När vatten från ett vält glas rinner ut på golvet eller när vi blåser ut en såpbubbla ökar ytan på vätskan. I det här fallet uppstår nya områden av ett försvagat ytskikt. Det genomsnittliga avståndet mellan molekylerna ökar när de passerar från vätskans djup till dess yta. Attraktionskrafterna mellan vätskans molekyler gör negativt arbete i detta fall. I enlighet med mekanikens lagar innebär detta en ökning av den potentiella energin hos molekyler som har passerat från vätskans djup till ytan.
Molekylerna i ytskiktet av en vätska har ett överskott av potentiell energi i jämförelse med den energi som dessa molekyler skulle ha om de var inuti vätskan.
Det överskott av potentiell energi som molekyler besitter på ytan av en vätska kallas ytenergi.
Ur en makroskopisk (termodynamisk) synvinkel är ytenergi en av de typer av intern energi som saknas i gaser, men som finns i vätskor *.
* Fasta kroppar har också ytenergi. När allt kommer omkring är de speciella förhållandena under vilka molekyler finns på ytan av en vätska också karakteristiska för ytan av fasta ämnen.
När vatten sprids från ett vältat glas på golvet uppstår en ökning av energin hos molekylerna i ytskiktet på grund av gravitationsarbetet. Och när en såpbubbla blåses ut, uppstår en ökning av den potentiella energin hos molekylerna i ytskiktet på grund av arbetet med lufttryckskrafterna i bubblan. För att bubblan ska blåsa upp måste lufttrycket i den vara större än atmosfärstrycket.
Ytspänning
Molekyler i alla områden av ytskiktet av en vätska är under samma förhållanden, och två områden av samma område har samma ytenergi. Det betyder att ytenergin är direkt proportionell mot vätskans yta. Därför ytenergiförhållandet U n arean av vätskeytan till arean S av detta område är ett konstant värde, oberoende av arean S. Detta värde kallas ytspänningskoefficienten eller helt enkelt ytspänning och betecknas med bokstaven σ:
Ytspänningen är specifik ytenergi, det vill säga energin per yta av en ytenhet.
I SI uttrycks ytspänningen i joule per kvadratmeter (J / m2). Eftersom 1 J = 1 Nm kan ytspänningen uttryckas i newton per meter (N/m).
Ytspänningen a beror på beskaffenheten av det angränsande mediet och på temperaturen. När temperaturen stiger försvinner skillnaden mellan vätskan och dess mättade ånga gradvis och försvinner helt och hållet vid den kritiska temperaturen. Följaktligen minskar ytspänningen för gränsytan mellan vätska och mättad ånga med ökande temperatur och blir lika med noll vid den kritiska temperaturen.
Av formel (7.3.1) följer det
(7.3.2)
Följaktligen, när ytarean minskar, minskar ytenergin. I detta fall utför molekylära krafter ett positivt arbete, eftersom avstånden mellan molekylerna minskar när de passerar från ytskiktet in i vätskans inre. I vätskans jämviktstillstånd har ytenergin ett minimivärde. Detta motsvarar den minsta ytarean för en given volym. Därför, som nämnts i § 7.1, antar en vätska formen av en boll om det inte finns andra krafter som förvränger dess naturliga sfäriska form.
Energin som lagras i vätskans ytskikt är direkt proportionell mot ytan. Ytenergi- en av formerna av inre energi.
Egenskaper för materiens flytande tillstånd
Vätskors egenskaper
Som du vet behåller ett ämne i flytande tillstånd sin volym, men tar formen av ett kärl där det är beläget. Retentionen av vätskans volym förklaras av närvaron av attraktionskrafter mellan molekylerna. Dessa krafter av intermolekylär interaktion håller vätskemolekylen nära sin tillfälliga jämviktsposition i cirka s, varefter den hoppar till en ny tillfällig jämviktsposition ungefär på ett avstånd från dess diameter. Tiden mellan två hopp av en molekyl från en jämviktsposition till en annan kallas stillasittande... Denna tid beror på typen av vätska och temperatur. Vid uppvärmning minskar den genomsnittliga stillasittande livslängden. På grund av möjligheten till ganska fri rörlighet av molekyler i förhållande till varandra har vätskor flytbarhet, så de har inte en konstant form, utan tar formen av ett kärl.
