaidrs, kādi ir iepriekš minētie īpašie apstākļi, kādos atrodas šķidruma virsma. Tie sastāv no tā, ka šķidruma virsmai ir pārmērīga potenciālā (brīvā) enerģija, salīdzinot ar pārējo šķidruma masu. Redzēsim, kur tas novedīs.

Ir zināms, ka jebkura sistēma līdzsvarā ir tajā iespējamajā stāvoklī, kurā tās enerģijai ir minimālā vērtība. Attiecībā uz konkrēto gadījumu tas nozīmē, ka līdzsvara stāvoklī esošajam šķidrumam jābūt ar minimālu iespējamo virsmu . Tas savukārt nozīmē, ka ir jābūt spēkiem, kas novērš šķidruma virsmas palielināšanos, t.i., tiecas samazināt šo virsmu.

Acīmredzot šiem spēkiem jābūt vērstiem gar pašu virsmu, tangenciāli tai. Šķidrums uzvedas tā, it kā spēki, kas iedarbojas tangenciāli uz tā virsmu, sarauj (velk) šo virsmu. Šos spēkus sauc par virsmas spraiguma spēkiem.

Tomēr jāatceras, ka virsmas spraiguma spēku rašanās pamatcēlonis ir spēki, ko izjūt virsmas slāņa molekulas, kas ir vērstas šķidruma iekšpusē un dažos gadījumos vidē, ar kuru tas robežojas, t.i., perpendikulāri tam. virsma.

Lai plīstu vai, kā saka, atdalītu virsmu, ir jāpieliek ārējie spēki paralēli virsmai un perpendikulāri līnijai, pa kuru paredzēts plīsums (sadalījums).

Virsmas spraiguma koeficienta noteikšana

Tas ir īpaši skaidrs eksperimentos ar plānām šķidruma plēvēm. Dažiem šķidrumiem, piemēram, ziepjūdenim, saponīniem utt., ir īpašība veidot plānas kārtiņas. Ja, piemēram, nolaižat stiepļu rāmi, kura viena no malām ir kustīga (1. att.), ziepju šķīdumā, tas viss tiks pārklāts ar šķidruma plēvi. Virsmas spraiguma spēki piespiež plēvi sarauties, un kustīgais šķērsstienis AB seko filmai un virzās uz augšu. Lai saglabātu to līdzsvarā, jums jāpieliek spēks šķērsstienim R slodzes veidā (tas ietver paša šķērsstieņa svaru).

Tādējādi virsmas spraiguma spēks, kas darbojas plēvē, ir perpendikulārs līnijai AB , kas šajā gadījumā ir dalījuma līnija. Tie paši spēki, protams, darbojas arī pārējās rāmja pusēs. Bet šeit tos līdzsvaro spēki, kas pievelk šķidrumu cietā rāmja vielai.

Aprakstīto eksperimentu var izmantot, lai noteiktu plēvi veidojošā šķidruma virsmas spraiguma koeficienta skaitlisko vērtību. Patiešām, virsmas spēks f , ņemot vērā faktu, ka plēvei ir divas virsmas (galu galā plēve patiesībā ir plāns šķidruma slānis), ir vienāds ar slodzes svaru līdzsvarā:

.

Ja šī spēka ietekmē šķērsstienis, ko nes plēve, pārvietojas attālumā dh no pozīcijas AB , spēka veiktais darbs ir vienāds ar:

Šis darbs ir vienāds ar filmas brīvās enerģijas samazināšanos, kas, kā mēs zinām, ir vienāda ar: . Šajā gadījumā , Kur l - rāmja garums. No šejienes:

No (4) izriet, ka virsmas spraiguma koeficientu var definēt kā vērtību, kas vienāda ar spēku, kas iedarbojas tangenciāli šķidruma virsmai uz dalīšanas līnijas garuma vienību.

Šādi noteiktais virsmas spraiguma koeficients tiek mērīts SI sistēmā N/m vienībās, bet CGS sistēmā – dinos/cm.

Eksperimenti

Sekojošie vienkāršie eksperimenti sīkāk izskaidro virsmas spraiguma spēku būtību.

