Când apa dintr-un pahar răsturnat se revarsă pe podea sau când suflăm un balon de săpun, suprafața lichidului crește. În acest caz, apar noi zone ale unui strat de suprafață rarefiat. Distanța medie dintre molecule crește pe măsură ce acestea trec de la adâncimea lichidului la suprafața acestuia. Forțele de atracție dintre moleculele lichidului fac o activitate negativă în acest caz. În conformitate cu legile mecanicii, aceasta înseamnă o creștere a energiei potențiale a moleculelor care au trecut de la adâncimea lichidului la suprafață.
Moleculele stratului de suprafață al unui lichid au un exces de energie potențială în comparație cu energia pe care ar avea-o aceste molecule dacă s-ar afla în interiorul lichidului.
Excesul de energie potențială deținut de moleculele de pe suprafața unui lichid se numește energie de suprafață.
Din punct de vedere macroscopic (termodinamic), energia de suprafață este unul dintre tipurile de energie internă care este absentă în gaze, dar disponibilă în lichide*.
* Corpurile solide au și energie de suprafață. La urma urmei, condițiile speciale în care moleculele sunt situate pe suprafața unui lichid sunt, de asemenea, caracteristice suprafeței solidelor.
Când apa se răspândește dintr-un pahar răsturnat pe podea, are loc o creștere a energiei moleculelor stratului de suprafață din cauza muncii gravitației. Și atunci când un balon de săpun este suflat, are loc o creștere a energiei potențiale a moleculelor stratului de suprafață din cauza muncii forțelor presiunii aerului din bulă. Într-adevăr, pentru ca bula să se umfle, presiunea aerului din ea trebuie să fie mai mare decât presiunea atmosferică.
Tensiune de suprafata
Moleculele din toate zonele stratului de suprafață al unui lichid sunt în aceleași condiții, iar două zone din aceeași zonă au aceeași energie de suprafață. Înseamnă că energia de suprafață este direct proporțională cu suprafața lichidului. Prin urmare, raportul energiei de suprafață U n aria suprafeței lichidului față de zona S a acestei zone este o valoare constantă, independentă de zonă S. Această valoare se numește coeficient de tensiune superficială sau pur și simplu tensiune superficială și este notă cu litera σ:
Tensiunea superficială este energie de suprafață specifică, adică energia pe suprafață a unei unități de suprafață.
În SI, tensiunea superficială este exprimată în jouli pe metru pătrat (J/m2). Deoarece 1 J = 1 Nm, tensiunea superficială poate fi exprimată în newtoni pe metru (N/m).
Tensiunea superficială a depinde de natura mediilor învecinate și de temperatură. Pe măsură ce temperatura crește, diferența dintre lichid și vaporii săi saturati dispare treptat și la temperatura critică dispare cu totul. În consecință, tensiunea superficială pentru interfața lichid - vapori saturati scade odată cu creșterea temperaturii și devine egală cu zero la temperatura critică.
Din formula (7.3.1) rezultă că
(7.3.2)
În consecință, pe măsură ce suprafața scade, energia de suprafață scade. În acest caz, forțele moleculare efectuează o muncă pozitivă, deoarece distanțele dintre molecule scad atunci când trec de la stratul de suprafață în interiorul lichidului. În starea de echilibru a lichidului, energia de suprafață are o valoare minimă. Aceasta corespunde suprafeței minime pentru un anumit volum. Prin urmare, așa cum se menționează în § 7.1, un lichid ia forma unei bile dacă nu există alte forțe care să denatureze forma sa sferică naturală.
Energia stocată în stratul de suprafață al lichidului este direct proporțională cu suprafața. Energia de suprafață- una dintre formele energiei interne.
Caracteristicile stării lichide a materiei
Proprietățile lichidelor
După cum știți, o substanță în stare lichidă își păstrează volumul, dar ia forma unui vas în care se află. Reținerea volumului lichidului se explică prin prezența unor forțe atractive între molecule. Aceste forțe de interacțiune intermoleculară mențin molecula lichidă aproape de poziția sa de echilibru temporar timp de aproximativ s, după care sare într-o nouă poziție temporară de echilibru aproximativ la o distanță de diametrul său. Se numește timpul dintre două sărituri ale unei molecule de la o poziție de echilibru la alta sedentar... Acest timp depinde de tipul de lichid și de temperatură. Când este încălzit, viața sedentară medie scade. Datorită posibilității de mișcare destul de liberă a moleculelor unele față de altele, lichidele au fluiditate, deci nu au o formă constantă, ci iau forma unui vas.
