Những lực nào gây ra sức căng bề mặt? Sức căng bề mặt

Định nghĩa 1

Sức căng bề mặt là xung lực của chất lỏng làm giảm bề mặt tự do của chính nó, nghĩa là làm giảm thế năng dư thừa ở ranh giới phân tách khỏi pha khí.

Không chỉ các vật thể rắn mà cả bề mặt của chất lỏng cũng có đặc tính đàn hồi. Mọi người trong đời đều đã từng thấy màng xà phòng giãn ra như thế nào khi bạn thổi bong bóng một chút. Lực căng bề mặt xảy ra trong màng xà phòng giữ không khí trong một khoảng thời gian, tương tự như cách một bong bóng cao su giữ không khí trong một quả bóng đá.

Sức căng bề mặt xuất hiện ở bề mặt phân cách giữa các pha chính, ví dụ, khí và lỏng, hoặc lỏng và rắn. Điều này trực tiếp là do các hạt cơ bản của lớp bề mặt chất lỏng luôn chịu lực hút khác nhau từ bên trong và bên ngoài.

Quá trình vật lý này có thể được xem xét bằng ví dụ về một giọt nước, trong đó chất lỏng chuyển động như thể nó ở trong một lớp vỏ đàn hồi. Ở đây, các nguyên tử của lớp bề mặt của chất lỏng bị thu hút bởi các hạt lân cận bên trong của chúng mạnh hơn so với các hạt không khí bên ngoài.

Nói chung, sức căng bề mặt có thể được giải thích là công vô cùng nhỏ hoặc cơ bản $\sigma A$ phải được thực hiện để tăng tổng diện tích bề mặt của chất lỏng lên một lượng vô cùng nhỏ $dS$ ở nhiệt độ không đổi $dt$.

Cơ chế sức căng bề mặt của chất lỏng

Hình 2. Đại lượng dương vô hướng. Author24 - trao đổi trực tuyến các tác phẩm của sinh viên

Chất lỏng, không giống như chất rắn và chất khí, không thể lấp đầy toàn bộ thể tích của bình chứa nó. Một giao diện nhất định được hình thành giữa hơi và chất lỏng, hoạt động trong những điều kiện đặc biệt so với các khối chất lỏng khác. Để có một ví dụ rõ ràng hơn, hãy xem xét hai phân tử $A$ và $B$. Hạt $A$ nằm bên trong chất lỏng, phân tử $B$ nằm ngay trên bề mặt của nó. Nguyên tố thứ nhất được bao quanh đồng đều bởi các nguyên tử khác của chất lỏng, do đó các lực tác dụng lên phân tử từ các hạt rơi vào phạm vi tương tác giữa các phân tử luôn được bù, hay nói cách khác, công suất tổng hợp của chúng bằng không.

Phân tử $B$ được bao quanh một bên bởi các phân tử chất lỏng, và phía bên kia là các nguyên tử khí, nồng độ cuối cùng của nó thấp hơn đáng kể so với sự kết hợp của các hạt cơ bản của chất lỏng. Vì từ phía chất lỏng, phân tử $B$ bị ảnh hưởng bởi nhiều phân tử hơn so với từ phía khí lý tưởng, nên hợp lực của tất cả các lực liên phân tử không còn có thể bằng 0 nữa, vì tham số này hướng vào bên trong thể tích của chất đó. Vì vậy, để một phân tử từ độ sâu của chất lỏng đi đến lớp bề mặt, công phải được thực hiện chống lại các lực không bù. Điều này có nghĩa là các nguyên tử ở cấp độ bề mặt, so với các hạt bên trong chất lỏng, được trang bị thế năng dư thừa, gọi là năng lượng bề mặt.

Hệ số căng bề mặt

Hình 3. Sức căng bề mặt. Author24 - trao đổi trực tuyến các tác phẩm của sinh viên

Định nghĩa 2

Hệ số sức căng bề mặt là một chỉ số vật lý đặc trưng cho một chất lỏng cụ thể và bằng số với tỷ lệ năng lượng bề mặt trên tổng diện tích của môi trường tự do của chất lỏng.

Trong vật lý, đơn vị SI cơ bản để đo hệ số sức căng bề mặt là (N)/(m).

Giá trị này trực tiếp phụ thuộc vào:

tính chất của chất lỏng (đối với các nguyên tố dễ bay hơi như rượu, ete, xăng, hệ số căng bề mặt nhỏ hơn đáng kể so với các nguyên tố không bay hơi - thủy ngân, nước);
nhiệt độ của chất lỏng (nhiệt độ càng cao thì sức căng bề mặt cuối cùng càng thấp);
tính chất của khí lý tưởng bao quanh chất lỏng nhất định;
sự hiện diện của các chất hoạt động bề mặt ổn định như bột giặt hoặc xà phòng, có thể làm giảm sức căng bề mặt.

Lưu ý 1

Cũng cần lưu ý rằng thông số sức căng bề mặt không phụ thuộc vào diện tích ban đầu của môi trường lỏng tự do.

Cơ học cũng biết rằng các trạng thái không đổi của một hệ luôn tương ứng với giá trị cực tiểu của nội năng của nó. Kết quả của quá trình vật lý này là vật thể lỏng thường có hình dạng với diện tích bề mặt tối thiểu. Nếu chất lỏng không bị ảnh hưởng bởi các ngoại lực hoặc tác dụng của chúng cực kỳ nhỏ, thì các phần tử của nó sẽ có dạng hình cầu dưới dạng giọt nước hoặc bong bóng xà phòng. Nước bắt đầu hành xử theo cách tương tự khi nó ở trạng thái không trọng lực. Chất lỏng chuyển động như thể các yếu tố co lại của môi trường nhất định tác dụng tiếp tuyến với bề mặt chính của nó. Những lực này được gọi là lực căng bề mặt.