Om du isolerar en mycket liten volym i en vätska, finns det under tiden för ett fast liv ett ordnat arrangemang av molekyler i den, som ett embryo av ett kristallgitter. Sedan sönderfaller detta arrangemang, men uppstår på en annan plats. Därför är det vanligt att säga att det finns kortdistansordning i arrangemanget av molekyler men saknas långväga ordning.
Vätskor uppvisar ett antal mekaniska egenskaper som för dem närmare fasta ämnen än gaser. Dessa inkluderar elasticitet (med kortvarig exponering), skörhet (dvs förmågan att gå sönder), låg kompressibilitet. En annan betydande skillnad från gaser: i gaser är den kinetiska energin hos molekyler mycket större än deras potentiella energi, medan den potentiella och kinetiska energin i vätskor är ungefär lika.
På ytan av en vätska, nära gränsen som separerar vätskan och dess ånga, skiljer sig interaktionen mellan vätskemolekyler från interaktionen av molekyler inuti vätskans volym. För att illustrera detta uttalande, överväg Fig. tjugo . Molekyl 1, omgiven på alla sidor av andra molekyler av samma vätska, upplever i genomsnitt samma attraktion till alla sina grannar. Resultanten av dessa krafter är nära noll. Molekyl 2 upplever mindre drag uppåt från ångmolekyler och mer drag nedåt från vätskemolekyler. Som ett resultat verkar den nedåtriktade resultanten på molekylerna som finns i ytskiktet R krafter, vilket vanligtvis refereras till ytskiktets enhetsarea.
För att överföra molekyler från vätskans djup till dess ytskikt är det nödvändigt att utföra arbete för att övervinna kraften R. Detta arbete kommer att öka ytenergi, dvs. överskott av potentiell energi som innehas av molekyler i ytskiktet i jämförelse med deras potentiella energi inuti resten av vätskevolymen.
Låt oss beteckna den potentiella energin för en molekyl i ytskiktet, - den potentiella energin för en molekyl i volymen av en vätska, – antalet molekyler i vätskans ytskikt. Då är ytenergin
Ytspänningskoefficient(eller bara ytspänning) vätska kallas förändringen i ytenergi med en isoterm ökning av ytarean med en enhet:
var är antalet molekyler per ytenhet av vätskeytan.
Om vätskeytan begränsas av vätningsperimetern, är ytspänningskoefficienten numeriskt lika med kraften som verkar per längdenhet av vätningsperimetern och riktad vinkelrätt mot denna perimeter:
var är längden på vätningsperimetern, – ytspänningskraft som verkar över längden av vätningsperimetern. Ytspänningskraften ligger i ett plan som tangerar vätskans yta.
Att minska ytarean på en vätska minskar ytenergin. Villkoret för stabil jämvikt hos en vätska, som vilken kropp som helst, är ett minimum av potentiell ytenergi. Detta innebär att i frånvaro av yttre krafter bör vätskan ha den minsta ytan för en given volym. En sådan yta är en sfärisk yta.
När temperaturen på vätskan stiger och närmar sig det kritiska värdet, tenderar ytspänningskoefficienten till noll. Långt ifrån minskar koefficienten s linjärt med ökande temperatur. För att minska ytspänningen hos en vätska tillsätts speciella föroreningar (ytaktiva ämnen), som ligger på ytan och minskar ytenergin. Dessa inkluderar tvål och andra rengöringsmedel, fettsyror, etc.