Ziepju šķīdumā tiek iegremdēts stieples gredzens, kuram divos punktos (2. att.) piestiprināts brīvi piekārts (nespriegots) pavediens. Šajā gadījumā gredzens ir pārklāts ar plānu šķidruma plēvi, un pavediens atrodas līdzsvarā, iegūstot nejaušu formu. Ja tagad iznīcināsiet plēvi vienā vītnes pusē, pieskaroties plēvei ar sakarsētu adatu, pavediens izstiepsies, iegūstot apļveida loka formu. Vītnes spriegojums radās, iedarbojoties uz saraujošās plēves radītā virsmas spraiguma spēka, spēka, kas tika pielikts vītnei, kas šajā gadījumā ir sadalošā līnija. Šis spēks, protams, ir perpendikulārs vītnei visos punktos. Šis spēks iedarbojās uz pavedienu un. līdz filma tika iznīcināta, bet tajā pašā laikā uz to abās pusēs iedarbojās vieni un tie paši spēki. Pēc vienas plēves daļas izrāviena otra spēja samazināt savu laukumu un, kā liecina izstieptā diega forma, šis laukums kļuva minimāls.

Šo eksperimentu var veikt šādā, nedaudz pārveidotā formā (3. att.). Uz ziepju plēves tajā pašā gredzenā tiek uzlikta elastīga pavediena slēgta cilpa, kas iegūst nejaušu formu. Tagad iznīcināsim plēvi cilpas iekšpusē. Pēc tam atlikušā plēves daļa, saraujoties, izstiepj pavedienu aplī, kas atkal skaidri parāda, ka virsmas spraiguma spēki ir perpendikulāri dalījuma līnijai. Aprakstītie eksperimenti parāda, ka virsmas spraiguma spēki rodas šķidruma vēlmes samazināt tā virsmu un līdz ar to arī virsmas enerģiju rezultātā.

Šāda veida eksperimenti tiek veikti ar šķidrumiem, kas to molekulu īpašās struktūras dēļ viegli veido plānas plēves. Jāņem vērā, ka spēja veidot šādas plēves nav saistīta ar virsmas spraiguma koeficienta vērtību, bet gan ar molekulu formu. Piemēram, ziepju šķīdumam ir virsmas spraiguma koeficients, kas ir aptuveni trīs reizes mazāks nekā tīram ūdenim, kas tomēr neveido stabilas plēves.

Plato pieredze. Vēlme samazināt virsmas laukumu, protams, ir raksturīga ne tikai plānām kārtiņām, bet arī jebkuram šķidruma tilpumam. Un, ja virsmas enerģija būtu vienīgais enerģijas veids, kas nosaka šķidruma uzvedību, tad jebkurai šķidruma masai vienmēr būtu jāpieņem forma, kurā tās virsmas laukums ir mazākais. Šī forma acīmredzami ir sfēra, jo tieši sfērai ir minimālais virsmas laukums noteiktam tilpumam.

Taču papildus iekšējiem daļiņu mijiedarbības spēkiem, kuru dēļ rodas virsmas spraiguma spēki, uz šķidrumu parasti iedarbojas arī ārējie spēki. Tas, pirmkārt, ir gravitācijas spēks un, otrkārt, mijiedarbības spēki starp šķidrajām daļiņām un trauka cieto sienu daļiņām, kurā tas atrodas. Tāpēc šķidruma faktisko formu nosaka attiecība starp šiem trim spēkiem.

Vispirms apskatīsim gravitācijas lomu. Tas ir tilpuma spēks, kas iedarbojas uz visu šķidruma tilpumu. Tā kā, mainoties šķidruma masai, tā tilpums mainās ātrāk nekā tā virsma, tad ar pietiekami lielu masu virsmas spēku loma ir ļoti maza, salīdzinot ar tilpuma spēkiem; virsmas enerģijai šajā gadījumā nav gandrīz nekādas nozīmes, un šķidruma formu galvenokārt nosaka gravitācijas radītā potenciālā enerģija. Smaguma ietekmē šķidrumam ir tendence izplatīties un iegūt plāna slāņa formu - tas atbilst minimālajai potenciālajai enerģijai gravitācijas laukā.