Do đó, hệ số căng bề mặt cũng có thể được định nghĩa là mô đun cơ bản của lực căng bề mặt, thường tác dụng trên một đơn vị chiều dài của đường viền ban đầu phân định môi trường chất lỏng tự do. Sự hiện diện của các thông số này làm cho bề mặt của chất lỏng trông giống như một màng đàn hồi bị kéo căng, với điểm khác biệt duy nhất là các lực không đổi trong màng phụ thuộc trực tiếp vào diện tích của hệ của nó và bản thân lực căng bề mặt có thể để làm việc độc lập. Nếu bạn đặt một chiếc kim khâu nhỏ trên mặt nước, mũi khâu sẽ uốn cong và không bị chìm.

Tác động của một yếu tố bên ngoài có thể mô tả sự trượt của các loài côn trùng nhẹ như nhện nước trên toàn bộ bề mặt hồ chứa. Bàn chân của những động vật chân đốt này làm biến dạng mặt nước, do đó làm tăng diện tích của nó. Kết quả là xuất hiện lực căng bề mặt, có xu hướng làm giảm sự thay đổi diện tích đó. Lực tổng hợp sẽ luôn hướng độc quyền lên trên, đồng thời bù lại tác dụng của trọng lực.

Kết quả của sức căng bề mặt

Dưới ảnh hưởng của sức căng bề mặt, một lượng nhỏ môi trường lỏng có xu hướng có dạng hình cầu phù hợp lý tưởng với kích thước nhỏ nhất của môi trường. Cách tiếp cận với cấu hình hình cầu đạt được càng nhiều thì lực hấp dẫn ban đầu càng yếu, vì ở những giọt nhỏ, lực căng bề mặt lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng của trọng lực.

Sức căng bề mặt được coi là một trong những đặc điểm quan trọng nhất của giao diện pha. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành các hạt mịn của cơ thể vật lý và chất lỏng trong quá trình phân tách của chúng, cũng như sự hợp nhất của các nguyên tố hoặc bong bóng trong sương mù, nhũ tương, bọt và quá trình bám dính.

Lưu ý 2

Sức căng bề mặt quyết định hình dạng của các tế bào sinh học trong tương lai và các bộ phận chính của chúng.

Việc thay đổi lực của quá trình vật lý này ảnh hưởng đến quá trình thực bào và quá trình hô hấp phế nang. Nhờ hiện tượng này, các chất xốp có thể giữ một lượng lớn chất lỏng ngay cả từ hơi không khí trong một thời gian dài. . Các quá trình này gây ra sự dâng lên của nước trong đất, dọc theo hệ thống rễ của cây và sự di chuyển của chất lỏng sinh học thông qua hệ thống ống và mạch nhỏ.

Sức căng bề mặt

Chất lỏng, giống như chất rắn, có độ đàn hồi thể tích cao, tức là chống lại sự thay đổi thể tích của chúng, nhưng giống như chất khí, không có tính đàn hồi về hình dạng. Bề mặt của chất lỏng tiếp xúc với môi trường khác, ví dụ với hơi của chính nó, với một số chất lỏng khác hoặc với chất rắn (đặc biệt, với thành bình chứa nó), ở các điều kiện đặc biệt so với phần còn lại của khối chất lỏng.

Những điều kiện đặc biệt này phát sinh do các phân tử của lớp ranh giới của chất lỏng, không giống như các phân tử ở độ sâu của nó, không được bao quanh bởi các phân tử của cùng một chất lỏng ở mọi phía. Một số “hàng xóm” của các phân tử bề mặt là các hạt của môi trường thứ hai tiếp giáp với chất lỏng. Nó, môi trường này, có thể khác với chất lỏng cả về bản chất và mật độ hạt. Có những người hàng xóm khác nhau, các phân tử của lớp bề mặt tương tác với chúng theo những cách khác nhau. Do đó, các lực tác dụng lên mỗi phân tử trong lớp này hóa ra là không cân bằng: có một hợp lực nhất định hướng về thể tích của chất lỏng hoặc hướng về thể tích của môi trường liền kề với nó. Kết quả là, sự chuyển động của một phân tử từ lớp bề mặt vào độ sâu của chất lỏng hoặc vào độ sâu của môi trường mà nó tiếp giáp đi kèm với hiệu suất công việc (bên trong chất lỏng, các phân tử, được bao quanh chính xác về mọi phía bởi các hạt giống nhau ở trạng thái cân bằng và chuyển động của chúng đòi hỏi phải tiêu tốn công Số lượng và ký hiệu Công này phụ thuộc vào mối quan hệ giữa các lực tương tác giữa các phân tử của lớp bề mặt với các phân tử “của chúng” và với các phân tử của môi trường thứ hai .

Trong trường hợp chất lỏng tiếp giáp với hơi của chính nó (bão hòa), tức là trong trường hợp khi chúng ta đang xử lý một chất, lực do các phân tử của lớp bề mặt chịu sẽ hướng vào chất lỏng. Điều này được giải thích là do mật độ của các phân tử trong chất lỏng lớn hơn nhiều so với hơi bão hòa phía trên chất lỏng (cách xa nhiệt độ tới hạn), và do đó lực hút của phân tử lớp bề mặt từ các phân tử chất lỏng lớn hơn. hơn là từ các phân tử hơi.

Theo đó, khi di chuyển từ lớp bề mặt vào chất lỏng, phân tử thực hiện công tích cực. Ngược lại, sự chuyển tiếp của các phân tử từ phần lớn chất lỏng lên bề mặt đi kèm với công âm, tức là nó đòi hỏi phải tiêu tốn công bên ngoài.

Hãy tưởng tượng rằng vì lý do này hay lý do khác mà bề mặt của chất lỏng tăng lên (căng ra). Điều này có nghĩa là một số lượng phân tử nhất định di chuyển từ phần lớn chất lỏng lên lớp bề mặt. Để làm được điều này, như chúng ta vừa thấy, phải sử dụng công việc bên ngoài. Nói cách khác, sự gia tăng bề mặt chất lỏng đi kèm với tiêu cực công việc. Ngược lại, khi bề mặt co lại, tích cực Công việc.