Ämne: "Karakteristika för materiens flytande tillstånd"
Karakterisering av materiens flytande tillstånd
Vätska - tillståndet för aggregation av ett ämne, mellanliggande mellan gasformig och flytande. Retentionen av volym i en vätska bevisar att attraktionskrafter verkar mellan dess molekyler, d.v.s. avståndet mellan vätskemolekyler är mindre än radien för molekylär verkan.
Om vi beskriver en sfär av molekylär verkan runt vilken vätskemolekyl som helst, så kommer det inuti denna sfär att finnas centra för många andra molekyler som kommer att interagera med denna molekyl. Dessa växelverkanskrafter håller vätskemolekylen nära sin tillfälliga jämviktsposition ungefär 10 -12 - 10 -10, varefter den hoppar till en ny temporär jämviktsposition ungefär på avståndet från dess diameter.
Vätskans molekyler mellan övergångarna gör en oscillerande rörelse kring ett tillfälligt jämviktsläge. Tiden mellan två övergångar av en molekyl från en jämviktsposition till en annan kallas stillasittande liv(≈ 10-11 s). Denna tid beror på typen av vätska och temperatur.
Ju högre temperatur vätskan har, desto kortare blir den stillasittande livslängden. Under tiden för ett lugnt liv hålls de flesta av molekylerna i sina jämviktspositioner, och endast ett fåtal hinner flytta till en ny jämviktsposition under denna tid. Under en längre tid hinner de flesta av vätskans molekyler byta plats.
Om en liten volym är isolerad i en vätska, finns det under tiden för bosatt liv ett ordnat arrangemang av molekyler i den, liknande deras arrangemang i kristallgittret i ett fast ämne. Sedan sönderfaller det och dyker upp någon annanstans.
Så att säga består hela det utrymme som vätskan upptar av en mängd kristallkärnor, som sönderfaller på vissa ställen, men uppstår på andra. Detta innebär att ett ordnat arrangemang av molekyler observeras i en liten volym vätska, men i en stor volym visar det sig vara kaotiskt.
De där. i en vätska finns det kortdistansordning i arrangemanget av molekyler och det finns ingen långdistansordning. Denna struktur av vätskan kallas kvasikristallin(kristallliknande).
Flytande egenskaper:
1.elasticitet(om verkningstiden för kraften på vätskan är kort). Om en pinne träffar vattenytan skarpt kan pinnen gå sönder eller flyga ur handen, eller så kan stenen studsa från vattenytan.
2.fluiditet(om exponeringstiden för vätskan är lång) Till exempel tränger handen lätt ner i vattnet.
3.bräcklighet med kortvarig kraftpåverkan på en vattenström.
4.styrka(något mindre än fasta ämnen). Draghållfastheten för vatten är 2,5 ∙ 10 7 Pa.
5.kompressibilitet väldigt liten. Med en tryckökning med 1 atm. volymen vatten minskas med 50 ppm.
6.kavitation- en kraftig kollaps av tomrum inuti vätskan under intensiv påverkan på den, till exempel när propellrar roterar eller ultraljudsvågor utbreder sig i vätskan. Kavitation orsakar snabbt propellerslitage.
När ett ämne övergår från ett fast till ett flytande tillstånd sker en mindre drastisk förändring av egenskaperna än när ett ämne övergår från ett flytande till ett gasformigt tillstånd.
Innebär att, egenskaperna hos ett ämnes flytande tillstånd ligger närmare egenskaperna hos det fasta tillståndet än egenskaperna hos det gasformiga tillståndet.
Ytskikt av vätska
Låt oss ta reda på skillnaden mellan verkan av molekylära krafter inuti en vätska och på dess yta. Medelvärdet av de resulterande molekylära krafterna som appliceras på en molekyl M 1, som är inuti vätskan, är nära noll.