Bet, ja mēs vienā vai otrā veidā izslēdzam vai būtiski samazinām gravitācijas ietekmi, tad virsmas spraiguma spēki būs noteicošie, pat ja tie būs nelieli. Plaši zināmajā Platona eksperimentā gravitācijas efektu izslēdz fakts, ka šķidrumu ievieto citā, nesajaucamā šķidrumā ar to pašu.

blīvums. Tad šķidruma svaru līdzsvaro Arhimēda celšanas spēks, un virsmas spēki ir vienīgie, kas nosaka šķidruma ģeometrisko formu. Šādos gadījumos šķidrums iegūst bumbiņas formu.

Platona eksperimentu veic šādi: noteiktu daudzumu anilīna, kas nešķīst NaCl šķīdumā, ielej traukā, kurā ir galda sāls šķīdums ūdenī (4. att.). Šķīduma koncentrāciju izvēlas tā, lai tā blīvums būtu vienāds ar anilīna blīvumu. Tad anilīns sakrājas bumbiņā, kas peld šķīdumā.

Kosmosā ļoti efektīvi tiek novēroti virspusējie, kad bezsvara stāvoklis nodrošina šķidruma sfērisku formu ārpus trauka.

Šķidrums iegūst sfērisku formu ne tikai ar mākslīgu gravitācijas kompensāciju (kā tas tiek darīts Platona eksperimentā). Neliels šķidruma tilpums pats iegūst sfērai tuvu formu, jo šķidruma mazās masas dēļ arī gravitācijas spēks, kas uz to iedarbojas, ir mazs. Virsmas enerģija šajā gadījumā arī pārsniedz potenciālo gravitācijas enerģiju un šķidruma formu nosaka tā.

Tas izskaidro mazu šķidruma pilienu sfērisko formu. Labi pazīstama, piemēram, dzīvsudraba pilienu sfēriskā forma, kuras virsmas spraiguma koeficients, tāpat kā daudziem citiem kausētiem metāliem, ir diezgan augsts – aptuveni 500 din/cm. Tas arī izskaidro gandrīz stingri sfērisku šķidruma pilienu formu, kas plūst no šauras caurules.

Dažu šķidrumu virsmas spraiguma koeficienti:

Kapilārās parādības

Šķidruma brīvās virsmas forma ir atkarīga no virsmas spraiguma spēkiem, no mijiedarbības ar cietajām sienām, kas ierobežo virsmu, kā arī no gravitācijas spēka, kas iedarbojas uz šķidrumu. Līdzsvara apstākļi šķidruma-gāzes-cietās sienas saskarnē plānās kārtiņās un šauros traukos — kapilāros — ir īpaši. Šajos gadījumos novērotās parādības saņēma vispārīgo nosaukumu kapilārs.Detalizēta kapilāru parādību teorija tika izstrādāta 19. gadsimtā galvenokārt angļu fiziķa T. Jangs, franču fiziķa P. Laplasa, vācu matemātiķa K. Gausa un krievu zinātnieki A. Ju. Davidovs un I S. Gromeki.

Tehnoloģijā un ikdienā plaši pazīstamie kapilārie efekti galvenokārt ir saistīti ar to, ka virsmas spraiguma spēku iedarbības rezultātā spiediens šķidruma iekšienē var atšķirties par noteiktu daudzumu Δp no gāzes vai tvaiku ārējā spiediena p augstāk. šķidruma virsma.