Nếu ở nhiệt độ không đổi, bề mặt của chất lỏng bị thay đổi thuận nghịch một lượng vô cùng nhỏ d S , thì công việc cần thiết cho việc này

Dấu trừ cho thấy sự gia tăng bề mặt (d S > 0) kèm theo công việc tiêu cực.

Hệ số là đại lượng chính đặc trưng cho tính chất của bề mặt chất lỏng và được gọi là hệ số căng bề mặt(>0). Do đó, hệ số căng bề mặt được đo bằng công cần thiết để tăng diện tích bề mặt của chất lỏng ở nhiệt độ không đổi thêm một đơn vị.

Rõ ràng, trong hệ SI nó có thứ nguyên .

Từ những điều trên, rõ ràng là các phân tử của lớp bề mặt chất lỏng có thế năng dư thừa so với các phân tử nằm trong phần lớn chất lỏng. Hãy biểu thị nó . Năng lượng này, như mọi khi, được đo bằng công mà các phân tử bề mặt có thể thực hiện khi chuyển động vào chất lỏng dưới tác dụng của lực hấp dẫn từ các phân tử trong thể tích chất lỏng.

Vì năng lượng có nguồn gốc từ sự hiện diện của bề mặt chất lỏng nên nó phải tỷ lệ với diện tích S của bề mặt chất lỏng:

Khi đó diện tích bề mặt thay đổi d S sẽ kéo theo. là sự thay đổi thế năng

đi kèm với công việc

hoàn toàn phù hợp với (1).

Nếu, như đã chỉ ra, sự thay đổi bề mặt S được thực hiện ở nhiệt độ không đổi, tức là đẳng nhiệt (và thuận nghịch), thì, như đã biết, công cần thiết cho điều này bằng với sự thay đổi năng lượng tự do F bề mặt:

(Nếu sự thay đổi trên bề mặt của chất lỏng được thực hiện đoạn nhiệt thì nhiệt độ của nó sẽ thay đổi. Ví dụ, sự tăng bề mặt sẽ dẫn đến sự nguội đi của nó.) Điều này có nghĩa là thế năng dư thừa của bề mặt chất lỏng, đã được đề cập ở trên, là năng lượng tự do của bề mặt và do đó,

nghĩa là hệ số căng bề mặt của chất lỏng có thể được định nghĩa là năng lượng tự do trên một đơn vị diện tích của bề mặt này.

Bây giờ người ta đã rõ các điều kiện đặc biệt nêu trên trong đó bề mặt của chất lỏng nằm ở đâu. Chúng bao gồm thực tế là bề mặt của chất lỏng có thế năng (tự do) dư thừa so với phần còn lại của khối chất lỏng. Hãy xem điều này dẫn đến đâu.

Người ta biết rằng bất kỳ hệ thống nào ở trạng thái cân bằng đều ở trạng thái có thể đạt được trong đó năng lượng của nó có giá trị tối thiểu. Liên quan đến trường hợp đang xem xét, điều này có nghĩa là chất lỏng ở trạng thái cân bằng phải có bề mặt tối thiểu có thể . Điều này có nghĩa là phải có các lực ngăn cản sự gia tăng bề mặt của chất lỏng, tức là có xu hướng làm giảm bề mặt này.

Rõ ràng, các lực này phải được định hướng dọc theo bề mặt, tiếp tuyến với nó. Chất lỏng hoạt động như thể các lực tiếp tuyến với bề mặt của nó đang co lại (kéo) bề mặt này. Những lực này được gọi là lực căng bề mặt.

Tuy nhiên, phải nhớ rằng nguyên nhân sâu xa của sự xuất hiện lực căng bề mặt là lực tác dụng bởi các phân tử của lớp bề mặt, hướng bên trong chất lỏng và trong một số trường hợp bên trong môi trường mà nó tiếp giáp, tức là vuông góc với bề mặt.

Để đứt gãy, hay như người ta nói, để tách một bề mặt, cần phải tác dụng các ngoại lực song song với bề mặt đó và vuông góc với đường mà sự đứt gãy (phân chia) được cho là.

Xác định hệ số sức căng bề mặt

Điều này đặc biệt rõ ràng từ các thí nghiệm với màng chất lỏng mỏng. Một số chất lỏng, chẳng hạn như nước xà phòng, saponin, v.v., có đặc tính tạo thành màng mỏng. Ví dụ: nếu bạn hạ thấp khung dây, một trong các cạnh của khung đó có thể di chuyển được (Hình 1), thành dung dịch xà phòng, tất cả sẽ được bao phủ bởi một lớp màng chất lỏng. Lực căng bề mặt buộc màng co lại và thanh ngang di chuyển AB theo dõi bộ phim và di chuyển lên trên. Để giữ thăng bằng cần tác dụng lực vào xà ngang R ở dạng tải trọng (bao gồm cả trọng lượng của chính thanh ngang).

Như vậy lực căng bề mặt tác dụng lên màng vuông góc với đường AB , trong trường hợp này là đường phân chia. Tất nhiên, các lực tương tự cũng tác dụng lên các phía khác của khung. Nhưng ở đây chúng được cân bằng bởi lực hút của chất lỏng đối với chất của khung cứng.

Thí nghiệm được mô tả có thể được sử dụng để xác định trị số của hệ số căng bề mặt của chất lỏng tạo thành màng. Thật vậy, lực bề mặt f , có tính đến thực tế là màng có hai bề mặt (xét cho cùng, màng thực chất là một lớp chất lỏng mỏng), bằng trọng lượng của tải trọng ở trạng thái cân bằng:

Nếu dưới tác dụng của lực này, thanh ngang do màng mang theo dịch chuyển một đoạn dh từ vị trí AB , công mà lực thực hiện bằng:

Công này bằng với sự giảm năng lượng tự do của màng, như chúng ta biết, bằng: . Trong trường hợp này , Ở đâu tôi - chiều dài khung. Từ đây:

Từ (4) suy ra hệ số sức căng bề mặt có thể được định nghĩa là giá trị bằng lực tác dụng tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng trên một đơn vị chiều dài của đường phân chia.