Situationen är annorlunda med molekyler M 2 och M 3 ligger i vätskans ytskikt. Vi beskriver runt molekylerna en molekylär verkanssfär med en radie r m(≈ 10-9 m). Sedan för molekylen M 2 på den nedre halvklotet kommer det att finnas många molekyler (eftersom det finns vätska under), och på den övre halvklotet kommer det att finnas mycket mindre (eftersom ånga och luft är på toppen).
Medel för en molekyl M 2 resultatet av molekylära attraktionskrafter i den nedre halvklotet R Ж mycket mer än de resulterande molekylära krafterna i den övre halvklotet R P.
Tvinga R Pär liten och försumbar. Resultatet av molekylära attraktionskrafter som appliceras på en molekyl M 3 mindre än för en molekyl M 2, eftersom det endast bestäms av inverkan av molekyler i det svärtade området. Det är viktigt att resultatet för molekyler M 2 och M 3 riktad inuti vätskan vinkelrätt mot dess yta.
ris. tjugo
Således dras alla molekyler i ytskiktet med en tjocklek som är lika med radien för molekylär verkan (Fig. 20) in i vätskan.
Men utrymmet inuti vätskan är upptaget av andra molekyler, så ytskiktet skapar tryck på vätskan, vilket kallas molekylärt tryck . Det är omöjligt att bestämma molekyltrycket empiriskt, eftersom det verkar inte på en kropp nedsänkt i en vätska, utan på den själv.
Teoretiska beräkningar har visat att molekyltrycket är högt (för vatten är det lika med 11 ∙ 10 6 Pa och för eter - 1,4 ∙ 10 8 Pa). Det är nu klart varför det är svårt att komprimera vätska. För detta är det faktiskt nödvändigt att skapa ett tryck av samma storleksordning som det molekylära trycket för själva vätskan. Och det här är väldigt svårt.
DEFINITION
Ytspänning- vätskans önskan att minska sin fria yta, dvs. reducera överskottet av dess potentiella energi vid gränssnittet med gasfasen.
Låt oss beskriva ytspänningsmekanism i vätskor. Vätska, till skillnad från gaser, fyller inte hela volymen av kärlet i vilket den hälls. En gränsyta bildas mellan vätskan och gasen (eller ångan), som är under speciella förhållanden jämfört med resten av vätskemassan. Betrakta två molekyler A och B. Molekyl A är inuti vätskan, molekyl B är på dess yta (Fig. 1). Molekyl A är likformigt omgiven av andra vätskemolekyler, därför kompenseras de krafter som verkar på molekyl A från sidan av molekyler som faller in i sfären av intermolekylär interaktion, eller, med andra ord, deras resultat är noll. Molekyl B omges på ena sidan av vätskemolekyler och på andra sidan av gasmolekyler, vars koncentration är mycket lägre än koncentrationen av vätskemolekyler. Eftersom mycket fler molekyler verkar på molekylen B från sidan av vätskan än från sidan av gasen, kommer resultatet av alla intermolekylära krafter inte längre att vara noll och kommer att riktas in i vätskans volym. För att en molekyl ska komma in i ytskiktet från vätskans djup måste man alltså arbeta mot okompenserade intermolekylära krafter. Det betyder att molekylerna i det ytnära lagret, i jämförelse med molekylerna inuti vätskan, har överskott av potentiell energi, vilket kallas ytenergi.
Uppenbarligen, ju större ytan på vätskan, desto fler sådana molekyler som har överskott av potentiell energi, och därför desto större ytenergi. Detta faktum kan skrivas som följande förhållande:
var är vätskans ytenergi, arean av vätskans fria yta och proportionalitetskoefficienten, som kallas ytspänningskoefficient.
Ytspänningskoefficient
DEFINITION
Ytspänningskoefficientär en fysisk storhet som kännetecknar en given vätska och är numeriskt lika med förhållandet mellan ytenergin och arean av vätskans fria yta:
SI-måttenheten för ytspänning är.