Lai šķidruma brīvā virsma ir sfēra ar rādiusu R (piliens) vai ierobežots šādas sfēriskas virsmas posms (šķidruma līmenis plānā cilindriskā kapilārā). Ļaujiet mums garīgi nogriezt sfērisku segmentu no šīs sfēras ar patvaļīgu plakni, kā parādīts attēlā. 3.31. Šī segmenta ārējo virsmu no pārējās šķidruma virsmas ierobežo rādiusa aplis r= R grēksβ. Katram šīs kontūras garuma bezgalīgi mazam elementam Δ l virsmas spraiguma spēks

ΔF = αΔl (44.1)

virzienā, kas pieskaras sfēras virsmai, t.i. tādā pašā leņķī β pret griezuma plakni. Sadalīsim šo spēku divās daļās

Δ F 1 = ΔF grēksβ un Δ F 2 = ΔF cos β, (44.2)

kas atrodas attiecīgi perpendikulāri un griezuma plaknē. Spēku ģeometriskā summa ΔF 2 ir vienāda ar nulli, jo šie spēki kontūras pretējās pusēs ir vērsti pretējos virzienos un ir savstarpēji līdzsvaroti. Tāpēc visu virsmas spraiguma spēku rezultāts, kas iedarbojas uz griezuma segmentu F, tiks novirzīts šķidrumā perpendikulāri griezuma plaknei un vienāds ar komponentu algebrisko summu ΔF 1:

, (44.3)

jo kopējais kontūras garums ir vienāds.

Šis spēks F nospiedīs segmentu pret pārējo šķidrumu pa visu virsmu, kas tos atdala. Papildu spiediens, ko rada virsmas spraiguma spēki šķidruma iekšpusē, ir vienāds ar

(44.4)

Kā jau varētu gaidīt, šis papildu spiediens nav atkarīgs no r, t.i. no kurienes mēs veidojām garīgo sadaļu.

Šķidruma plakanu virsmu var uzskatīt par bezgalīgi liela rādiusa R = ∞ sfēras ierobežojošo gadījumu. Šajā gadījumā saskaņā ar (44.4) Δp = 2α/∞ = 0. Gluda virsma virsmas spraiguma spēki ir vērsti gar virsmu un nerada papildu spiedienu: spiediens šķidruma iekšpusē ir vienāds ar ārējo spiedienu.

Ieliektas šķidruma virsmas gadījumā, piemēram, ja šķidruma iekšienē atrodas gāzes burbulis ar rādiusu R (3.32. att.), atkārtojot visu iepriekšējo secinājumu, pārliecināsimies, ka no šķidruma tiek virzīts iegūtais spēks F. uz gāzi. Šajā gadījumā

tas ir, spiediens šķidruma iekšpusē zem ieliektās virsmas ir mazāks nekā gāzē (burbuļa iekšpusē) par daudzumu Δp.

Lai neizrakstītu divas dažādas formulas (44.4) un (44.5) izliektām un ieliektām virsmām, virsmas R izliekuma rādiusam ir pieņemts piešķirt zīmi atkarībā no tās virziena.

Ja izliekuma rādiuss R ir vērsts šķidrumā (izliektā virsmā), tad pieņem R > 0; ja izliekuma rādiuss ir vērsts uz āru (virsma ir ieliekta), tad pieņem R< 0. Тогда с учетом знака можно написать единую фор-мулу для дополнительного давления под сферической поверхностью жид-кости (44.6)

Vienādojumu (44.6) sauc par Laplasa formulu.

Vispārējā gadījumā patvaļīga dubulta izliekuma virsma, kuras piemērs ir parādīts attēlā. 3.33, izliekums divos savstarpēji perpendikulāros virsmas posmos var būt atšķirīgs, un šo posmu izliekuma rādiusi R 1 un R 2 dotajā punktā M var atšķirties viens no otra pēc lieluma un zīmes. Šādai virsmai Laplasa formulu var vispārināt:

(44.7)

Atkarībā no R1 un R2 vērtībām un pazīmēm, vērtība Δp var būt pozitīva vai negatīva.

Konkrētajā sfēras gadījumā R 1 = R 2 = R un formula (44.7) iekļaujas (44.6).

Ja šķidruma slānis ir novietots starp divām cieši paralēlām plāksnēm, tad šķidruma virsma iegūs apļveida cilindra formu ar kādu rādiusu R. Šajā konkrētajā gadījumā R 1 = R un R 2 = ∞, jo perpendikulārā griezuma izliekums ir nulle. No vispārinātās Laplasa formulas izriet, ka papildu spiediens šķidrumā zem cilindriskās virsmas ir vienāds ar

(44.8)

i., uz pusi mazāk nekā zem tāda paša rādiusa sfēriskas virsmas.