Hệ số sức căng bề mặt được xác định theo cách này được đo trong hệ SI tính bằng đơn vị N/m và trong hệ CGS tính bằng dynes/cm.

Thí nghiệm

Các thí nghiệm đơn giản sau đây giải thích rõ hơn bản chất của lực căng bề mặt.

Một vòng dây có sợi treo tự do (không bị căng) gắn vào nó ở hai điểm (Hình 2) được nhúng vào dung dịch xà phòng. Trong trường hợp này, chiếc nhẫn được bao phủ bởi một màng chất lỏng mỏng và sợi dây ở trạng thái cân bằng, có hình dạng ngẫu nhiên. Nếu bây giờ bạn phá hủy lớp màng ở một mặt của sợi chỉ bằng cách dùng kim nóng chạm vào màng, sợi chỉ sẽ giãn ra, có dạng vòng cung tròn. Lực căng của sợi chỉ xảy ra dưới tác dụng của lực căng bề mặt từ màng co lại, một lực tác dụng lên sợi, trong trường hợp này là đường phân chia. Tất nhiên lực này vuông góc với sợi dây tại mọi điểm. Lực này tác dụng lên sợi dây và. cho đến khi bộ phim bị phá hủy, nhưng đồng thời các lực lượng giống nhau đã tác động lên nó. Sau sự đột phá của một phần của bộ phim, phần còn lại đã có thể giảm diện tích của nó và như hình dạng của sợi chỉ bị kéo căng cho thấy, khu vực này trở nên tối thiểu.

Thí nghiệm này có thể được thực hiện theo dạng được sửa đổi một chút sau đây (Hình 3). Một vòng dây mềm khép kín được đặt trên màng xà phòng trong cùng một vòng, có hình dạng ngẫu nhiên. Bây giờ chúng ta hãy phá hủy bộ phim bên trong vòng lặp. Sau đó, phần còn lại của màng co lại, kéo sợi chỉ thành một vòng tròn, điều này một lần nữa cho thấy rõ lực căng bề mặt vuông góc với đường phân chia. Các thí nghiệm được mô tả cho thấy lực căng bề mặt phát sinh do mong muốn của chất lỏng làm giảm bề mặt của nó và do đó làm giảm năng lượng bề mặt.

Các thí nghiệm thuộc loại này được thực hiện với chất lỏng, do cấu trúc cụ thể của các phân tử của chúng nên dễ dàng tạo thành màng mỏng. Cần lưu ý rằng khả năng hình thành các màng như vậy không liên quan đến giá trị của hệ số sức căng bề mặt mà liên quan đến hình dạng của các phân tử. Ví dụ, dung dịch xà phòng có hệ số căng bề mặt nhỏ hơn khoảng ba lần so với nước tinh khiết, tuy nhiên, hệ số này không tạo thành màng ổn định.

Trải nghiệm cao nguyên. Tất nhiên, mong muốn giảm diện tích bề mặt là đặc điểm không chỉ của màng mỏng mà còn của bất kỳ thể tích chất lỏng nào. Và nếu năng lượng bề mặt là loại năng lượng duy nhất quyết định hành vi của chất lỏng, thì bất kỳ khối lượng chất lỏng nào cũng sẽ luôn phải ở dạng có diện tích bề mặt nhỏ nhất. Hình dạng này rõ ràng là một hình cầu, vì nó là hình cầu có diện tích bề mặt tối thiểu đối với một thể tích nhất định.

Tuy nhiên, ngoài nội lực tương tác giữa các hạt, do xuất hiện lực căng bề mặt, ngoại lực cũng thường tác dụng lên chất lỏng. Thứ nhất, đây là lực hấp dẫn và thứ hai là lực tương tác giữa các hạt chất lỏng và các hạt của thành rắn của bình chứa nó. Do đó, hình dạng thực tế của chất lỏng được xác định bởi mối quan hệ giữa ba lực này.

Đầu tiên chúng ta hãy xem xét vai trò của trọng lực. Đây là lực thể tích tác dụng lên toàn bộ thể tích chất lỏng. Vì khi khối lượng của chất lỏng thay đổi, thể tích của nó thay đổi nhanh hơn bề mặt của nó, nên với khối lượng đủ lớn, vai trò của lực bề mặt là rất nhỏ so với lực thể tích; năng lượng bề mặt hầu như không có vai trò gì trong trường hợp này và hình dạng của chất lỏng được xác định chủ yếu bởi thế năng do trọng lực. Dưới tác dụng của trọng lực, chất lỏng có xu hướng lan rộng và tạo thành một lớp mỏng - điều này tương ứng với thế năng tối thiểu trong trường hấp dẫn.

Nhưng nếu bằng cách này hay cách khác, chúng ta loại trừ hoặc giảm đáng kể tác dụng của trọng lực, thì lực căng bề mặt sẽ có tính quyết định, ngay cả khi chúng nhỏ. Trong thí nghiệm nổi tiếng của Plato, tác dụng của trọng lực bị loại trừ do chất lỏng được đặt trong một chất lỏng khác, không trộn lẫn được với cùng một chất lỏng.

Tỉ trọng. Khi đó trọng lượng của chất lỏng được cân bằng bởi lực nâng của Archimedes và lực bề mặt là lực duy nhất xác định hình dạng hình học mà chất lỏng sẽ có. Trong những trường hợp như vậy, chất lỏng có dạng quả bóng.

Thí nghiệm Plato được thực hiện như sau: một lượng anilin nhất định, không tan trong dung dịch NaCl, được đổ vào bình chứa dung dịch muối ăn trong nước (Hình 4). Nồng độ của dung dịch được chọn sao cho mật độ của nó bằng mật độ của anilin. Sau đó anilin thu thập thành một quả bóng nổi trong dung dịch.