Dacă izolați un volum foarte mic într-un lichid, atunci în timpul unei vieți stabilizate există un aranjament ordonat de molecule în el, ca un embrion al unei rețele cristaline. Apoi, acest aranjament se dezintegrează, dar apare într-un loc diferit. Prin urmare, se obișnuiește să se spună că există ordine cu rază scurtă de acțiune în aranjarea moleculelor dar lipsă comanda pe raza lunga.
Lichidele prezintă o serie de proprietăți mecanice care le apropie de solide decât de gaze. Acestea includ elasticitatea (cu expunere pe termen scurt), fragilitatea (adică capacitatea de a se rupe), compresibilitatea scăzută. O altă diferență semnificativă față de gaze: în gaze, energia cinetică a moleculelor este mult mai mare decât energia potențială a acestora, în timp ce în lichide energiile potențiale și cinetice sunt aproximativ egale.
Pe suprafața unui lichid, în apropierea graniței care separă lichidul și vaporii acestuia, interacțiunea dintre moleculele lichide diferă de interacțiunea moleculelor din interiorul volumului lichidului. Pentru a ilustra această afirmație, luați în considerare fig. douăzeci . Molecula 1, înconjurată pe toate părțile de alte molecule ale aceluiași lichid, experimentează, în medie, aceeași atracție față de toți vecinii săi. Rezultanta acestor forțe este aproape de zero. Molecula 2 experimentează mai puțină tracțiune ascendentă de la moleculele de vapori și mai multă tracțiune în jos de la moleculele lichide. Ca rezultat, rezultatul direcționat în jos acționează asupra moleculelor situate în stratul de suprafață R forțe, care se referă de obicei la unitatea de suprafață a stratului de suprafață.
Pentru a transfera molecule din adâncimea lichidului în stratul său de suprafață, este necesar să se efectueze o muncă pentru a depăși forța R. Această muncă va crește energie de suprafață, adică excesul de energie potențială deținut de moleculele din stratul de suprafață în comparație cu energia potențială a acestora în restul volumului lichidului.
Să notăm energia potențială a unei molecule din stratul de suprafață, - energia potențială a unei molecule în volumul unui lichid, – numărul de molecule din stratul superficial al lichidului. Atunci energia de suprafață este
Coeficientul de tensiune superficială(sau pur și simplu tensiune de suprafata) lichid se numește modificarea energiei de suprafață cu o creștere izotermă a suprafeței cu o unitate:
unde este numărul de molecule pe unitatea de suprafață a lichidului.
Dacă suprafața lichidului este limitată de perimetrul de umectare, atunci coeficientul de tensiune superficială este numeric egal cu forța care acționează pe unitatea de lungime a perimetrului de umectare și direcționată perpendicular pe acest perimetru:
unde este lungimea perimetrului de umectare, – forță de tensiune superficială care acționează pe lungimea perimetrului de umectare. Forța de tensiune superficială se află într-un plan tangent la suprafața lichidului.
Reducerea suprafeței unui lichid scade energia de suprafață. Condiția pentru echilibrul stabil al unui lichid, ca orice corp, este un minim de energie potențială de suprafață. Aceasta înseamnă că, în absența forțelor externe, lichidul ar trebui să aibă cea mai mică suprafață pentru un volum dat. O astfel de suprafață este o suprafață sferică.
Pe măsură ce temperatura lichidului crește și se apropie de valoarea critică, coeficientul de tensiune superficială tinde spre zero. De departe, coeficientul s scade liniar cu creșterea temperaturii. Pentru a reduce tensiunea superficială a unui lichid, i se adaugă impurități speciale (agenți tensioactivi), care se află la suprafață și reduc energia de suprafață. Acestea includ săpunuri și alți detergenți, acizi grași etc.