Šaurās caurulēs (kapilāros) sakarā ar kapilāru sieniņu mitrināšanu vai nesamitrināšanu ar šķidrumu, šķidruma virsmas (meniska) izliekums kļūst ievērojams. Iegūtais papildu spiediens Δp izraisa ievērojamu šķidruma līmeņa paaugstināšanos vai kritumu.

Apskatīsim, piemēram, gadījumu ar apaļu kapilāru ar rādiusu r, kas iegremdēts lielā traukā ar šķidrumu, kas nesamitrina kapilāra sienas. Šajā gadījumā kapilāra iekšpusē veidojas menisks, un papildu spiediena Δp ietekmē šķidrums kapilārā nokrītas līdz noteiktam dziļumam, kā parādīts attēlā. 3.34. Plašā traukā, pateicoties gravitācijas iedarbībai, šķidruma virsmu var uzskatīt par gandrīz plakanu. Gluži pretēji, šaurā caurulē gravitācijas spēku ietekmi var neņemt vērā, salīdzinot ar virsmas spraiguma spēkiem, un šķidruma virsmu var uzskatīt par noteikta rādiusa R lodi. No att. 3.34 ir skaidrs, ka

, (44.9)

kur θ ir saskares leņķis šķidruma un cietās sienas saskarnē. Šķidruma virsmas līmenī kapilārā spiediens šķidrumā ir vienāds ar p + Δp = p + 2α/R, kur p ir ārējais spiediens gāzē.

Saskaņā ar kuģu savienošanas likumu tam jābūt vienādam ar kopējo spiedienu tajā pašā līmenī platā traukā p + ρgh, kur ρgh ir šķidruma kolonnas ar blīvumu ρ hidrostatiskais spiediens dziļumā h (g ir paātrinājums smaguma spēks). Pielīdzinot, mēs iegūstam:

(44.10)

(44.11)

Ja ņemam vērā pazīmes, un līmeņa pazemināšanās tiek uzskatīta par negatīvu pieaugumu (h< 0), то последнее выражение можно записать в виде

Mēs iegūsim tieši tādu pašu izteiksmi šķidruma pacelšanās augstumam (h > 0), kas mitrina rādiusa kapilāra sienas.

r (cos θ > 0). Ar pilnīgu mitrināšanu (piemēram, ūdens - stikls) θ = 0, cos θ = 1, meniska rādiuss R ir vienāds ar kapilāra rādiusu r un šķidruma pacelšanās augstums ir vienāds

(44.13)

No (44.13) izriet, ka šķidruma līmeņa celšanās vai krituma augstums kapilārā ir apgriezti proporcionāls tā rādiusam (3.35. att.). Ūdenim normālos apstākļos (ρ = 1000 kg/m 3, α = 0,071 N/m) kapilārā, kura diametrs ir d = 2r = 1 μm = 10 6 m, līmenis paceļas līdz augstumam.

Ūdens virsmas spraigums ir viena no interesantākajām ūdens īpašībām.

Šeit ir vairākas šī termina definīcijas no kompetentiem avotiem.

Virsmas spraigums ir...