En vätskas ytspänningskoefficient beror: 1) på vätskans beskaffenhet (för "flyktiga vätskor som eter, alkohol, bensin är ytspänningskoefficienten lägre än för" icke-flyktiga vätskor - vatten, kvicksilver); 2) på vätskans temperatur (ju högre temperatur, desto lägre ytspänning); 3) på egenskaperna hos den gas som gränsar till den givna vätskan; 4) från närvaron av ytaktiva ämnen som tvål eller tvättpulver, som minskar ytspänningen. Det bör också noteras att ytspänningskoefficienten beror inte på arean av vätskans fria yta.
Det är känt från mekaniken att jämviktstillstånden i ett system motsvarar minimivärdet för dess potentiella energi. På grund av ytspänningen antar vätskan alltid en form med minimal ytarea. Om andra krafter inte verkar på vätskan eller om deras verkan är liten, tenderar vätskan att ta formen av en sfär, såsom en droppe vatten, en såpbubbla. Vatten kommer också att bete sig i noll gravitation. Vätskan beter sig som om krafter verkar tangentiellt mot dess yta, vilket reducerar (drar) denna yta. Dessa krafter kallas ytspänningskrafter.
Det är därför ytspänningskoefficient kan också definieras som modulen för ytspänningskraften som verkar per längdenhet av konturen som begränsar vätskans fria yta:
Närvaron av ytspänningskrafter gör att ytan på en vätska liknar en elastisk sträckt film, med den enda skillnaden att de elastiska krafterna i filmen beror på dess ytarea (dvs på hur filmen deformeras) och ytspänningskrafter är inte beroende av vätskans yta. Om du placerar en synål på en vattenyta kommer ytan att böjas och förhindra att den sjunker. Verkan av ytspänningskrafter kan förklara hur lätta insekter, såsom vattenstridare, glider över vattenmassor (fig. 2). Vattenstridarens fot deformerar vattenytan och ökar därmed dess yta. Som en konsekvens uppstår en ytspänningskraft, som tenderar att minska en sådan förändring i arean. De resulterande ytspänningskrafterna kommer att riktas uppåt, samtidigt som de kompenserar för tyngdkraften.
Funktionsprincipen för pipetten är baserad på verkan av ytspänningskrafter (Fig. 3). Droppen, på vilken tyngdkraften verkar, dras nedåt och ökar därmed dess yta. Naturligtvis uppstår ytspänningskrafter, vars resultat är motsatt tyngdkraftens riktning och som hindrar droppen från att sträcka sig. När du trycker ner gummilocket på pipetten skapas ytterligare tryck som hjälper tyngdkraften, vilket gör att droppen faller nedåt.
Exempel på problemlösning
EXEMPEL 1
| Träning | En tunn aluminiumring med en radie på 7,8 cm är i kontakt med tvållösningen. Hur hårt kan du dra av ringen från lösningen? Tänk på temperaturen på lösningen vid rumstemperatur. Ringvikt 7 g. |
| Lösning | Låt oss slutföra ritningen. Följande krafter verkar på ringen: gravitation, ytspänning och yttre kraft. Eftersom ringen är i kontakt med lösningen och de yttre och inre sidorna är ytspänningskraften lika med: Längden på konturen som begränsar vätskans yta är i detta fall lika med ringens omkrets: Med hänsyn till det senare är ytspänningskraften: Villkoret för separation av ringen från lösningens yta är som följer: Från tabellerna, koefficienten för ytspänning av tvållösningen vid rumstemperatur. Gravitationsacceleration Låt oss omvandla enheterna till SI-systemet: ringens radie är ringens massa, kg. Låt oss räkna ut: |
| Svar | För att riva av ringen från lösningen. en kraft på 0,11 N måste appliceras. |
EXEMPEL 2
| Träning | Hur mycket energi frigörs när små vattendroppar med en radie på mm smälter samman till en droppe med en radie på 2 mm? |