Subiect: „Caracteristicile stării lichide a materiei”
Caracterizarea stării lichide a materiei
Lichid - starea de agregare a unei substanțe, intermediară între gazos și lichid. Reținerea volumului într-un lichid demonstrează că forțele de atracție acționează între moleculele sale, adică. distanța dintre moleculele lichide este mai mică decât raza de acțiune moleculară.
Dacă descriem o sferă de acțiune moleculară în jurul oricărei molecule lichide, atunci în interiorul acestei sfere vor exista centre ale multor alte molecule care vor interacționa cu această moleculă. Aceste forțe de interacțiune mențin molecula lichidă în apropierea poziției sale de echilibru temporar la aproximativ 10 -12 - 10 -10, după care sare într-o nouă poziție de echilibru temporară aproximativ la distanța diametrului său.
Moleculele lichidului dintre tranziții fac o mișcare oscilatorie în jurul unei poziții temporare de echilibru. Se numește timpul dintre două tranziții ale unei molecule de la o poziție de echilibru la alta viata sedentara(≈ 10 -11 s). Acest timp depinde de tipul de lichid și de temperatură.
Cu cât temperatura lichidului este mai mare, cu atât viața sedentară este mai scurtă. În timpul unei vieți stabilite, majoritatea moleculelor sunt menținute în pozițiile lor de echilibru și doar câteva au timp să se deplaseze într-o nouă poziție de echilibru în acest timp. Pentru mai mult timp, majoritatea moleculelor lichidului au timp să-și schimbe locația.
Dacă un volum mic este izolat într-un lichid, atunci în timpul vieții stabilite există un aranjament ordonat de molecule în el, similar cu aranjamentul lor în rețeaua cristalină a unui solid. Apoi se dezintegrează și apare în altă parte.
Astfel, întregul spațiu ocupat de lichid, așa cum spune, este format dintr-o multitudine de nuclee de cristal, care se dezintegrează în unele locuri, dar iau naștere în altele. Aceasta înseamnă că se observă un aranjament ordonat al moleculelor într-un volum mic de lichid, dar într-un volum mare se dovedește a fi haotic.
Acestea. într-un lichid, există o ordine pe distanță scurtă în aranjarea moleculelor și nu există o ordine pe distanță lungă. Această structură a lichidului se numește cvasicristalină(asemănător cu cristalul).
Proprietăți lichide:
1.elasticitate(dacă timpul de acțiune al forței asupra lichidului este scurt). Dacă un băț lovește brusc suprafața apei, bățul se poate rupe sau zbura din mână, sau piatra poate sări de pe suprafața apei.
2.fluiditatea(dacă timpul de expunere la lichid este lung) De exemplu, mâna pătrunde ușor în apă.
3.fragilitate cu acţiune de scurtă durată a forţei asupra unui curent de apă.
4.tăria(puțin mai puțin decât solidele). Rezistența la tracțiune a apei este de 2,5 ∙ 10 7 Pa.
5.compresibilitate foarte mic. Cu o creștere a presiunii cu 1 atm. volumul apei se reduce cu 50 ppm.
6.cavitatie- o prăbușire bruscă a golurilor în interiorul lichidului sub o acțiune intensă asupra acestuia, de exemplu, atunci când elicele se rotesc sau undele ultrasonice se propagă în lichid. Cavitația provoacă uzura rapidă a elicei.
Când o substanță trece de la starea solidă la starea lichidă, are loc o schimbare mai puțin drastică a proprietăților decât atunci când o substanță trece de la starea lichidă la starea gazoasă.
Mijloace, proprietățile stării lichide ale unei substanțe sunt mai apropiate de proprietățile stării solide decât de proprietățile stării gazoase.
Strat de suprafață de lichid
Să aflăm diferența dintre acțiunile forțelor moleculare în interiorul unui lichid și pe suprafața acestuia. Valoarea medie a forțelor moleculare rezultate aplicate unei molecule M 1, care se află în interiorul lichidului, este aproape de zero.
Situația este diferită cu molecule M 2și M 3 situat în stratul superficial al lichidului. Descriem în jurul moleculelor o sferă de acțiune moleculară cu o rază r m(≈ 10 -9 m). Apoi pentru moleculă M 2 în emisfera inferioară vor fi multe molecule (deoarece dedesubt este lichid), iar în emisfera superioară vor fi mult mai puține (pentru că deasupra sunt aburul și aerul).