Những cái bề ngoài được quan sát rất hiệu quả trong không gian, khi tình trạng không trọng lượng đảm bảo hình dạng hình cầu của chất lỏng bên ngoài bình.

Chất lỏng có dạng hình cầu không chỉ với sự bù trọng lực nhân tạo (như được thực hiện trong thí nghiệm Plato). Một thể tích nhỏ chất lỏng có hình dạng gần giống hình cầu, vì chất lỏng có khối lượng nhỏ nên lực hấp dẫn tác dụng lên nó cũng nhỏ. Năng lượng bề mặt trong trường hợp này cũng vượt quá thế năng của trọng lực và hình dạng của chất lỏng được xác định bởi nó.

Điều này giải thích hình dạng hình cầu của những giọt chất lỏng nhỏ. Ví dụ, người ta biết rõ giọt thủy ngân có dạng hình cầu, có hệ số sức căng bề mặt, giống như nhiều kim loại nóng chảy khác, khá cao - khoảng 500 dynes/cm. Điều này cũng giải thích hình dạng gần như hình cầu của những giọt chất lỏng chảy ra từ một ống hẹp.

Hệ số căng bề mặt của một số chất lỏng:

Hiện tượng mao mạch

Hình dạng của bề mặt tự do của chất lỏng phụ thuộc vào lực căng bề mặt, vào sự tương tác với các thành rắn bao quanh bề mặt, cũng như vào lực hấp dẫn tác dụng lên chất lỏng. Các điều kiện cân bằng ở bề mặt phân cách giữa chất lỏng-khí-rắn trong màng mỏng và các mạch hẹp—mao mạch—là đặc biệt. Hiện tượng quan sát được trong những trường hợp này được gọi chung là mao dẫn.Một lý thuyết chi tiết về hiện tượng mao dẫn được phát triển vào thế kỷ 19 chủ yếu trong các công trình của nhà vật lý người Anh T. Young, nhà vật lý người Pháp P. Laplace, nhà toán học người Đức K. Gauss và các nhà khoa học Nga A. Yu. Davidov và I S. Gromeki.

Hiệu ứng mao dẫn, được biết đến rộng rãi trong công nghệ và cuộc sống hàng ngày, chủ yếu là do do tác động của lực căng bề mặt, áp suất bên trong chất lỏng có thể chênh lệch một lượng nhất định Δp so với áp suất bên ngoài p của khí hoặc hơi ở trên. bề mặt của chất lỏng.

Giả sử bề mặt tự do của chất lỏng là một hình cầu có bán kính R (một giọt) hoặc một phần giới hạn của bề mặt hình cầu đó (mức chất lỏng trong mao quản hình trụ mỏng). Chúng ta hãy tưởng tượng cắt một đoạn hình cầu khỏi quả cầu này bằng một mặt phẳng tùy ý, như trong Hình. 3,31. Bề mặt ngoài của đoạn này được giới hạn với phần còn lại của bề mặt chất lỏng bằng một vòng tròn bán kính r= R tội lỗiβ. Đối với mỗi phần tử vô cùng nhỏ của độ dài của đường viền này Δ tôi lực căng bề mặt

∆F = αΔl (44.1)

theo hướng tiếp tuyến với bề mặt của hình cầu, tức là cùng một góc β với mặt cắt. Hãy chia lực này thành hai thành phần

Δ F 1 = ∆F tội và Δ F 2 = ∆F vì β, (44.2)

lần lượt nằm vuông góc và trong mặt phẳng cắt. Tổng hình học của các lực ΔF 2 bằng 0, vì các lực này ở các phía đối diện của đường viền được định hướng theo hướng ngược nhau và cân bằng lẫn nhau. Do đó, tổng hợp của tất cả các lực căng bề mặt tác dụng lên đoạn cắt F sẽ hướng vuông góc với mặt cắt vào chất lỏng và bằng tổng đại số của các thành phần ΔF 1:

, (44.3)

vì tổng chiều dài của đường viền bằng nhau.

Lực F này sẽ ép đoạn này vào phần còn lại của chất lỏng dọc theo toàn bộ bề mặt ngăn cách chúng. Áp suất bổ sung được tạo ra bởi lực căng bề mặt bên trong chất lỏng khi đó bằng

(44.4)

Như người ta mong đợi, áp suất tăng thêm này không phụ thuộc vào r, tức là từ nơi chúng tôi thực hiện phần tinh thần.

Có thể coi mặt phẳng của chất lỏng là trường hợp giới hạn của hình cầu có bán kính vô cùng lớn R = ∞. Trong trường hợp này, theo (44.4) Δp = 2α/∞ = 0. Với bề mặt bằng phẳng lực căng bề mặt hướng dọc theo bề mặt và không tạo thêm áp suất: áp suất bên trong chất lỏng bằng áp suất bên ngoài.

Ví dụ, trong trường hợp bề mặt chất lỏng lõm, nếu bên trong chất lỏng có một bong bóng khí có bán kính R (Hình 3.32), lặp lại toàn bộ kết luận trước đó, chúng ta sẽ đảm bảo rằng lực F sinh ra được truyền từ chất lỏng. tới khí đốt. Trong trường hợp này

nghĩa là áp suất bên trong chất lỏng dưới bề mặt lõm nhỏ hơn trong chất khí (bên trong bong bóng) một lượng Δp.

Để không viết ra hai công thức khác nhau (44.4) và (44.5) cho bề mặt lồi và lõm, người ta thường gán dấu cho bán kính cong của bề mặt R tùy theo hướng của nó.

Nếu bán kính cong R hướng vào chất lỏng (bề mặt lồi) thì giả sử R > 0; nếu bán kính cong hướng ra ngoài (bề mặt lõm) thì giả sử R< 0. Тогда с учетом знака можно написать единую фор-мулу для дополнительного давления под сферической поверхностью жид-кости (44.6)

Phương trình (44.6) được gọi là công thức Laplace.