Lielā medicīnas enciklopēdija

Virsmas spraigums (S.T.) ir pievilkšanās spēks, ar kuru katra virsmas plēves daļa (šķidruma brīvā virsma vai jebkura saskarne starp divām fāzēm) iedarbojas uz blakus esošajām virsmas daļām. Iekšējais spiediens un P. n. Šķidruma virsmas slānis uzvedas kā elastīga izstiepta membrāna. Pēc Čapa izstrādātās idejas. arr. Laplass, šī šķidro virsmu īpašība ir atkarīga no “molekulārajiem pievilkšanās spēkiem, kas strauji samazinās līdz ar attālumu. Viendabīgā šķidrumā spēki, kas iedarbojas uz katru molekulu no apkārtējām molekulām, ir savstarpēji līdzsvaroti. Bet virsmas tuvumā molekulārās pievilkšanās rezultējošie spēki ir vērsti uz iekšu; tai ir tendence ievilkt virsmas molekulas šķidruma biezumā. Rezultātā viss virsmas slānis, tāpat kā elastīga izstiepta plēve, izdara ļoti būtisku spiedienu uz šķidruma iekšējo masu virzienā, kas ir normāls pret virsmu. Saskaņā ar aprēķiniem šis “iekšējais spiediens”, zem kura atrodas visa šķidruma masa, sasniedz vairākus tūkstošus atmosfēru. Tas palielinās uz izliektas virsmas un samazinās uz ieliektas virsmas. Sakarā ar brīvās enerģijas tendenci līdz minimumam jebkuram šķidrumam ir tendence iegūt formu, kurā tā virsmai - virsmas spēku iedarbības vietai - ir mazākais iespējamais izmērs. Jo lielāka ir šķidruma virsma, jo lielāku laukumu aizņem tā virsmas plēve, jo lielāka ir brīvās virsmas enerģijas padeve, kas izdalās tā saraušanās laikā. Spriegojumu, ar kādu katrs saraušanās virsmas plēves posms iedarbojas uz blakus esošajām daļām (virzienā paralēli brīvajai virsmai), sauc par spriegojumu. Atšķirībā no elastīga izstiepta ķermeņa elastīgās spriedzes, P. n. nenovājinās, jo virsmas plēve saraujas. ... Virsmas spraigums ir vienāds ar darbu, kas jāpaveic, lai šķidruma brīvo virsmu palielinātu par vienu. P.n. novērots šķidruma saskarsmē ar gāzi (arī ar saviem tvaikiem), ar citu nesajaucamu šķidrumu vai ar cietu vielu. Tādā pašā veidā cietam ķermenim ir P. n. uz robežas ar gāzēm un šķidrumiem. Atšķirībā no P. n., kurā šķidruma (vai cietas vielas) brīvā virsma robežojas ar gāzveida vidi, spriegumu pie divu šķidro (vai šķidrās un cietās) fāzes iekšējās robežas ērti apzīmē ar īpašu terminu. vācu literatūrā termins "robežas spriedze" (Grenzflachenspannung). Ja viela ir izšķīdināta šķidrumā, kas samazina tās P. n., tad brīvā enerģija samazinās ne tikai samazinot robežvirsmas izmērus, bet arī adsorbējot: virsmas slānī paaugstinātā koncentrācijā sakrājas virsmaktīvā (jeb kapilāri aktīvā) viela...
…

Lielā medicīnas enciklopēdija. 1970. gads

Visu iepriekšminēto var rezumēt šādi – molekulas, kas atrodas uz jebkura šķidruma, arī ūdens, virsmas, pievelk citas šķidruma iekšienē esošās molekulas, kā rezultātā rodas virsmas spraigums. Mēs uzsveram, ka šī ir vienkāršota šī īpašuma izpratne.

Ūdens virsmas spraigums

Lai labāk izprastu šo īpašību, šeit ir vairākas ūdens virsmas spraiguma izpausmes reālajā dzīvē:

• Kad mēs redzam, ka ūdens pil no jaucējkrāna gala, nevis plūst, tas ir ūdens virsmas spraigums;
• Kad lietus lāse lidojuma laikā iegūst apaļu, nedaudz iegarenu formu, tas ir ūdens virsmas spraigums;
• Kad ūdens uz ūdensnecaurlaidīgas virsmas iegūst sfērisku formu, tas ir ūdens virsmas spraigums;
• Burbuļi, kas parādās, vējam pūšot ūdenskrātuvju virsmā, ir arī ūdens virsmas spraiguma izpausme;
• Ūdens kosmosā virsmas spraiguma dēļ iegūst sfērisku formu;
• Pateicoties tieši šai ūdens īpašībai, ūdens stridera kukainis peld pa ūdens virsmu;
• Ja jūs uzmanīgi novietosiet adatu uz ūdens virsmas, tā peldēs;
• Ja glāzē pārmaiņus ielejam dažāda blīvuma un krāsas šķidrumus, redzēsim, ka tie nesajaucas;
• Varavīksnes ziepju burbuļi ir arī brīnišķīga virsmas spraiguma izpausme.