Mijloace pentru o moleculă M 2 rezultanta forţelor moleculare de atracţie în emisfera inferioară R Ж mult mai mult decât forțele moleculare rezultate în emisfera superioară R P.
Forta R P este mic și neglijabil. Rezultanta forțelor moleculare de atracție aplicate unei molecule M 3 mai puțin decât pentru o moleculă M 2,întrucât este determinată doar de acţiunea moleculelor din zona înnegrită. Este esențial ca rezultatele pentru molecule M 2și M 3 direcționat în interiorul lichidului perpendicular pe suprafața acestuia.
orez. douăzeci
Astfel, toate moleculele din stratul de suprafață cu o grosime egală cu raza de acțiune moleculară (Fig. 20) sunt atrase în lichid.
Dar spațiul din interiorul lichidului este ocupat de alte molecule, deci stratul de suprafață creează presiune asupra lichidului, care se numește presiune moleculară . Este imposibil să se determine empiric presiunea moleculară, deoarece acţionează nu asupra unui corp scufundat într-un lichid, ci asupra lui însuşi.
Calculele teoretice au arătat că presiunea moleculară este mare (pentru apă este de 11 ∙ 10 6 Pa, iar pentru eter - 1,4 ∙ 10 8 Pa). Acum este clar de ce este dificil să comprimați lichidul. Într-adevăr, pentru aceasta este necesar să se creeze o presiune de același ordin de mărime ca și presiunea moleculară a lichidului însuși. Și acest lucru este foarte dificil.
DEFINIȚIE
Tensiune de suprafata- dorinta lichidului de a-si reduce suprafata libera, i.e. reduce excesul de energie potențială a acestuia la interfața cu faza gazoasă.
Să descriem mecanism de tensiune superficialăîn lichide. Lichidul, spre deosebire de gaze, nu umple întregul volum al vasului în care este turnat. Între lichid și gaz (sau vapori) se formează o interfață care se află în condiții speciale față de restul masei lichide. Luați în considerare două molecule A și B. Molecula A se află în interiorul lichidului, molecula B se află la suprafața sa (Fig. 1). Molecula A este înconjurată uniform de alte molecule lichide, prin urmare forțele care acționează asupra moleculei A din partea moleculelor care cad în sfera interacțiunii intermoleculare sunt compensate sau, cu alte cuvinte, rezultanta lor este zero. Molecula B este înconjurată pe o parte de molecule lichide, iar pe de altă parte de molecule de gaz, a căror concentrație este mult mai mică decât concentrația moleculelor lichide. Deoarece mult mai multe molecule acționează asupra moleculei B din partea lichidului decât din partea gazului, rezultanta tuturor forțelor intermoleculare nu va mai fi zero și va fi direcționată în volumul lichidului. Astfel, pentru ca o moleculă să intre în stratul de suprafață din adâncimea lichidului, trebuie să se lucreze împotriva forțelor intermoleculare necompensate. Aceasta înseamnă că moleculele stratului apropiat de suprafață, în comparație cu moleculele din interiorul lichidului, au energie potențială în exces, care se numește energie de suprafață.
Evident, cu cât suprafața lichidului este mai mare, cu atât mai multe astfel de molecule care au exces de energie potențială și, prin urmare, cu atât energia de suprafață este mai mare. Acest fapt poate fi scris ca următorul raport:
unde este energia de suprafață a lichidului, aria suprafeței libere a lichidului și coeficientul de proporționalitate, care se numește coeficientul tensiunii superficiale.
Coeficientul de tensiune superficială
DEFINIȚIE
Coeficientul de tensiune superficială este o mărime fizică care caracterizează un lichid dat și este numeric egală cu raportul dintre energia de suprafață și aria suprafeței libere a lichidului:
Unitatea de măsură SI pentru tensiunea superficială este.