Trong trường hợp tổng quát của một bề mặt tùy ý có độ cong kép, một ví dụ được thể hiện trên Hình 2. 3.33, độ cong ở hai mặt cắt vuông góc với nhau có thể khác nhau và bán kính cong của các mặt cắt R 1 và R 2 tại một điểm M cho trước có thể khác nhau về độ lớn và dấu. Đối với bề mặt như vậy, công thức Laplace có thể được khái quát hóa:

(44.7)

Tùy thuộc vào giá trị và dấu của R 1 và R 2, giá trị Δp có thể dương hoặc âm.

Trong trường hợp cụ thể là hình cầu, R 1 = R 2 = R và công thức (44.7) trở thành (44.6).

Nếu một lớp chất lỏng được đặt giữa hai tấm song song gần nhau thì bề mặt chất lỏng sẽ có dạng hình trụ tròn bán kính R. Trong trường hợp cụ thể này, R 1 = R và R 2 = ∞, vì trong phần vuông góc độ cong bằng không. Từ công thức Laplace tổng quát, ta suy ra rằng áp suất bổ sung trong chất lỏng dưới bề mặt hình trụ bằng

(44.8)

tức là bằng một nửa so với bề mặt hình cầu có cùng bán kính.

Trong các ống hẹp (mao mạch), do chất lỏng làm ướt hoặc không làm ướt thành mao mạch, độ cong của bề mặt chất lỏng (khum) trở nên đáng kể. Áp suất bổ sung Δp gây ra sự tăng hoặc giảm đáng chú ý ở mức chất lỏng.

Ví dụ, chúng ta hãy xem xét trường hợp một mao quản tròn bán kính r được ngâm trong một bình lớn chứa chất lỏng không làm ướt thành mao quản. Trong trường hợp này, một sụn chêm được hình thành bên trong mao quản và dưới tác dụng của áp suất bổ sung Δp, chất lỏng trong mao quản giảm xuống một độ sâu nhất định, như trong Hình 2. 3,34. Trong một bình rộng, do tác dụng của trọng lực, bề mặt của chất lỏng có thể coi là gần như phẳng. Ngược lại, trong một ống hẹp, tác dụng của lực hấp dẫn có thể bỏ qua so với lực căng bề mặt và bề mặt chất lỏng có thể được coi là một hình cầu có bán kính R nhất định. Từ hình 2. 3.34 rõ ràng là thế

, (44.9)

trong đó θ là góc tiếp xúc tại bề mặt phân cách của tường lỏng-rắn. Ở mức bề mặt chất lỏng trong mao quản, áp suất trong chất lỏng bằng p + Δp = p + 2α/R, trong đó p là áp suất bên ngoài trong chất khí.

Theo định luật bình thông nhau, nó phải bằng áp suất tổng cộng ở cùng mức trong bình rộng p + ρgh, trong đó ρgh là áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng có mật độ ρ ở độ sâu h (g là gia tốc của trọng lực). Cân bằng, chúng ta nhận được:

(44.10)

(44.11)

Nếu chúng ta tính đến các dấu hiệu và việc hạ thấp mức này được coi là tăng âm (h< 0), то последнее выражение можно записать в виде

Chúng ta sẽ thu được chính xác biểu thức tương tự cho độ cao dâng lên (h > 0) của chất lỏng làm ướt thành mao quản có bán kính

r (cos θ > 0). Khi làm ướt hoàn toàn (ví dụ nước - thủy tinh) θ = 0, cos θ = 1 thì bán kính mặt khum R bằng bán kính mao quản r và chiều cao dâng lên của chất lỏng bằng

(44.13)

Từ (44.13) suy ra rằng độ cao tăng hoặc giảm của mức chất lỏng trong mao quản tỷ lệ nghịch với bán kính của nó (Hình 3.35). Đối với nước ở điều kiện bình thường (ρ = 1000 kg/m 3, α = 0,071 N/m) trong mao quản có đường kính d = 2r = 1 μm = 10 6 m thì mực nước dâng lên đến độ cao

Sức căng bề mặt của nước là một trong những tính chất thú vị nhất của nước.

Dưới đây là một số định nghĩa về thuật ngữ này từ các nguồn có thẩm quyền.

Sức căng bề mặt là...

Bách khoa toàn thư y học lớn
Sức căng bề mặt (ST) là lực hấp dẫn mà mỗi phần của màng bề mặt (bề mặt tự do của chất lỏng hoặc bất kỳ giao diện nào giữa hai pha) tác dụng lên các phần liền kề của bề mặt. Áp suất bên trong và P. n. Lớp chất lỏng bề mặt hoạt động giống như một màng căng đàn hồi. Theo ý tưởng được phát triển bởi Chap. Array. Laplace, tính chất này của bề mặt chất lỏng phụ thuộc vào “lực hút phân tử, giảm nhanh theo khoảng cách. Bên trong một chất lỏng đồng nhất, các lực tác dụng lên từng phân tử từ các phân tử xung quanh nó cân bằng lẫn nhau. Nhưng ở gần bề mặt, lực hút phân tử lại hướng vào trong; nó có xu hướng hút các phân tử bề mặt vào độ dày của chất lỏng. Kết quả là, toàn bộ lớp bề mặt, giống như một màng co giãn đàn hồi, tạo ra một áp suất rất đáng kể lên khối lượng bên trong của chất lỏng theo hướng vuông góc với bề mặt. Theo tính toán, “áp suất bên trong” này, nơi đặt toàn bộ khối chất lỏng, đạt tới vài nghìn atm. Nó tăng trên bề mặt lồi và giảm trên bề mặt lõm. Do xu hướng năng lượng tự do ở mức tối thiểu, bất kỳ chất lỏng nào cũng có xu hướng có dạng trong đó bề mặt của nó - nơi tác dụng của các lực bề mặt - có kích thước nhỏ nhất có thể. Bề mặt của chất lỏng càng lớn thì diện tích màng bề mặt của nó chiếm càng lớn thì nguồn cung cấp năng lượng bề mặt tự do được giải phóng trong quá trình co lại của nó càng lớn. Lực căng mà mỗi phần của màng bề mặt co lại tác dụng lên các phần liền kề (theo hướng song song với bề mặt tự do) được gọi là lực căng. Ngược lại với lực căng đàn hồi của một vật thể bị co giãn đàn hồi, P. n. không yếu đi khi màng bề mặt co lại. ... Sức căng bề mặt bằng công phải thực hiện để tăng bề mặt tự do của chất lỏng lên một. P.n. quan sát thấy ở bề mặt tiếp xúc của chất lỏng với chất khí (cũng với hơi của chính nó), với chất lỏng không trộn lẫn khác hoặc với chất rắn. Tương tự như vậy, một vật rắn có P. n. ở biên giới với chất khí và chất lỏng. Ngược lại với P.n., trong đó chất lỏng (hoặc chất rắn) có bề mặt tự do tiếp giáp với môi trường khí, lực căng ở ranh giới bên trong của hai pha lỏng (hoặc chất lỏng và chất rắn) được chỉ định một cách thuận tiện bằng một thuật ngữ đặc biệt được thông qua. trong văn học Đức có thuật ngữ “căng thẳng biên giới” (Grenzflachenspannung). Nếu một chất được hòa tan trong chất lỏng làm giảm P. n., khi đó năng lượng tự do giảm không chỉ bằng cách giảm kích thước của bề mặt ranh giới mà còn thông qua sự hấp phụ: một chất hoạt động bề mặt (hoặc hoạt động mao dẫn) thu thập với nồng độ tăng lên trong lớp bề mặt...
…
Bách khoa toàn thư y tế lớn. 1970