| Lösning | Förändringen i den potentiella energin för ytskiktet av droppar på grund av en minskning av dropparnas yta när de smälter samman till en droppe är lika med: var ytarea av alla små droppar, ytarea för stora droppar, ytspänningskoefficient för vatten. Det är uppenbart att: där r är radien för en liten droppe, R är radien för en stor droppe, n är antalet små droppar. Liten fallvikt:
massa av en stor droppe:
Eftersom små droppar smälter samman till en stor droppe kan du skriva:
varifrån antalet små droppar: och ytan på alla små droppar är:
Låt oss nu hitta mängden energi som frigörs när dropparna smälter samman: Från tabellerna, koefficienten för ytspänning av vatten. Låt oss omvandla enheter till SI-system: radien för en liten droppe är radien för en stor droppe. Låt oss räkna ut: |
| Svar | När dropparna smälter samman, energin hos J. |
EXEMPEL 3
| Träning | Bestäm ytspänningskoefficienten för oljan, vars densitet är lika om 304 droppar erhålls genom att passera olja genom en pipett. Pipetthals diameter 1,2 mm. |
| Lösning | En droppe olja bryter av från pipetten när tyngdkraften är lika med kraften från ytspänningen: |
Eftersom vätskemolekylerna i dess ytskikt dras in i vätskan är deras potentiella energi större än för molekylerna inuti vätskan. Denna slutsats kan också nås om vi kommer ihåg att den potentiella energin för interaktion mellan molekyler är negativ (§ 2.4), och tar hänsyn till att molekylerna i vätskans ytskikt i fig. 10.1) interagerar med färre molekyler än molekyler inuti en vätska
Denna ytterligare potentiella energi hos molekylerna i vätskans ytskikt kallas fri energi; på grund av det kan arbete utföras i samband med en minskning av vätskans fria yta. Tvärtom, för att föra molekylerna inuti vätskan till dess yta, är det nödvändigt att övervinna motståndet från molekylära krafter, det vill säga att göra det arbete som behövs för att öka den fria energin hos vätskans ytskikt. . Det är lätt att förstå att i det här fallet är förändringen i fri energi direkt proportionell mot förändringen i området för vätskans fria yta
Sedan dess har vi
Så arbetet med molekylära krafter A med en minskning av området för vätskans fria yta är rak. proportionell Men detta arbete måste också bero på typen av vätska och yttre förhållanden, såsom temperatur. Detta beroende uttrycks av koefficienten.
Kvantiteten a, som kännetecknar beroendet av molekylära krafters arbete när arean av den fria ytan av en vätska ändras på typen av vätska och yttre förhållanden, kallas vätskans ytspänningskoefficient (eller helt enkelt yta spänning), och mäts genom arbetet med molekylära krafter när arean av den fria ytan av vätskan minskar med en:
Vi härleder enheten för ytspänning i SI:
I SI antas en enhet av a vara en sådan ytspänning vid vilken molekylära krafter utför arbete i 1 J, vilket minskar arean av den fria ytan av vätskan med.
Eftersom vilket system som helst spontant övergår till ett tillstånd där dess potentiella energi är minimal, bör vätskan spontant övergå till ett tillstånd där arean av dess fria yta har det minsta värdet. Detta kan visas med hjälp av följande experiment.
På en tråd böjd i form av bokstaven P förstärks ett rörligt tvärstycke I (Fig.10.2). Ramen som erhålls på detta sätt spänns åt med en tvålfilm, doppa ramen i en tvållösning. Efter att ha tagit bort ramen från lösningen rör sig tvärbalken I uppåt, det vill säga molekylära krafter minskar faktiskt arean av den fria ytan av vätskan. (Tänk på var den frigjorda energin tar vägen.)
Eftersom en sfär har den minsta ytan för samma volym, tar vätskan i ett tillstånd av viktlös form av en sfär. Av samma anledning är små vätskedroppar sfäriska. Formen på tvålfilmer på olika ramar motsvarar alltid vätskans minsta fria yta.