Virsmas spraiguma koeficients

Politehnisko terminu skaidrojošā vārdnīca

Virsmas spraiguma koeficients ir virsmas spraiguma spēka lineārais blīvums šķidruma virsmā vai divu nesajaucamu šķidrumu saskarnē.

Politehnisko terminu skaidrojošā vārdnīca. Kompilācija: V. Butakovs, I. Fagradjans. 2014. gads

Zemāk mēs piedāvājam virsmas spraiguma koeficienta (K.s.n.) vērtības dažādiem šķidrumiem 20°C temperatūrā:

• Ph.D. acetons - 0,0233 ņūtons / metrs;
• Ph.D. benzols - 0,0289 ņūtoni / metrs;
• Ph.D. destilēts ūdens - 0,0727 ņūtoni / metrs;
• Ph.D. glicerīns - 0,0657 ņūtons / metrs;
• Ph.D. petroleja - 0,0289 ņūtoni / metrs;
• Ph.D. dzīvsudrabs - 0,4650 ņūtoni / metrs;
• Ph.D. etilspirts - 0,0223 ņūtoni / metrs;
• Ph.D. ēteris - 0,0171 ņūtons / metrs.

Ūdens virsmas spraiguma koeficients

Virsmas spraiguma koeficients ir atkarīgs no šķidruma temperatūras. Iesniegsim tā vērtības dažādās ūdens temperatūrās.

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

Virsmas spraiguma jēdziens

Virsmas spraigums To sauc par saskarnes termodinamisko raksturlielumu, kas definēts kā šīs virsmas laukuma vienības atgriezeniskas izotermiskas veidošanās darbs. Šķidrumam virsmas spraigums tiek uzskatīts par spēku, kas iedarbojas uz virsmas kontūras garuma vienību un kam ir tendence samazināt virsmu līdz minimumam noteiktos fāzes tilpumos.

Eļļa ir eļļas izkliedēta sistēma, kas sastāv no dispersas fāzes un dispersijas vides.

Disperģētas fāzes daļiņas (piemēram, asfaltēna līdzekļa, ūdens lodītes u.c.) virsmai ir brīvas virsmas enerģijas pārpalikums. F s, proporcionāls saskarnes laukumam S:

Lielums σ var uzskatīt ne tikai par īpatnējo virsmas enerģiju, bet arī par spēku, kas pielikts uz kontūras garuma vienību, kas ierobežo virsmu, kas vērsts pa šo virsmu perpendikulāri kontūrai un tiecas šo virsmu savilkt vai samazināt. Šo spēku sauc virsmas spraigums.

Virsmas spraiguma darbību var vizuāli attēlot kā spēku kopumu, kas velk virsmas malas uz centru.

Katras vektora bultiņas garums atspoguļo virsmas spraiguma lielumu, un attālums starp tiem atbilst pieņemtajai virsmas kontūras garuma vienībai. Kā daudzuma dimensija σ vienādi izmanto gan [J/m 2 ] = 10 3 [erg/cm 2 ], gan [N/m] = 10 3 [dyne/cm].

Virsmas spraiguma spēku darbības rezultātā šķidrumam ir tendence samazināt savu virsmu, un, ja gravitācijas spēka ietekme ir nenozīmīga, šķidrums iegūst sfēras formu ar minimālu virsmas laukumu uz tilpuma vienību.

Virsmas spraigums dažādām ogļūdeņražu grupām atšķiras – maksimālais aromātiskajiem un minimālais parafīniem. Palielinoties ogļūdeņražu molekulmasai, tā palielinās.

Lielākajai daļai heteroatomu savienojumu, kuriem ir polāras īpašības, virsmas spraigums ir zemāks nekā ogļūdeņražiem. Tas ir ļoti svarīgi, jo to klātbūtnei ir nozīmīga loma ūdens-eļļas un gāzeļļas emulsiju veidošanā un turpmākajos šo emulsiju iznīcināšanas procesos.