Tất cả những điều trên có thể được tóm tắt theo cách này - các phân tử trên bề mặt của bất kỳ chất lỏng nào, kể cả nước, bị thu hút bởi các phân tử khác bên trong chất lỏng, do đó nảy sinh sức căng bề mặt. Chúng tôi nhấn mạnh rằng đây là cách hiểu đơn giản về tính chất này.

Sức căng bề mặt của nước

Để hiểu rõ hơn về tính chất này, dưới đây là một số biểu hiện của sức căng bề mặt của nước trong đời sống thực:

Khi chúng ta thấy nước nhỏ giọt từ đầu vòi chứ không phải chảy ra thì đây là sức căng bề mặt của nước;
Khi một hạt mưa bay có hình tròn, hơi thon dài, đây là sức căng bề mặt của nước;
Khi nước trên bề mặt không thấm nước có dạng hình cầu thì đây chính là sức căng bề mặt của nước;
Những gợn sóng xuất hiện khi gió thổi trên mặt hồ cũng là biểu hiện của sức căng bề mặt của nước;
Nước trong không gian có dạng hình cầu do sức căng bề mặt;
Côn trùng nhện nước nổi trên mặt nước nhờ đặc tính này của nước;
Nếu bạn cẩn thận đặt một chiếc kim lên mặt nước, nó sẽ nổi lên;
Nếu chúng ta lần lượt đổ các chất lỏng có mật độ và màu sắc khác nhau vào ly, chúng ta sẽ thấy chúng không trộn lẫn với nhau;
Bong bóng xà phòng cầu vồng cũng là một biểu hiện tuyệt vời của sức căng bề mặt.

Hệ số căng bề mặt

Từ điển giải thích thuật ngữ bách khoa
Hệ số căng bề mặt là mật độ tuyến tính của lực căng bề mặt tại bề mặt chất lỏng hoặc tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chất lỏng không trộn lẫn được.
Từ điển giải thích thuật ngữ bách khoa. Biên soạn: V. Butkov, I. Fagradyants. 2014

Dưới đây chúng tôi trình bày các giá trị của hệ số sức căng bề mặt (K.s.n.) đối với các chất lỏng khác nhau ở nhiệt độ 20°C:

Bằng tiến sĩ. axeton - 0,0233 Newton / mét;
Bằng tiến sĩ. benzen - 0,0289 Newton / mét;
Bằng tiến sĩ. nước cất - 0,0727 Newton / mét;
Bằng tiến sĩ. glycerol - 0,0657 Newton / mét;
Bằng tiến sĩ. dầu hỏa - 0,0289 Newton / mét;
Bằng tiến sĩ. thủy ngân - 0,4650 Newton / Mét;
Bằng tiến sĩ. rượu etylic - 0,0223 Newton/mét;
Bằng tiến sĩ. ether - 0,0171 Newton / mét.

Hệ số sức căng bề mặt nước

Hệ số căng bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng. Hãy để chúng tôi trình bày các giá trị của nó ở các nhiệt độ nước khác nhau.

Ở nhiệt độ 0°C - 75,64 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 10°C - 74,22 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 20°C - 72,25 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 30°C - 71,18 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 40°C - 69,56 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 50°C - 67,91 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 60°C - 66,18 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 70°C - 64,42 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 80°C - 62,61 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 90°C - 60,75 σ, 10 –3 Newton/Mét;
Ở nhiệt độ 100°C - 58,85 σ, 10 -3 Newton/Mét.

Khái niệm về sức căng bề mặt

Sức căng bề mặtđược gọi là đặc tính nhiệt động của bề mặt, được định nghĩa là công của sự hình thành đẳng nhiệt thuận nghịch của một đơn vị diện tích bề mặt này. Đối với chất lỏng, sức căng bề mặt được coi là lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài của đường viền bề mặt và có xu hướng giảm bề mặt xuống mức tối thiểu đối với các thể tích pha nhất định.

Dầu là một hệ phân tán dầu bao gồm pha phân tán và môi trường phân tán.

Bề mặt của hạt pha phân tán (ví dụ, chất liên kết atphalten, giọt nước, v.v.) có một số năng lượng bề mặt tự do dư thừa F s, tỷ lệ thuận với diện tích giao diện S:

Kích cỡ σ có thể được coi không chỉ là năng lượng bề mặt riêng mà còn là lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài của đường viền giới hạn bề mặt, hướng dọc theo bề mặt này vuông góc với đường viền và có xu hướng siết chặt hoặc thu nhỏ bề mặt này. Lực này được gọi là sức căng bề mặt.