Coeficientul de tensiune superficială al unui lichid depinde: 1) de natura lichidului (pentru „lichide volatile precum eterul, alcoolul, benzina, coeficientul de tensiune superficială este mai mic decât cel pentru” lichidele nevolatile - apă, mercur); 2) asupra temperaturii lichidului (cu cât temperatura este mai mare, cu atât tensiunea superficială este mai mică); 3) asupra proprietăților gazului care se învecinează cu lichidul dat; 4) din prezența agenților tensioactivi precum săpunul sau praful de spălat, care reduc tensiunea superficială. De asemenea, trebuie remarcat faptul că coeficientul de tensiune superficială nu depinde de aria suprafeței libere a lichidului.
Din mecanică se știe că stările de echilibru ale unui sistem corespund valorii minime a energiei sale potențiale. Datorită tensiunii superficiale, lichidul capătă întotdeauna o formă cu o suprafață minimă. Dacă alte forțe nu acționează asupra lichidului sau acțiunea lor este mică, lichidul va tinde să ia forma unei sfere, cum ar fi o picătură de apă, un balon de săpun. Apa se va comporta și în gravitate zero. Fluidul se comportă ca și cum forțele ar acționa tangențial la suprafața sa, reducând (trăgând) această suprafață. Aceste forțe sunt numite forțele de tensiune superficială.
De aceea coeficient de tensiune superficială poate fi definit și ca modulul forței de tensiune superficială care acționează pe unitatea de lungime a conturului care delimitează suprafața liberă a lichidului:
Prezența forțelor de tensiune superficială face ca suprafața unui lichid să fie asemănătoare cu o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele elastice din film depind de suprafața sa (adică de modul în care filmul este deformat) și de forțele de tensiune superficială. nu depind de suprafața lichidului. Dacă așezați un ac de cusut pe o suprafață de apă, suprafața se va îndoi și împiedică scufundarea acestuia. Acțiunea forțelor de tensiune de suprafață poate explica alunecarea insectelor ușoare, cum ar fi păsările de apă, pe suprafața corpurilor de apă (Fig. 2). Piciorul striderului de apă deformează suprafața apei, mărind astfel suprafața acesteia. În consecință, apare o forță de tensiune superficială, care tinde să reducă o astfel de modificare a suprafeței. Forțele de tensiune superficială rezultate vor fi direcționate în sus, compensând în același timp forța gravitațională.
Principiul de funcționare al pipetei se bazează pe acțiunea forțelor de tensiune superficială (Fig. 3). Picătura, asupra căreia acționează forța gravitației, este trasă în jos, crescându-și astfel suprafața. În mod firesc, apar forțe de tensiune superficială, a căror rezultată este opusă direcției gravitației și care împiedică întinderea picăturii. Când apăsați pe capacul de cauciuc al pipetei, se creează o presiune suplimentară care ajută la forța gravitațională, determinând căderea picăturii în jos.
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
| Exercițiu | Un inel subțire de aluminiu cu o rază de 7,8 cm este în contact cu soluția de săpun. Cât de greu poți smulge inelul de pe soluție? Luați în considerare temperatura soluției la temperatura camerei. Greutate inel 7 g. |
| Soluţie | Să completăm desenul. Următoarele forțe acționează asupra inelului: gravitația, tensiunea superficială și forța externă. Deoarece inelul este în contact cu soluția și cu părțile externe și interioare, forța de tensiune superficială este egală cu: Lungimea conturului care delimitează suprafața lichidului în acest caz este egală cu circumferința inelului: Ținând cont de acestea din urmă, forța de tensiune superficială: Condiția pentru separarea inelului de suprafața soluției este următoarea: Din tabele, coeficientul de tensiune superficială al soluției de săpun la temperatura camerei. Accelerația gravitației Să convertim unitățile în sistemul SI: raza inelului este masa inelului, kg. Să calculăm: |
| Răspuns | Pentru a rupe inelul din soluție. trebuie aplicată o forță de 0,11 N. |
EXEMPLUL 2
| Exercițiu | Câtă energie se eliberează atunci când picăturile mici de apă cu o rază de mm se contopesc într-o picătură cu o rază de 2 mm? |
