Tensi; n superficial în l; lichide
Pe această pagină, este explicat conceptul de tensiune superficială a unui lichid și sunt descrise două expresii pentru măsurarea magnitudinii fizice menționate.
Metoda lui Du Nouy este una dintre cele mai cunoscute. Forța suplimentară care trebuie exercitată asupra unui inel de aluminiu este măsurată exact în momentul în care foaia de lichid se va sparge.
A doua este o metodă simplă de a face măsurători relative ale tensiunii superficiale, pe baza formării picăturilor.
Într-un fluid, fiecare moleculă interacționează cu cei din jur. Raza de acțiune a forțelor moleculare este relativ mică, cuprinzând cele mai apropiate molecule vecine. Vom determina calitativ rezultatul forțelor de interacțiune pe o moleculă care se află
- A, interiorul lichidului
- B, în vecinătatea suprafeței
- C, la suprafață
Să luăm în considerare o moleculă (în culoare roșie) într-un lichid în echilibru, departe de suprafața liberă, cum ar fi A. Prin simetrie, rezultanta tuturor forțelor de atracție provenite de la moleculele (în culoare albastră) care o înconjoară, va fii nul.
Pe de altă parte, dacă molecula este în B, deoarece există mai puține molecule deasupra decât dedesubt, molecula în cauză va fi supusă unei forțe rezultante îndreptate spre interiorul lichidului.
Dacă molecula este în C, rezultanta forțelor de interacțiune este mai mare decât în cazul B.
Forțele de interacțiune fac ca moleculele situate în vecinătatea suprafeței libere a unui fluid să experimenteze o forță îndreptată spre interiorul lichidului.
Deoarece toate sistemele mecanice tind să adopte spontan starea de energie potențială cea mai mică, se înțelege că lichidele tind să prezinte cea mai mică suprafață posibilă către exterior.
Coeficientul de tensiune superficială
Energia de suprafață datorată coeziunii poate fi determinată folosind dispozitivul din figură.
O foaie de săpun este aderată la un fir îndoit cu unghi drept dublu și la un fir glisant AB. Pentru a preveni contracția foii din cauza forțelor de coeziune, este necesar să se aplice o forță F pe firul glisant.
Forța F este independentă de lungimea x a foii. Dacă deplasăm firul glisant pe o lungime de Δx, forțele externe au lucrat FΔx, care va fi investit în creșterea energiei interne a sistemului. Pe măsură ce suprafața foii se schimbă cu ΔS = 2dΔx (factorul 2 se datorează faptului că foaia are două fețe), ceea ce înseamnă că o parte a moleculelor care se aflau în interiorul lichidului s-au mutat pe suprafața nou creată, cu creșterea consecutivă a energiei.
Dacă numim γ energia pe unitate de suprafață, se va verifica că
F Δ x = γ Δ S γ = F 2 d
energia de suprafață pe unitate de suprafață sau tensiunea superficială se măsoară în J/m 2 sau N/m.
Tensiunea superficială depinde de natura lichidului, de mediul înconjurător și de temperatură. În general, tensiunea superficială scade odată cu temperatura, deoarece forțele de coeziune scad odată cu creșterea agitației termice. Influența mediului extern este înțeleasă deoarece moleculele din mediu exercită acțiuni atractive asupra moleculelor situate pe suprafața lichidului, contracarând acțiunile moleculelor lichidului.
Tensiunea superficială a lichidelor la 20 ° C
| Ulei de masline | 33.06 |
| Apă | 72,8 |
| Alcool etilic | 22.8 |
| Benzen | 29.0 |
| Glicerină | 59.4 |
| Petrol | 26.0 |
Sursă: Manual de Física, Koshkin N. I., Shirkevich M. G . Editorial Mir (1975)
Demonstrarea efectelor tensiunii superficiale
Să luăm în considerare o figură de sârmă construită din două inele cu rază diferită sudate de punctele A și B, eliminând firul interior. O coardă de lungime s mai mare decât distanța d dintre A și B unește ambele puncte. Figura de sârmă cu frânghia este scufundată într-o soluție cu săpun (în culoarea albastru deschis) și este dispusă vertical ținându-l de mâner. Aspectul său este cel al figurii din stânga.
Este perforat în porțiunea inferioară, șirul este imediat încordat, presupunând forma unui arc de circumferință de lungime s și rază r. A se vedea figura din dreapta
Studiem geometria arcului de circumferință, în a treia figură
s = r θ d = 2 r sin (θ 2)
Cunoscând lungimea s a coardei și distanța d dintre A și B, rezolvăm raza r.
d = 2 r sin (s 2 r)
De exemplu, dacă s = rπ/2 (un sfert de arc de circumferință cu raza r), d = 2 r sin (π 4) = 2 r
În general, va trebui să rezolvăm o ecuație transcendentă în r, aplicând proceduri numerice.
Tensiunea frânghiei
Pentru a calcula tensiunea T a șirului, considerăm o porțiune infinitezimală ds a arcului șirului care subtinde un unghi dθ, astfel încât ds = r · dθ.
Partea stângă și partea dreaptă a cablului exercită forțe asupra elementului menționat egale cu tensiunea sa T, într-o direcție tangentă, așa cum se arată în figură. Rezultanta acestor două forțe este dT = T dθ.