Tác động của sức căng bề mặt có thể được biểu diễn trực quan dưới dạng tập hợp các lực kéo các cạnh của bề mặt về phía tâm.

Độ dài của mỗi mũi tên vectơ phản ánh độ lớn của sức căng bề mặt và khoảng cách giữa chúng tương ứng với đơn vị chiều dài đường viền bề mặt được chấp nhận. Là thước đo của số lượng σ cả [J/m 2 ] = 10 3 [erg/cm 2 ] và [N/m] = 10 3 [dyne/cm] đều được sử dụng như nhau.

Do tác động của lực căng bề mặt, chất lỏng có xu hướng giảm bề mặt và nếu ảnh hưởng của lực hấp dẫn không đáng kể thì chất lỏng có dạng hình cầu với diện tích bề mặt tối thiểu trên một đơn vị thể tích.

Sức căng bề mặt thay đổi đối với các nhóm hydrocacbon khác nhau - tối đa đối với chất thơm và tối thiểu đối với parafin. Khi trọng lượng phân tử của hydrocarbon tăng lên, nó tăng lên.

Hầu hết các hợp chất dị hợp tử, có tính chất phân cực, có sức căng bề mặt thấp hơn hydrocacbon. Điều này rất quan trọng, vì sự hiện diện của chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành nhũ tương nước-dầu và khí-dầu và trong các quá trình phá hủy các nhũ tương này sau đó.

Các thông số ảnh hưởng đến sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ và áp suất, cũng như thành phần hóa học của chất lỏng và pha tiếp xúc với nó (khí hoặc nước).

Khi nhiệt độ tăng, sức căng bề mặt giảm và ở nhiệt độ tới hạn bằng không. Khi áp suất tăng, sức căng bề mặt trong hệ khí-lỏng cũng giảm.

Sức căng bề mặt của các sản phẩm dầu mỏ có thể được tính bằng cách tính theo phương trình:

Tính toán lại σ từ một nhiệt độ T0đến người khác T có thể được thực hiện theo mối quan hệ:

Giá trị sức căng bề mặt của một số chất.

Những chất khi thêm vào chất lỏng sẽ làm giảm sức căng bề mặt của nó được gọi là chất hoạt động bề mặt(chất hoạt động bề mặt).

Sức căng bề mặt của dầu và các sản phẩm dầu mỏ phụ thuộc vào lượng thành phần hoạt động bề mặt có trong chúng (chất nhựa, naphthenic và các axit hữu cơ khác, v.v.).

Các sản phẩm dầu mỏ có hàm lượng thành phần hoạt động bề mặt thấp có sức căng bề mặt cao nhất ở bề mặt tiếp xúc với nước, trong khi những sản phẩm có hàm lượng cao thì có sức căng bề mặt thấp nhất.

Các sản phẩm dầu mỏ tinh chế tốt có sức căng bề mặt cao khi tiếp xúc với nước.

Sự giảm sức căng bề mặt được giải thích là do sự hấp phụ của chất hoạt động bề mặt tại bề mặt phân cách. Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt được thêm vào ngày càng tăng, sức căng bề mặt của chất lỏng trước tiên giảm mạnh và sau đó ổn định, điều này cho thấy độ bão hòa hoàn toàn của lớp bề mặt với các phân tử chất hoạt động bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt tự nhiên làm thay đổi mạnh sức căng bề mặt của dầu và các sản phẩm dầu mỏ là rượu, phenol, nhựa, nhựa đường và các axit hữu cơ khác nhau.

Lực bề mặt tại bề mặt tiếp giáp giữa pha rắn và pha lỏng có liên quan đến hiện tượng làm ướt và mao dẫn, dựa trên đó các quá trình di chuyển của dầu trong các thành hệ, sự dâng lên của dầu hỏa và dầu dọc theo bấc đèn và can dầu, v.v.

Thí nghiệm xác định sức căng bề mặt

Các phương pháp khác nhau được sử dụng để xác định bằng thực nghiệm sức căng bề mặt của dầu và các sản phẩm dầu mỏ.

Phương pháp đầu tiên (a) dựa trên việc đo lực cần thiết để tách vòng khỏi bề mặt tiếp xúc giữa hai pha. Lực này tỉ lệ với hai lần lực chu vi của vòng. Với phương pháp mao quản (b), đo chiều cao dâng lên của chất lỏng trong ống mao dẫn. Nhược điểm của nó là sự phụ thuộc của độ cao dâng lên của chất lỏng không chỉ vào giá trị sức căng bề mặt mà còn vào tính chất làm ướt của thành mao quản với chất lỏng đang nghiên cứu. Một phiên bản chính xác hơn của phương pháp mao quản là phương pháp giọt treo (c), dựa trên việc đo khối lượng của một giọt chất lỏng thoát ra khỏi mao quản. Kết quả đo bị ảnh hưởng bởi mật độ của chất lỏng và kích thước giọt nước và không bị ảnh hưởng bởi góc tiếp xúc của chất lỏng trên bề mặt rắn. Phương pháp này cho phép xác định sức căng bề mặt trong bình chịu áp lực.

Cách phổ biến và thuận tiện nhất để đo sức căng bề mặt là phương pháp áp suất cao nhất của bong bóng hoặc giọt (g), được giải thích bởi sự đơn giản của thiết kế, độ chính xác cao và tính độc lập của phép xác định khỏi bị ướt.

Phương pháp này dựa trên thực tế là khi ép một bong bóng khí hoặc một giọt chất lỏng từ mao quản hẹp vào một chất lỏng khác, sức căng bề mặt sẽ xuất hiện. σ tại ranh giới với chất lỏng nơi giọt nước được thả vào, tỷ lệ với áp suất cao nhất cần thiết để ép giọt nước ra ngoài.