| Soluţie | Modificarea energiei potențiale a stratului de suprafață al picăturilor din cauza scăderii suprafeței picăturilor atunci când acestea se îmbină într-o picătură este egală cu: Unde suprafața tuturor picăturilor mici, suprafața picăturilor mari, coeficientul de tensiune superficială a apei. Este evident ca: unde r este raza unei picături mici, R este raza unei picături mari, n este numărul de picături mici. Greutate mică de picătură:
masa unei picături mari:
Deoarece picăturile mici se îmbină într-o picătură mare, puteți scrie:
de unde numărul de picături mici: iar suprafața tuturor picăturilor mici este:
Acum să găsim cantitatea de energie care este eliberată atunci când picăturile se îmbină: Din tabele, coeficientul de tensiune superficială a apei. Să convertim unitățile în sistemul SI: raza unei picături mici este raza unei picături mari. Să calculăm: |
| Răspuns | Când picăturile se îmbină, energia lui J. |
EXEMPLUL 3
| Exercițiu | Determinați coeficientul de tensiune superficială a uleiului, a cărui densitate este egală dacă se obțin 304 picături prin trecerea uleiului printr-o pipetă. Diametrul gâtului pipetei 1,2 mm. |
| Soluţie | O picătură de ulei se desprinde din pipetă atunci când forța gravitației este egală cu forța tensiunii superficiale: |
Deoarece moleculele lichide din stratul său de suprafață sunt atrase în lichid, energia lor potențială este mai mare decât cea a moleculelor din interiorul lichidului. La această concluzie se poate ajunge și dacă reamintim că energia potențială de interacțiune a moleculelor este negativă (§ 2.4), și ținem cont că moleculele din stratul superficial al lichidului din Fig. 10.1) interacționează cu mai puține molecule decât moleculele din interiorul unui lichid
Această energie potențială suplimentară a moleculelor stratului de suprafață al lichidului se numește energie liberă; datorită acesteia, se poate efectua lucrări asociate cu o scădere a suprafeței libere a lichidului. Dimpotrivă, pentru a aduce moleculele din interiorul lichidului la suprafața acestuia, este necesar să se depășească opoziția forțelor moleculare, adică să se efectueze munca necesară pentru a crește energia liberă a stratului superficial al lichidului. . Este ușor de înțeles că, în acest caz, modificarea energiei libere este direct proporțională cu modificarea ariei suprafeței libere a lichidului.
De atunci avem
Deci, munca forțelor moleculare A cu o scădere a suprafeței libere a lichidului este dreaptă. proporțional Dar acest lucru trebuie să depindă și de tipul de fluid și de condițiile externe, cum ar fi temperatura. Această dependență este exprimată prin coeficient.
Mărimea a, care caracterizează dependența muncii forțelor moleculare atunci când aria suprafeței libere a unui lichid se modifică de tipul de lichid și de condițiile externe, se numește coeficient de tensiune superficială a lichidului (sau pur și simplu suprafața). tensiune) și se măsoară prin munca forțelor moleculare atunci când aria suprafeței libere a lichidului scade cu unu:
Deducem unitatea de tensiune superficială în SI:
În SI, o unitate de a este considerată o astfel de tensiune superficială la care forțele moleculare efectuează lucru în 1 J, reducând aria suprafeței libere a lichidului cu.
Deoarece orice sistem trece spontan într-o stare în care energia sa potențială este minimă, lichidul ar trebui să treacă spontan într-o stare în care aria suprafeței sale libere are cea mai mică valoare. Acest lucru poate fi demonstrat folosind următorul experiment.
Pe un fir îndoit sub forma unei litere P, o traversă mobilă I este întărită (Fig.10.2). Rama obtinuta in acest fel se strange cu o folie de sapun, scufundand rama intr-o solutie sapunoasa. După îndepărtarea cadrului din soluție, traversa I se mișcă în sus, adică forțele moleculare reduc de fapt aria suprafeței libere a lichidului. (Gândește-te unde se duce energia eliberată.)
Deoarece o sferă are cea mai mică suprafață pentru același volum, lichidul aflat în stare de imponderabilitate ia forma unei sfere. Din același motiv, picăturile mici de lichid sunt sferice. Forma foliilor de săpun pe diferite cadre corespunde întotdeauna celei mai mici suprafețe libere a lichidului.