Parametri, kas ietekmē virsmas spraigumu

Virsmas spraigums būtiski ir atkarīgs no temperatūras un spiediena, kā arī no šķidruma ķīmiskā sastāva un fāzes, kas ar to saskaras (gāze vai ūdens).

Palielinoties temperatūrai, virsmas spraigums samazinās un kritiskajā temperatūrā ir nulle. Palielinoties spiedienam, samazinās arī virsmas spraigums gāzes un šķidruma sistēmā.

Naftas produktu virsmas spraigumu var atrast, aprēķinot, izmantojot vienādojumu:

Pārrēķins σ no vienas temperatūras T0 citam T var veikt saskaņā ar attiecībām:

Dažu vielu virsmas spraiguma vērtības.

Tiek sauktas vielas, kuru pievienošana šķidrumam samazina tā virsmas spraigumu virsmaktīvās vielas(virsmaktīvā viela).

Naftas un naftas produktu virsmas spraigums ir atkarīgs no tajos esošo virsmaktīvo komponentu daudzuma (sveķainas vielas, naftēnskābes un citas organiskās skābes utt.).

Naftas produktiem ar zemu virsmaktīvo komponentu saturu ir visaugstākais virsmas spraigums saskarnē ar ūdeni, savukārt tiem, kuriem ir augsts saturs, ir viszemākais.

Labi attīrītiem naftas produktiem ir augsts virsmas spraigums saskarnē ar ūdeni.

Virsmas spraiguma samazināšanās ir izskaidrojama ar virsmaktīvo vielu adsorbciju saskarnē. Palielinoties pievienotās virsmaktīvās vielas koncentrācijai, šķidruma virsmas spraigums vispirms intensīvi samazinās un pēc tam stabilizējas, kas liecina par virsmas slāņa pilnīgu piesātinājumu ar virsmaktīvās vielas molekulām. Dabiskās virsmaktīvās vielas, kas krasi maina eļļu un naftas produktu virsmas spraigumu, ir spirti, fenoli, sveķi, asfaltēni un dažādas organiskās skābes.

Virsmas spēki cietās un šķidrās fāzes saskarsmē ir saistīti ar mitrināšanas un kapilārām parādībām, uz kurām balstās eļļas migrācijas procesi veidojumos, petrolejas un eļļas celšanās pa lampu un eļļas kannu daktiem utt.

Eksperimentāla virsmas spraiguma noteikšana

Eļļu un naftas produktu virsmas spraiguma eksperimentālai noteikšanai tiek izmantotas dažādas metodes.

Pirmā metode (a) ir balstīta uz spēka mērīšanu, kas vajadzīgs, lai atdalītu gredzenu no saskarnes starp abām fāzēm. Šis spēks ir proporcionāls divreiz lielākam gredzena apkārtmēra spēkam. Ar kapilāro metodi (b) mēra šķidruma pacelšanās augstumu kapilārā caurulē. Tās trūkums ir šķidruma pacēluma augstuma atkarība ne tikai no virsmas spraiguma vērtības, bet arī no kapilāru sieniņu mitrināšanas rakstura ar pētāmo šķidrumu. Precīzāka kapilārās metodes versija ir nokarenā piliena metode (c), kuras pamatā ir no kapilāra izplūstošā šķidruma piliena masas mērīšana. Mērījumu rezultātus ietekmē šķidruma blīvums un piliena lielums, un tos neietekmē šķidruma saskares leņķis uz cietas virsmas. Šī metode ļauj noteikt virsmas spraigumu spiedtvertnēs.

Visizplatītākais un ērtākais virsmas spraiguma mērīšanas veids ir lielākā burbuļu vai pilienu spiediena (g) metode, kas izskaidrojama ar konstrukcijas vienkāršību, augstu precizitāti un noteikšanas neatkarību no mitrināšanas.

Šīs metodes pamatā ir fakts, ka, izspiežot gaisa burbuli vai šķidruma pilienu no šaura kapilāra citā šķidrumā, virsmas spraigums σ uz robežas ar šķidrumu, kurā piliens tiek izlaists, proporcionāli lielākajam spiedienam, kas nepieciešams piliena izspiešanai.